In che modo un induttore immagazzina energia?

So che i condensatori immagazzinano energia accumulando cariche sulle loro piastre, allo stesso modo le persone dicono che un induttore immagazzina energia nel suo campo magnetico. Non riesco a capire questa affermazione. Non riesco a capire come un induttore immagazzini energia nel suo campo magnetico, cioè non riesco a visualizzarlo.
Generalmente, quando gli elettroni si muovono attraverso un induttore, cosa succede agli elettroni e come vengono bloccati dal campo magnetico? Qualcuno può spiegarmelo concettualmente?

E per favore spiega anche questi:

1. Se gli elettroni fluiscono attraverso il filo, come vengono convertiti in energia nel campo magnetico?

2. Come viene generato back-EMF?

Questa è una domanda più profonda di quanto sembri. Perfino i fisici non sono d'accordo sull'esatto significato di immagazzinare energia in un campo, o anche se questa è una buona descrizione di ciò che accade. Non aiuta che i campi magnetici siano un effetto relativistico e quindi intrinsecamente strano.

Non sono un fisico a stato solido, ma cercherò di rispondere alla tua domanda sugli elettroni. Diamo un'occhiata a questo circuito:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Per cominciare, non c'è tensione o corrente attraverso l'induttore. Quando l'interruttore si chiude, la corrente inizia a fluire. Mentre la corrente scorre, crea un campo magnetico. Ciò richiede energia, che viene dagli elettroni. Esistono due modi per esaminare questo:

1. Teoria dei circuiti: in un induttore, una corrente variabile crea una tensione attraverso l'induttore . La tensione per corrente è potenza. Pertanto, cambiare una corrente di induttore richiede energia.$(V = L\frac{di}{dt})$

2. Fisica: un campo magnetico mutevole crea un campo elettrico. Questo campo elettrico spinge indietro gli elettroni, assorbendo energia nel processo. Pertanto, gli elettroni in accelerazione prendono energia, al di là di ciò che ti aspetteresti solo dalla massa inerziale dell'elettrone.

Alla fine, la corrente raggiunge 1 amp e rimane lì a causa della resistenza. Con una corrente costante, non c'è tensione attraverso l'induttore $(V = L\frac{di}{dt} = 0)$ . Con un campo magnetico costante, non c'è campo elettrico indotto.

Ora, se riducessimo la sorgente di tensione a 0 volt? Gli elettroni perdono energia nel resistore e iniziano a rallentare. Mentre lo fanno, il campo magnetico inizia a collassare. Questo crea di nuovo un campo elettrico nell'induttore, ma questa volta spinge gli elettroni per farli andare avanti, dando loro energia. La corrente infine si interrompe quando il campo magnetico è sparito.

Cosa succede se proviamo ad aprire l'interruttore mentre la corrente scorre? Tutti gli elettroni provano a fermarsi istantaneamente. Ciò provoca il collasso del campo magnetico tutto in una volta, creando un enorme campo elettrico. Questo campo è spesso abbastanza grande da spingere gli elettroni fuori dal metallo e attraverso il traferro nell'interruttore, creando una scintilla. (L'energia è limitata ma la potenza è molto alta.)

Il back-EMF è la tensione creata dal campo elettrico indotto quando il campo magnetico cambia.

Ti starai chiedendo perché questa roba non accada in un resistore o in un filo. La risposta è questa: qualsiasi flusso di corrente produrrà un campo magnetico. Tuttavia, l'induttanza di questi componenti è piccola, ad esempio una stima comune è di 20 nH / pollice per le tracce su un PCB. Questo non diventa un grosso problema fino a quando non entri nella gamma dei megahertz, a quel punto inizi a dover utilizzare tecniche di progettazione speciali per ridurre al minimo l'induttanza.

Questo è il mio modo di visualizzare il concetto di induttore e condensatore. Il modo è visualizzare l'energia potenziale e l'energia cinetica e comprendere l'interazione tra queste due forme di energia.

1. Il condensatore è analogo a una molla e
2. L'induttore è analogo a una ruota idraulica.

$\frac{1}{2}kx^2$$\frac{1}{2}CV^2$$C$$k$$V$$x$ . Il campo elettrico attraverso la capacità è analogo alla forza generata attraverso la molla. Quello che succede è che l'energia cinetica degli elettroni viene immagazzinata nel condensatore come energia potenziale. La potenziale differenza di energia risultante è la tensione che è una specie di pressione sotto forma di campo elettrico. Quindi, il condensatore respinge sempre gli elettroni a causa della sua energia potenziale.

$\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}$

In sintesi, l'induttore agisce come inerzia che reagisce contro il cambiamento di velocità degli elettroni e il condensatore agisce come una molla che reagisce contro la forza applicata.
Usando le analogie di cui sopra, puoi facilmente scoprire perché le relazioni di fase tra tensione e corrente sono diverse per induttori e condensatori. Questa analogia aiuta anche a comprendere il meccanismo di scambio di energia tra un condensatore e un induttore come in un oscillatore LC.

Per ulteriori riflessioni, porre le seguenti domande. Come viene immagazzinata l'energia cinetica in un sistema meccanico? Quando corriamo, dove e come viene immagazzinata l'energia cinetica? Quando stiamo correndo, stiamo creando un campo che interagisce sul nostro corpo in movimento?

Un modo per concettualizzarlo è immaginarlo simile all'inerzia della corrente attraverso l'induttore. Un buon modo per illustrarlo è con l'idea di una pompa idraulica a pistoni :

In una pompa idraulica a pistone, l'acqua scorre attraverso un grande tubo, in una valvola ad azione rapida. Quando la valvola si chiude, l'inerzia della massa d'acqua che scorre pesante provoca un improvviso aumento enorme della pressione dell'acqua alla valvola. Questa pressione quindi forza l'acqua verso l'alto attraverso una valvola unidirezionale. Quando l'energia del ram dell'acqua si dissipa, la valvola principale ad azione rapida si apre e l'acqua accumula un certo slancio nel tubo principale e il ciclo si ripete nuovamente. Vedi la pagina wiki per un'illustrazione.

Questo è esattamente il modo in cui funzionano i convertitori boost , solo con l'elettricità anziché l'acqua. L'acqua che scorre attraverso il tubo è equivalente a un induttore. Proprio come l'acqua nel tubo resiste ai cambiamenti di flusso, l'induttore resiste ai cambiamenti di corrente.

Un condensatore può immagazzinare energia: -

$\dfrac{C\cdot V^2}{2}$

Per un induttore è questo: -

$\dfrac{L\cdot I^2}{2}$

Io in particolare, ho sempre problemi a visualizzare la carica e la tensione, ma non ho mai problemi a visualizzare la corrente (tranne quando si tratta di rendersi conto che la corrente è flusso di carica). Accetto che la tensione sia quella che è e convivo solo con quella. Forse penso troppo. Forse lo fai anche tu?

Finisco per tornare alle origini e questo per me, è quanto voglio tornare indietro perché non sono un fisico. Nozioni di base: -

$\dfrac{dQ}{dt} = C\cdot\dfrac{dV}{dt}$

Ciò che mi dice è che per una data velocità di variazione della tensione attraverso un condensatore, c'è una corrente OR, se si forza una corrente attraverso un condensatore ci sarà una tensione di rampa.

Esiste una formula simile per un induttore che sostanzialmente dice che per una data tensione posta attraverso i terminali, la corrente aumenterà proporzionalmente: -

$L\dfrac{di}{dt}$

$-L\dfrac{di}{dt}$

Queste due formule mi spiegano cosa succede.

Immagina un circuito in serie comprendente un condensatore ideale, C, un induttore ideale, L e un interruttore. L'induttore ha un nucleo magnetico morbido, tale che l'intensità del suo campo magnetico è proporzionale alla corrente che lo attraversa. Il dielettrico del condensatore è perfetto e quindi non ci sono perdite.

Inizialmente, supponiamo che l'interruttore sia aperto e tutte le condizioni iniziali sono zero. Cioè, c'è una carica zero sul condensatore, zero corrente attraverso l'induttore e quindi il campo magnetico nel nucleo è zero. Diamo al condensatore una carica iniziale a V volt usando una batteria.

Lo switch è ora chiuso, at = 0, e L e C formano un semplice circuito in serie. A tutti i valori di tempo dopo la chiusura dell'interruttore, la tensione del condensatore deve essere uguale alla tensione dell'induttore (legge di tensione di Kirchoff). Quindi cosa succede ????

1. A t = o, la tensione attraverso C è V, quindi anche la tensione attraverso L deve essere V. Pertanto la velocità di variazione della corrente, di / dt, da C a L, deve essere tale che Ldi / dt = V. Pertanto , il tasso di variazione della corrente è abbastanza grande, ma la corrente stessa, nell'istante t = 0 è i = 0, e di / dt = V / L

2. Col passare del tempo, la tensione attraverso C diminuisce (quando la carica fuoriesce) e la velocità di variazione della corrente necessaria per mantenere la tensione dell'induttore allo stesso livello della tensione del condensatore diminuisce. La corrente è ancora in aumento, ma il suo gradiente sta diminuendo.

3. Con l'aumentare della corrente, l'intensità del campo magnetico nel nucleo dell'induttore aumenta (l'intensità del campo è proporzionale alla corrente).

4. Nel punto in cui il condensatore ha perso tutta la sua carica, la tensione del condensatore è zero, la corrente è al suo valore massimo (è in aumento da t = 0), ma la velocità di variazione, di / dt, ora è zero dal l'induttore non deve generare una tensione per bilanciare la tensione del condensatore. Anche a questo punto il campo magnetico è alla sua massima potenza (in realtà l'energia immagazzinata è LI ^ 2/2, dove I è la corrente massima e questo equivale all'energia originale in C = CV ^ 2/2

5. Ora non c'è più energia nel condensatore, quindi non è in grado di fornire corrente per mantenere il campo magnetico dell'induttore. Il campo magnetico inizia a collassare, ma così facendo crea una corrente che tende a contrastare il collasso del campo magnetico (legge di Lenz). Questa corrente è nella stessa direzione della corrente originale che scorre nel circuito, ma ora agisce per caricare il condensatore nella direzione opposta (cioè mentre la piastra superiore potrebbe essere stata originariamente positiva, ora la piastra inferiore viene caricata positiva).

6. L'induttore è ora al posto di guida. Sta generando una corrente, i, in risposta al collasso del campo magnetico e, poiché questa corrente sta diminuendo dal suo valore originale (I), viene generata una tensione con magnitudine, Ldi / dt (polarità opposta alla precedente).

7. Questo regime continua fino a quando il campo magnetico non si è completamente dissipato, dopo aver trasferito la sua energia al condensatore, sebbene con polarità opposta, e l'intera operazione ricomincia, ma questa volta il condensatore forza la corrente attorno al circuito nella direzione opposta alla precedente.

8. Quanto sopra rappresenta il semiciclo positivo della forma d'onda corrente e il passaggio 7 è l'inizio del semiciclo negativo. Una forma d'onda di scarica completa è un ciclo di un waveorm sinusoidale. Se i componenti L e C sono perfetti o "ideali", non vi è alcuna perdita di energia e le sinusoidi di tensione e corrente continuano all'infinito.

Quindi penso che sia chiaro che il campo magnetico ha la capacità di immagazzinare energia. Tuttavia non è in grado di accumulare a lungo termine come un condensatore, poiché le opportunità e i meccanismi di dispersione di energia sono molteplici. È interessante notare che la prima memoria del computer era costituita da induttori avvolti attorno a nuclei toroidali di ferrite (un toroide per bit !!), ma questi necessitavano di un frequente aggiornamento elettronico per conservare i dati memorizzati.

Forse possiamo visualizzarlo in questo modo. Gli induttori sono realizzati effettuando giri del conduttore su un nucleo magnetico o solo aria. A differenza di un condensatore, in cui una sostanza dielettrica è inserita tra le piastre dei conduttori. ogni atomo funge da anello portante corrente. È così perché l'elettrone ruota in un percorso circolare. Ciò provoca la formazione di dipoli magnetici (atomi) all'interno delle sostanze. Inizialmente tutti i dipoli magnetici sono diretti in modo casuale all'interno di una sostanza, rendendo nulla la direzione risultante delle linee del campo magnetico. Flussi di corrente dovuti al flusso di elettroni. In un circuito costituito da un induttore, esiste una direzione specifica del flusso di corrente (o flusso di elettroni) attraverso l'induttore. come tale, questa corrente cerca di allineare i dipoli magnetici in una direzione specifica.

La riluttanza dei dipoli magnetici ad allinearsi in una direzione specifica è responsabile dell'opposizione della corrente. l'opposizione può essere chiamata come back emf.

Questa opposizione offerta è diversa per materiale diverso. quindi, abbiamo diversi valori di riluttanza. si dice che l'induttore è saturo quando tutti i dipoli magnetici sono allineati nella direzione specifica data dalla Regola del pollice della mano destra di Fleming. la direzione dell'opposizione è data dalla Legge di Lenz (la direzione della back emf).

Questi dipoli magnetici sono responsabili solo della conservazione dell'energia magnetica. Supponiamo che questo induttore sia collegato a un circuito chiuso senza alimentazione di corrente. ora i dipoli magnetici allineati cercano di mantenere la loro posizione iniziale, a causa dell'assenza di corrente. Ciò provoca il flusso di corrente. si può dire che l'energia immagazzinata nell'induttore è dovuta al temporaneo allineamento di questi dipoli. ma pochi dipoli magnetici non riescono a raggiungere la loro configurazione iniziale. quindi, diciamo che l'induttore puro non è presente praticamente.

Gli scienziati sanno che i campi elettrici e magnetici sono correlati . Ciò è stato confermato per la prima volta da Oersted dal suo esperimento con una bussola magnetica. persino gli scienziati credono che il comportamento magnetico sia esibito anche dai singoli elettroni, a causa della loro rotazione attorno al proprio asse.

Non parliamo affatto di campi. Parliamo invece prima di cosa sia la tensione. Agli elettroni non piace davvero stare vicini. La forza elettrica è incredibilmente forte. Lascia che ti faccia un esempio di questo. Se 1 Ampere di corrente passa attraverso un filo, ciò significa che 1 Coloumb di carica elettrica è passato attraverso quel filo in 1 secondo. Supponiamo che tu sia in grado di immagazzinare tutti questi elettroni che sono passati in un secondo su una sfera metallica isolata elettricamente. Quindi hai aspettato un altro secondo e immagazzinato la stessa quantità di elettroni su un'altra sfera metallica isolata. Ora hai un Coulomb di elettroni su una sfera e un Coulomb di elettroni sull'altra sfera. Come sapete, simili accuse si respingeranno a vicenda. Se avessi tenuto queste due sfere distanti 1 metro di distanza, quanta forza pensi che si applicherebbe all'altra a causa della repulsione di Coulomb? La risposta è nella costante di Coulomb, che è 9 x 10 ^ 9 N / (m ^ 2C ^ 2). Dato che siamo distanti 1 metro e dato che abbiamo 1 Coulomb la forza è 9 x 10 ^ 9 Newton. Ciò significa che supporterà 9 x 10 ^ 8 kg nella gravità terrestre. Qual è il peso di un edificio molto grande. Ciò dimostra che gli elettroni in eccesso non amano essere vicini l'uno all'altro. La tensione è l'energia che un elettrone in eccesso ha quando viene aggiunto a un oggetto. E non hai bisogno di molti elettroni per aumentare la tensione sostanzialmente. Ciò significa che gli oggetti, compresi i fili metallici, hanno una capacità molto bassa di elettroni in eccesso. Che cos'è quindi un condensatore? Un condensatore ha un'alta capacità per gli elettroni in modo che quando una batteria aggiunge elettroni a un pezzo di filo che ha un condensatore all'estremità, la tensione non aumenta tanto per ogni elettrone. Ciò NON è dovuto al fatto che un condensatore ha una piastra (non importa quanto sia grande): una singola piastra ha una capacità molto BASSA per elettroni extra. Il sectret di un condensatore è la piastra OPPOSING che è molto vicino ad esso. Quello che succede è che gli elettroni in eccesso sulla piastra sono attratti dalla piastra opposta da cui gli elettroni sono stati rimossi dalla batteria. Ciò significa che l'energia complessiva per elettrone in eccesso viene ridotta e si può inserire un maggior numero di elettroni per unità di aumento di tensione. I catturatori quindi non possono avere un divario d'aria tra loro perché le forze sono così grandi. Devono avere un solido tra di loro per evitare che le piastre collassino l'una nell'altra. Ora veniamo all'induttore. Questa è una cosa folle. Non esiste un campo magnetico. È solo un'attrazione di Coulomb. Ma questa attrazione di Coulomb si verifica solo quando il flusso scorre in questo caso. Come può succedere? Ricorda bene che la forza di Coulomb è INCREDIBILMENTE forte, quindi i suoi effetti possono essere visti da cambiamenti abbastanza SOTTILI della densità elettronica che non possiamo vedere. E ora per il nocciolo. I sottili cambiamenti sono, infatti, dovuti alla relatività di Einstien. Gli elettroni hanno una spaziatura media in un filo e questa spaziatura media è uguale alla spaziatura media delle cariche positive. Quando scorre una corrente, potresti pensare che la spaziatura media rimanga la stessa, ma ora devi tenere conto del CONTRATTO DI LUNGHEZZA. A un osservatore esterno qualsiasi oggetto in movimento sembrerà più corto e questo è ciò che accade (lo spazio tra) gli elettroni. Con una bobina di filo, sui lati opposti del cerchio gli elettroni scorrono nella direzione opposta. Una parte vede l'altra con una MAGGIORE densità di elettroni rispetto alle cariche positive dovute alla relatività. Questo crea una REPULSIONE tra gli elettroni nei fili con direzioni di corrente opposte e AUMENTA la loro energia (cioè la tensione). La tensione quindi aumenta molto più velocemente rispetto a un normale filo. Le persone quindi pensano agli induttori come al flusso di corrente OPPOSTO. Ma quello che sta realmente accadendo è che la tensione è aumentata molto rapidamente e di più se scorre una corrente maggiore. Forse avrai notato che TUTTI i libri di testo trattano il magnetismo in modo matematico e non indicano mai la vera particella responsabile. Beh, è ​​l'elettrone e la forza è dovuta alla relatività e la forza è decisamente coulombica. Questo è vero anche nei materiali a magnetizzazione permanente (ma questa è un'altra discussione). Dimentica i campi, sono un costrutto matematico per le persone che non vogliono capire il mondo.

Tutte queste risposte sono meravigliose, ma per rispondere alla domanda su back emf, i punti chiave da tenere a mente:

1. Un campo B che cambia induce un campo E.

2. E è correlato a ε (emf) attraverso: ε = W / q -> W = ∮F⋅ds -> W / q = -∮ (F / q) ⋅ds -> E = F / q -> W / q = -∮E⋅ds (dove s è una distanza infinitesimale in direzione del movimento)

Quindi quando c'è un campo magnetico variabile, c'è un campo E indotto, e quindi ci sarà una tensione indotta (emf).

3. ε = -∮ (E_ind) ⋅ds = -∂ (Φ_B) / ∂t = - (d / dt) (∫Β⋅dA) Ricorda, è il campo B che cambia qui, quindi: = - (∂Β / ∂t )UN

Il motivo per cui si oppone alla sorgente di tensione costante (ad es. Una batteria) è semplicemente perché F (proporzionale a E) punta perpendicolarmente a B e I:

4. F = Ids × B. (Tempi correnti ds, un pezzo di filo infinitesimale nella direzione di I - la corrente può fluire solo attraverso il filo)

(Direzione data dalla regola della mano destra)

Questa forza aggiunge una componente di velocità alle cariche nella corrente nella direzione di F. A sua volta, questa nuova componente di velocità ora crea una componente di forza reciprocamente ortogonale al nuovo componente e campo B, che è nella direzione opposta al flusso originale di corrente, o in contrasto con la tensione originale fornita, e quindi perché si chiama "back emf".

È questo back emf che rallenta la carica (non li blocca).