Як індуктор зберігає енергію?

Я знаю, що конденсатори накопичують енергію, накопичуючи заряди на своїх пластинах, так само люди кажуть, що індуктор накопичує енергію в своєму магнітному полі. Я не можу зрозуміти це твердження. Я не можу зрозуміти, як індуктор накопичує енергію в своєму магнітному полі, тобто я не можу його уявити.
Як правило, коли електрони рухаються через індуктор, що відбувається з електронами, і як вони блокуються магнітним полем? Чи може хтось мені це пояснити концептуально?

А також поясніть, будь ласка:

1. Якщо електрони проходять через дріт, як вони перетворюються на енергію в магнітному полі?

2. Як створюється резервна ЕРС?

Це питання глибше, ніж це звучить. Навіть фізики не погоджуються з приводу точного значення зберігання енергії у полі чи навіть того, чи добре це описує те, що відбувається. Це не допомагає, що магнітні поля є релятивістським ефектом і, таким чином, по суті дивні.

Я не фізик твердого тіла, але спробую відповісти на ваше запитання щодо електронів. Давайте розглянемо цю схему:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Для початку, через індуктор немає напруги по струму чи струму. Коли перемикач закривається, струм починає текти. По мірі течії струму він створює магнітне поле. Для цього потрібна енергія, яка надходить від електронів. Є два способи подивитися на це:

1. Теорія ланцюга: В індукторі змінний струм створює напругу по всьому індуктору . Час напруги в струмі - потужність. Таким чином, зміна індукторного струму забирає енергію.$(V = L\frac{di}{dt})$

2. Фізика: мінливе магнітне поле створює електричне поле. Це електричне поле відштовхує електрони, поглинаючи в процесі енергію. Таким чином, прискорення електронів забирає енергію вище, ніж ви могли очікувати лише від інерціальної маси електрона.

Врешті-решт струм досягає 1 ампера і залишається там завдяки резистору. При постійному струмі напруги на індукторі немає . При постійному магнітному полі немає індукованого електричного поля.$(V = L\frac{di}{dt} = 0)$

А що робити, якщо зменшити джерело напруги до 0 вольт? Електрони втрачають енергію в резисторі і починають гальмувати. Коли вони це роблять, магнітне поле починає руйнуватися. Це знову створює електричне поле в індукторі, але цього разу воно підштовхує електрони, щоб тримати їх, даючи їм енергію. Струм остаточно припиняється, як тільки магнітне поле зникає.

Що робити, якщо ми спробуємо відкрити вимикач під час течії струму? Всі електрони намагаються зупинитись миттєво. Це призводить до того, що магнітне поле згортається все відразу, що створює масивне електричне поле. Це поле часто досить велике, щоб виштовхнути електрони з металу і через повітряний зазор у вимикачі, створюючи іскру. (Енергія обмежена, але потужність дуже велика.)

Зворотна ЕРС - це напруга, що створюється електричним полем, що індукується, при зміні магнітного поля.

Вам може бути цікаво, чому цей матеріал не відбувається в резисторі чи дроті. Відповідь полягає в тому, що це так - будь-який потік струму збирається створити магнітне поле. Однак індуктивність цих компонентів невелика - загальна оцінка, наприклад, 20 нГ / дюйм для слідів на друкованій платі. Це не стає величезною проблемою, поки ви не потрапите в мегагерцовий діапазон, і тоді ви починаєте використовувати спеціальні методи проектування для мінімізації індуктивності.

Це мій спосіб візуалізації концепції індуктора та конденсатора. Спосіб полягає у візуалізації потенційної енергії та кінетичної енергії та розумінні взаємодії цих двох форм енергії.

1. Конденсатор аналогічний пружині та
2. Індуктор аналогічний водяному колесу.

$\frac{1}{2}kx^2$$\frac{1}{2}CV^2$$C$$k$$V$$x$

$\frac{1}{2}I\omega^2$$I$$\omega$$\frac{1}{2}Li^2$$i$$i = \frac{dq}{dt}$

$F$$\mathbf{F} = q\mathbf{E} + q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$

Підсумовуючи, індуктор діє як інерція, яка реагує на зміну швидкості електронів, а конденсатор діє як пружина, яка реагує проти прикладеної сили.
Використовуючи вищевказані аналогії, ви можете легко знайти, чому фазові співвідношення між напругою та струмом відрізняються для індукторів та конденсаторів. Ця аналогія також допомагає зрозуміти механізм обміну енергією між конденсатором і індуктором, наприклад, в генераторі LC.

Для подальшого мислення поставте наступні запитання. Як зберігається кінетична енергія в механічній системі? Коли ми біжимо, де і як зберігається кінетична енергія? Коли ми біжимо, чи ми створюємо поле, яке взаємодіє з нашим рухомим тілом?

Один із способів її концептуалізації - це уявити, що він схожий на інерцію струму через індуктор. Хороший спосіб проілюструвати це ідеєю гідравлічного таранного насоса :

У гідравлічному таранному насосі вода тече по великій трубі, в клапан швидкої дії. Коли клапан закривається, інерція важкої проточної маси води викликає раптове величезне підвищення тиску води на клапані. Потім цей тиск змушує воду вгору через односторонній клапан. Коли енергія від барабана розсіюється, головний швидкодіючий клапан відкривається, і вода накопичує деякий імпульс у головній трубі, і цикл повторюється знову. Для ілюстрації див. Сторінку вікі.

Саме так працюють прискорювальні перетворювачі , лише з електроенергією замість води. Вода, що протікає по трубі, еквівалентна індуктору. Так само, як вода в трубі чинить опір зміні потоку, індуктор чинить опір зміні струму.

Конденсатор може зберігати енергію: -

Енергія = $\dfrac{C\cdot V^2}{2}$ де V застосовується напруга, а С - ємність.

Для індуктора це:

Енергія = $\dfrac{L\cdot I^2}{2}$ де L - індуктивність, а I - струм, що протікає.

Зокрема, у мене завжди виникають проблеми з візуалізацією заряду та напруги, але у мене ніколи не виникає проблем із візуалізацією струму (за винятком випадків, коли це стосується усвідомлення того, що струм - це заряд заряджання). Я приймаю, що напруга є такою, яка вона є, і просто жити з цим. Можливо, я думаю занадто важко. Може, і ти робиш?

Зрештою, я повертаюся до основ, і це для мене, наскільки я хочу повернутися назад, тому що я не фізик. Основи: -

Q = CV або $\dfrac{dQ}{dt} = C\cdot\dfrac{dV}{dt}$ = струм, я

Це мені підказує, що для заданої швидкості зміни напруги через конденсатор існує струм АБО, якщо примусити струм через конденсатор буде напруга напруги.

Існує аналогічна формула для індуктора, яка в основному говорить вам, що для заданої напруги, розміщеної через клеми, струм буде наростати пропорційно:

V = $L\dfrac{di}{dt}$ коли V подається на клеми і

V = $-L\dfrac{di}{dt}$ при обчисленні заднього ЕРС внаслідок руйнування зовнішнього потоку або зміни потоку іншої котушки.

Ці дві формули пояснюють мені, що відбувається далі.

Зобразіть схему серії, що містить ідеальний конденсатор, С, ідеальний індуктор, L та комутатор. Індуктор має м'яке магнітне ядро, таке, що сила його магнітного поля пропорційна струму, що протікає через нього. Конденсаторний діелектрик ідеальний, тому втрат немає.

Спочатку припустимо, що перемикач відкритий, і всі початкові умови дорівнюють нулю. Тобто на конденсаторі є нульовий заряд, нульовий струм через індуктор і, отже, магнітне поле в серцевині дорівнює нулю. Подаємо конденсатору початковий заряд до V вольт за допомогою акумулятора.

Перемикач тепер закритий, при t = 0, і L і C утворюють просту послідовну ланцюг. При всіх значеннях часу після замикання перемикача напруга конденсатора повинна дорівнювати напрузі індуктора (закон напруги Кірхофа). Отже, що відбувається ????

1. При t = o напруга через C дорівнює V, тому напруга через L також має бути V. Тому швидкість зміни струму, d / dt, від C до L, повинна бути такою, що Ldi / dt = V. Таким чином , швидкість зміни струму досить велика, але сам струм в момент t = 0 є i = 0, а di / dt = V / L

2. З плином часу напруга в С зменшується (по мірі виходу заряду), а швидкість зміни струму, необхідна для підтримки напруги індуктора на тому ж рівні, що і напруга конденсатора, зменшується. Струм ще збільшується, але його градієнт зменшується.

3. У міру збільшення струму напруга магнітного поля в серцевині індуктора зростає (напруженість поля пропорційна струму).

4. У той момент, коли конденсатор втратив увесь свій заряд, напруга конденсатора дорівнює нулю, струм знаходиться на максимальному значенні (він зростає з t = 0), але швидкість зміни, d / dt, тепер дорівнює нулю, оскільки індуктор не потребує генерації напруги, щоб збалансувати напругу конденсатора. Також в цей момент магнітне поле знаходиться на максимальній силі (фактично накопичена енергія LI ^ 2/2, де I - максимальний струм, і це дорівнює вихідній енергії в C = CV ^ 2/2

5. Тепер у конденсаторі більше не залишилося енергії, тому він не в змозі подати струм для підтримки магнітного поля індуктора. Магнітне поле починає руйнуватися, але, створюючи це, створює струм, який прагне протиставити руйнуюче магнітне поле (закон Ленца). Цей струм знаходиться в тому ж напрямку, що і вихідний струм, що протікає в ланцюзі, але він зараз діє для зарядки конденсатора в протилежному напрямку (тобто тоді, коли верхня пластина, можливо, спочатку була позитивною, тепер нижня пластина заряджається позитивною).

6. Зараз індуктор знаходиться на водійському сидінні. Він генерує струм, i, у відповідь на магнітне поле, що руйнується, і, оскільки цей струм зменшується від його початкового значення (I), генерується напруга з величиною, Ldi / dt (протилежна полярності до попередньої).

7. Цей режим триває до тих пір, поки магнітне поле повністю не розсіюється, передаючи свою енергію назад в конденсатор, хоча і з протилежною полярністю, і вся операція починається знову, але на цей раз конденсатор примушує струм навколо ланцюга у зворотному напрямку до попереднього.

8. Вищезазначене являє собою позитивний півцикл поточної форми хвилі, а крок 7 - початок негативного півциклу. Одна повна форма хвилі розряду-заряду - це один цикл синусоїдальної хвилі. Якщо компоненти L та C є ідеальними або «ідеальними», втрати енергії не виникають, а синусоїди напруги та струму продовжуються до нескінченності.

Тому я думаю, що зрозуміло, що магнітне поле має здатність зберігати енергію. Однак він не такий здатний до тривалого зберігання, як конденсатор, оскільки можливості та механізми витоку енергії багато. Цікаво зазначити, що рання комп'ютерна пам’ять була виготовлена ​​з індукторів, намотаних навколо феритових тороїдальних ядер (один тороїд на біт !!), але для збереження збережених даних вони потребували електронного оновлення часто.

Можливо, ми можемо уявити це таким чином. Індуктори виготовляють шляхом здійснення обертів провідника над магнітним сердечником або просто повітрям. На відміну від конденсатора, в якому діелектрична речовина прошивається між пластинами провідників. кожен атом виконує роль петлі, що несе струм. Це так тому, що електрон обертається круговим шляхом. Це породжує магнітні диполі (атоми) всередині речовин. Спочатку всі магнітні диполі випадковим чином направлені всередину речовини, що робить результуюче напрямок ліній магнітного поля недійсним. Струм тече за рахунок потоку електронів. У ланцюзі, що складається з індуктора, є специфічний напрямок потоку струму (або потоку електронів) через індуктор. як такий, цей струм намагається вирівняти магнітні диполі в конкретному напрямку.

Небажання магнітних диполів вирівнятися у певному напрямку, є причиною протистояння струму. опозицію можна назвати зворотною ЕМП.

Ця пропонована опозиція відрізняється для різних матеріалів. отже, ми маємо різні значення небажання. Кажуть, що індуктор насичений, коли всі магнітні диполі вирівняні в конкретному напрямку, яке задається правилом великого пальця правої руки Флемінга. напрям опозиції задається Законом Ленца (напрям назад ЕМП).

Ці магнітні диполі відповідають лише за зберігання магнітної енергії. Припустимо, цей індуктор підключений до замкнутого ланцюга без подачі струму. тепер вирівняні магнітні диполі намагаються зберегти своє початкове положення через відсутність струму. Це призводить до течії струму. можна сказати, що енергія, накопичена в індукторі, обумовлена ​​тимчасовим вирівнюванням цих диполів. але мало магнітних диполів не можуть досягти своєї початкової конфігурації. отже, ми говоримо, що чистого індуктора практично немає.

Вченим відомо, що електричні та магнітні поля взаємозалежні . Вперше це підтвердив Ерстед своїм експериментом з магнітним компасом. навіть вчений вважає, що магнітну поведінку проявляють і окремі електрони, через їх спін навколо власної осі.

Не будемо взагалі говорити про поля. Давайте спочатку поговоримо про те, що таке напруга. Електрони насправді не люблять бути поруч. Електрична сила непомітно сильна. Дозвольте навести приклад цього. Якщо 1 ампер струму пройшов через провід, це означатиме, що 1 Колор електричного заряду пройшов через цей провід за 1 секунду. Припустимо, вам вдалося зберегти всі ці електрони, які пройшли за одну секунду, на електрично ізольованій металевій сфері. Потім ви зачекали ще секунду і зберегли стільки ж електронів на іншій ізольованій металевій сфері. Тепер у вас є один кулон електронів на одній сфері та один кулон електронів на іншій. Як відомо, як звинувачення відштовхують одне одного. Якби я тримав ці дві сфери на відстані 1 метра один від одного, яка сила, на вашу думку, буде застосована до іншої завдяки кулонівському відштовхуванню? Відповідь - у постійній Кулоба, яка дорівнює 9 х 10 ^ 9 Н / (m ^ 2C ^ 2). Оскільки ми знаходимось на відстані 1 м, і оскільки у нас є 1 кулон, сила становить 9 х 10 ^ 9 ньютонів. Це означає, що він підтримуватиме 9 х 10 ^ 8 кг сили тяжіння Землі. Яка вага дуже великої будівлі. Це ілюструє, що надлишки електронів взагалі не люблять перебувати поруч. Напруга - це енерія, яку має надлишок електрона, коли вона додається до об'єкта. Вам взагалі не потрібно багато електронів, щоб значно підвищити напругу. Це означає, що предмети, включаючи металеві дроти, мають дуже низьку ємність для надлишків електронів. Що тоді є конденсатором? Конденсатор має високу ємність для електронів, тому коли акумулятор додає електрони до шматка дроту, який має конденсатор на кінці, напруга не збільшується на кожен електрон. Це НЕ через те, що в конденсаторі є пластина (незалежно від того, наскільки вона велика): одна пластина має дуже низьку ємність для зайвих електронів. Секрет до конденсатора - це ОПЛИЧНА пластина, яка знаходиться дуже близько до неї. Що відбувається, так це те, що надлишки електронів на пластині притягуються до протилежної пластини, з якої електрони були вилучені акумулятором. Це означає, що загальна енергія на надлишок електрона зменшується, і ви можете помістити більше електронів на одиницю збільшення напруги. Тому капітани не можуть мати повітряний зазор між ними, оскільки сили такі великі. Між ними потрібно мати тверду речовину, щоб плити не розвалювалися одна на одну. Тепер ми підходимо до індуктора. Це божевільна річ. Немає такого поняття, як магнітне поле. Це просто кулонська атракція. Але ця кулонівська привабливість виникає лише тоді, коли в цьому випадку тече прямота. Як це може статися? Добре пам’ятайте, що Кулонівська сила є НЕВЕРЕДНО сильною, тому її наслідки можна побачити з досить РІЗНИХ змін щільності електронів, які ми не можемо побачити. А тепер про суть. Тонкі зміни насправді зумовлені відносністю Ейнстіена. Електрони мають середній проміжок у дроті, і цей середній інтервал такий же, як і середній інтервал позитивних зарядів. Коли струм тече, ви можете подумати, що середній інтервал залишається однаковим, але тепер ви повинні врахувати ДОВГИЙ ДОГОВІР. Для похилого спостерігача будь-який рухомий об’єкт виявиться коротшим, і саме це відбувається з (проміжком між) електронами. З котушкою дроту на протилежних сторонах кола електрони течуть у зворотному напрямку. Одна сторона бачить, що друга має більшу щільність електронів, ніж позитивні заряди через відносність. Це створює ВІДТВОРЕННЯ між електронами в проводах, що мають протилежні напрямки струму, і збільшує їх енергію (тобто напругу). Тому напруга піднімається набагато швидше, ніж для звичайного проводу. Тому люди думають про індуктори як ПРОПОЗИЦІЙНИЙ струм. Але насправді відбувається те, що напруга зростала дуже швидко і тим більше, якщо тече більший струм. Можливо, ви помітили, що ВСІ текстові книги поводяться з магнетизмом математично і ніколи насправді не вказують на фактичну частину відповідальності. Добре, що його електрон і сила зумовлені відносністю, а сила, безумовно, є кулонівською. Це справедливо навіть у постійно намагнічених матеріалах (але це вже інше обговорення). Забудьте про поля, вони є математичною конструкцією для людей, які не хочуть розуміти світ.

Усі ці відповіді чудові, але щоб відповісти на запитання про задній ЕМП, ключові моменти, які слід пам’ятати:

1. Змінюється поле B індукує поле E.

2. E пов'язаний з ε (emf) через: ε = W / q -> W = ∮F⋅ds -> W / q = -∮ (F / q) ⋅ds -> E = F / q -> W / q = -∮E⋅ds (де s - нескінченно мала відстань у напрямку руху)

Отже, коли є магнітне поле, що змінюється, виникає індуковане поле E, а значить, буде індуковане напруга (emf).

3. ε = -∮ (E_ind) ⋅ds = -∂ (Φ_B) / ∂t = - (d / dt) (∫Β⋅dA) Пам'ятайте, що тут змінюється поле B, тож: = - (∂Β / ∂t ) А

Причина, яка протистоїть джерелу постійної напруги (наприклад, акумулятор), полягає лише в тому, що точки F (пропорційні E) перпендикулярно B і I:

4. F = Ids × B. (Поточний час ds, нескінченно малий шматок дроту в напрямку I - струм може протікати лише по дроту)

(Настанова, задана правим правилом)

Ця сила додає компонент швидкості до зарядів у струмі в напрямку F. В свою чергу, цей новий компонент швидкості тепер створює силовий компонент, взаємно ортогональний новій складовій та B поля, що знаходиться в напрямку, протилежному початковому потоку струму або протилежному вихідному напрузі, що подається, і тому його називають "задньою ЕМП".

Саме цей задній ЕРС уповільнює заряд (він не блокує їх).