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能量存在正负之分

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发表于 2015-2-25 22:03:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 shenlong 于 2015-2-25 22:52 编辑

:在传统的物理学观点看来,能量是不分正负的。但是,通过比较分析单独的电容、电感电路和LC串联电路,发现:电源所做的无功功率等于分别消耗在电容和电感上的功率之差。当LC电路发生谐振时,虽然电源消耗在电容和电感上的无功功率为0,而电容和电感却储存了能量,而且电流、电压达到最大值。根据能量守恒定律和实际结果,只能得出一个结论:电场能和磁场能的属性是相反的,相互抵消。能量确实存在正负之分。
关键词:功率;电场能;磁场能;正能量;负能量;谐振
中图分类号:O4
1.引  言
在物理学中,速度、位移、力、加速度、电流、电压、功率、电场、磁场和磁通量等都是向量,自然存在相反的对立面。能量作为标量,似乎不存在相反的对立面。能量不存在正负之分,已经成为物理学的常识。
根据热力学第二定律,如果能量没有正负,只存在能级的高低差别,则能级高的电子、原子、分子乃至宏观物质,总是放出能量,使本身的能级下降。而那些能级低的粒子或物质总是吸收能量,提升本身的能级。最后达到了能级的平衡,消除了差别,宇宙一片平静。而且,按此定律,温度是物质的能级的标志,温度越高,能级越高,反之,温度越低,能级越低;升高物质的温度需要做功耗能,冷却时无需做功耗能。然而,实际上,不管是加温还是制冷,都需要做功并耗费电能,温度越低,耗费的能量就越大。
所谓的能量有正负之分,是指这两种能量的属性相反,组合在一起会相互抵消。例如,高温气体(温度在摄氏100℃以上)能够做功,要获得高温气体需要耗费能量;与之相反的是冷气(温度在摄氏-100℃以下),也能够做功,制作冷气需要耗能。还有高压气体,靠膨胀做功,制作高压气体需要耗费能量;真空则与之相反,能产生吸力做功,而制造真空也须耗能。因此,自然界还是存在属性相反的正负能量。
电能是人类最常用的能量,与之相反的是磁能。在交流电路中,电容器上储存的电场能和电感器上储存的磁场能具有相互抵消的特点。
2.交流电路中电容消耗的功率与电感消耗的功率相反
对于电感元件,设i=√2Isinωt,则u=√2Usin(ωt+90),吸收的瞬时功率PL
                  PL=ui=√2Usin(ωt+90) √2Isinωt=UIsin(2ωt)          [1]

对于电容元件,设i=√2Isinωt,则u=√2Usin(ωt-90),吸收的瞬时功率PC
                 PC=ui=√2Usin(ωt-90) √2Isinωt=UIsin(2ωt+π)         [2]
PLPC同频,但相位相差180度,所以,在交流电路中,电容消耗的功率与电感消耗的功率相反。

对于LC串联电路,电感和电容两端的电压分别为ULUC,电源消耗在LC电路上的总功率为P,
P= PL +PC
P=IUL sin(2ωt)+IUCsin(2ωt+π)= IUL sin(2ωt)- IUC sin(2ωt)= I(UL-UC)sin(2ωt)
电源消耗在LC电路上的总功率为电感和电容吸收的瞬时功率的数量之差,而不是数量之和。
3. LC串联谐振电路中电场能与磁场能相互抵消
串联谐振时,电感电压与电容电压等值异号,即电感电容吸收等值异号的无功功率,使电路吸收的无功功率为0;供给电路的能量全转化为电阻发热。

当ωL=1/ωC时,I=E/R,i(t)=iC(t)=iL(t),uc(t)=-uL(t),
Pc(t)=uc(t) ic(t),PL(t)=uL(t)iL(t),电源消耗的总功率P= PR+PL +PC=PR
PL +PC=0,∴PL=-PC
电容吸收的无功功率变为电场能WC(t),电感吸收的无功功率变为磁场能WL(t)
在(t0,t)内,电容器中的储能为
WCt=PC(ζ)dζ=∫uc(ζ)ic(ζ)dζ
                       =uc(ζ) i(ζ) dζ          [3]
在(t0,t)内,电感器中的储能为
WL(t)=∫ PL(ζ)dζ=∫uL(ζ)iL(ζ)dζ
                       =uL(ζ)) i(ζ) dζ      [4]
∵uc(t)=-uL(t) ∴WC(t)=-WL(t)

WC(t)+ WL(t)≠0,LC电路的a、b两端应该能输出能量。然而,LC两端的电压Uab=0,不能输出能量∴WCt)+WL(t)=0。

4.理论探讨
为什么在同一个电路中会出现电场能和磁场能的对抗?
电感的特点是通直流、阻交流,根据楞次定律的定义,“感应电流在回路中产生的磁通总是反抗(或阻碍)原磁通量的变化。”电感线圈中产生的感应电动势总是和电源电流变化的趋势相反,其储存的能量,是和交流电源相对抗的。而电容的特点是通交流、隔直流,其储存的能量和电源没有对抗。因此,当电容和电感置于同一交流电路时,两者储存的能量就具有了对抗性,相互抵消,如同正负能量。
LC如同两只负极相接的电池,电压相等,极性相反,两端电压Uab=0。
假如电场能与磁场能的极性相同,不存在正负之分,按照麦克斯韦的理论,变化的电场产生变化的磁场,变化的磁场又产生变化的电场,如此反复,形成电磁波,其能量总和就会趋向于无穷大,显然违反能量守恒定律。
结论:由于谐振时电源供给LC电路的功率为0,电感和电容组合的能量为0,即WC(t)=-WL(t)。电容器储存的电场能量和电感器储存的磁场能量数值相等、极性相反。根据

能量守恒定律,电源供给LC电路的能量为0,而电容和电感分别储存的能量却达到最大,岂不矛盾?实际上,此时LC电路两端的电压Uab=0,相当于短路,不能输出任何能量。

参考文献:
[1] 高吉祥,刘原等.电路分析.—2版.—北京:电子工业出版社,2012.3,P86。
[2] 同上,P88。
[3] 姚维等.电路分析原理.上册.-2版.—北京:机械工业出版社,2011.2,P197。
[4] 同上,P216。
楼主热帖
发表于 2015-8-12 15:31:23 | 显示全部楼层
怎么说呢!感觉你的提法有点问题
高温气体(温度在摄氏100℃以上)能够做功,与之相反的是冷气(温度在摄氏-100℃以下),也能够做功。但是他们不是你所说的正负能量甚至毫不相干...高压气体,靠膨胀做功,真空则与之相反,能产生吸力做功。就更不靠谱了,没有大气压真空能就完全不存在了,何谈做功...在地球环境下的自然现象在太空就可能不存在,但是负能量 不能换个环境也消失吧......说话要慎重!在没搞清楚之前我不否定有正负能量的可能性。
 楼主| 发表于 2015-8-12 21:40:42 | 显示全部楼层
渴望 发表于 2015-8-12 15:31
怎么说呢!感觉你的提法有点问题
高温气体(温度在摄氏100℃以上)能够做功,与之相反的是冷气(温度在摄 ...

在没有确定自然界存在正负能量之前,找几个属性相反的能量作为例子,不管做功的原因如何,高温气体和冷气,高压与真空,这两种能量放在一起肯定会相互抵消,做功的能力会大大降低,这总是对的吧?
发表于 2015-9-25 00:29:35 | 显示全部楼层
不好意思,問個問題,如果沒反電動勢產生,那麼這個世界會變得如何?所有物質只要一移動就開始產生電能,然後大家持續產生電能,最後物質世界就‧‧‧‧ GG了
就如同磁鐵的NS極總是成對出現一樣,這是為了物質世界的平衡而設計的。
個人猜想,反電動勢的產生並非是為了對抗,而是物質世界的原始設計就是如此,是為了能讓物質世界能順利運作的設計
換句話說,如果能同時利用電動勢與反電動勢的能量,那麼就可以得到加乘的效果。當然,這需要利用一些還沒人知道的原理。現在都是用屏蔽的方式來處理。
发表于 2015-9-25 22:15:55 | 显示全部楼层
jamesz1010 发表于 2015-9-25 00:29
不好意思,問個問題,如果沒反電動勢產生,那麼這個世界會變得如何?所有物質只要一移動就開始產生電能,然 ...

请深入了解一下物质和能量的总量守衡(恒)定理

点评

換個方式說,抵消就如同中和沒有阻力直接歸零,而抵抗則是兩股力量互抵,直至能量消耗完畢  发表于 2015-9-25 22:34
然而,如果是屬於抵消類似,則不應出現抵抗的狀態,抵抗則是有兩種能量只是方向相反,與抵消的情況不同  发表于 2015-9-25 22:30
如依能量守恆是正負能量抵銷以達到守恆  发表于 2015-9-25 22:27
发表于 2015-9-26 19:02:14 | 显示全部楼层
沉睡 发表于 2015-9-25 22:15
请深入了解一下物质和能量的总量守衡(恒)定理

嗯~~~~~~是这些道理,只是运用的感觉机械了些。现在请您再开阔思路,先去欣赏一下“自由能源装置实践手册”的导论部分,找找相关事件的契入点,仔细回味看看有没有新的感觉和发现?
发表于 2015-9-26 19:30:10 | 显示全部楼层
一般来说,“器”这种东西,常见的构成模式有:纯粹耗尽式,条件触发(限制)生成式和条件触发(限制)耗损---渐灭,转化式等等......譬如生命发展,可见其种种不同经历。我看物质和能量的总量守衡(恒)定理与欣赏“自由能源装置实践手册”的导论部分后,直接的感受就是:自由能源装置的根本实质就是一种以特殊条件触发和限制的动态耗散系统。打开隐见窗口,引入可控变量即是它的关键!反之,呵呵~~~~~~~您明白的

点评

只要引入的能量可以大於輸入,就是自由能裝置  发表于 2015-9-27 14:18
 楼主| 发表于 2015-9-27 07:16:04 | 显示全部楼层
太玄了,我不明白。

点评

如果是屬於負能量,那麼依一般想法,應該是中和作用,正負能量直接抵消。但電動勢與反電動勢卻是同時產生,互相抵抗,甚至產生振動與熱能,可推得是同時產生方向相反的能,而非性質不同的負能。  发表于 2015-9-27 14:23
 楼主| 发表于 2015-9-27 21:11:42 | 显示全部楼层
就谐振电路中的电场能和磁场能而言,二者虽然单独存在,合在一起确实中和了。由此可见,两种能量属性相反。电动势和反电动势表面从字眼上看是相反的,其实并不一定同时产生,唯有在线圈的磁通变化时才能产生反电动势。况且,电动势和反电动势并不代表能量。
发表于 2015-10-23 01:13:46 | 显示全部楼层
shenlong 发表于 2015-9-27 21:11
就谐振电路中的电场能和磁场能而言,二者虽然单独存在,合在一起确实中和了。由此可见,两种能量属性相反。 ...

我的理解是首先是要确定对能量的定义,当对认为能量的定义是最小构成单元的时候也许不分正负,但是再往上一层或许就就会出现了正负。简单说无极生两仪,如果你说的能量指的是无极则无正负之分,当你说的能量指两仪,那么就有正负之分,如阴阳两仪。建议可参考唐对磁场电场的理解。他说区别是电子的左旋和右旋。不同的旋转方向生成了电场和磁场。如果这个理解是正确的话,那么应该可以解释很多问题。能量正负之分之前也有在论坛讨论过,欢迎探讨。
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