非平衡互感变压器可导致能量不守恒
学过物理学或电工技术的朋友都知道，变压器是一种能量传输效率非常高的设备，如果不算线圈发热的话，能量传输效率几乎可以达到100%。变压器的输出电压和输入电压与线圈的匝数成正比，如果次级线圈的匝数是初级线圈匝数的10倍，那末输出电压就比输入电压高10倍。不过电流却同线圈匝数成反比，输出能量与输入能量总是相等的。当我的大学老师讲到这里的时候，我们问为什么电流同线圈匝数成反比，我的老师说，因为能量一定要守恒，所以电流同线圈匝数必须成反比。这个答案很难让我们信服，难道变压器也懂得能量守恒的道理吗？这个变压器既没有耳朵，也没有嘴巴，它为什么要这么听话呢？这里面一定有一个机制，我们看到的能量守恒是这个机制的结果，而不是原因。如果把结果当成原因来讲，恰恰表明我们还没有完全了解变压器的工作机制。
后来查看了中国的和外国的各种各样的教材，发现所有的讲义都是把‘电流同线圈匝数成反比’当成一个定津来讲的，包括 MIT,Princeton, Stanford, Berkeley,等等。从这一点上看，我国的高等教育水平已经与世界一流没有差别了。那么到底是什么机制在暗中支持着能量守恒呢？
这个机制就是互感的平衡。互感是指当一个线圈上有电流通过时，将在另一个线圈上感应出电动势。对变压器来说，因为有一个初级线圈和一个次级线圈，所以有两个互感系数，一个是初级线圈对次级线圈的互感系数，另一个是次级线圈对初级线圈的互感系数，在诸位看到这篇文章以前，所有的变压器的这两个互感系数都是相等的。相等的互感就是平衡互感。事实上，因为他们是相等的，人们就不再区分它们，把他们统称为‘互感’。平衡互感就是导致能量守恒的原因，这是在数学上严格证明的。
那么现在的问题是，是否可以作出互感不平衡的变压器呢？事实上麦克斯韦方程已经预示了这一点。在麦克斯韦方程中，有两个来源可以产生磁场，一个是传导电流，一个是位移电流，后者实际上是空间电场对时间的导数。数学上可以证明来自于传导电流的互感都是平衡的，但是来自于位移电流的互感就不平衡了。设想有一个平行板电容，电容间的磁场有一部分来自于连接电容的导线上的传导电流，其余的来自于电容内部的位移电流，一般来说，平行板间隔越大，来自于位移电流的部分就越多。如果一个次级线圈放在平行板电容的中间平面上，那么位移电流就会贡献一份互感给次级线圈，反过来，次级线圈对位移电流的互感却为零，因为在位移电流中没有电子。
互感不平衡的变压器将导致能量不守恒，这也是在数学上严格证明的。在这里，我不得不对麦克斯韦表示钦佩，麦先生在1861年提出麦克斯韦方程，预示了电磁波的存在，并计算出电磁波的传播速度等于光速。这个预言在1887年被 Herz 试验证明。现在我们描述的非平衡互感导致能量不守恒，同样完全来自于麦克斯韦方程，只是隐藏的太深了，相隔了140多年才被发现。
有朋友会问，为什么能量不守恒以前没有被发现呢？这个原因就是我们曾经对能量守恒定理太至信了，以致于在解决任何物理问题或者工程问题的时侯都把能量守恒当成一个已知条件来用，于是我们所得到的解都是符合能量守恒的。
那么能量不守恒有什么用处呢？用处太大了。打个比方说，如果初级线圈对次级线圈的互感系数是100，而次级线圈对初级线圈的互感系数是70的话，那么输入70瓦的功率就可以输出100瓦的功率，这是一个很简单的设计，我们还可以做的更高级一些，比如拿一个普通的变压器，互感系数都是80。我们把这个普通变压器的初级线圈与前一个变压器的初级线圈串联起来，再把这个普通变压器的次级线圈与前一个变压器的次级线圈反极性串联起来，于是这个组合的变压器就有了完全不一样的性质。他的初级线圈对次级线圈的互感系数是 20 （100-80 = 20），次级线圈对初级线圈的互感系数是 -10 （70-80 = -10）。我们有了‘逆电感’，这可是以前从来没有过的。这就是说，当次级线圈的能量损耗是20瓦的时候，在初级线圈上不但不要求输入能量，还能反过来输出能量。
我是物理学博士，在物理学领域工作20多年了。如果有朋友想了解更详细的内容，只要打个招呼，我都会无保留地提供。
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