Wie speichert ein Induktor Energie?

Ich weiß, dass die Kondensatoren Energie speichern, indem sie Ladungen an ihren Platten ansammeln, ähnlich wie man sagt, dass ein Induktor Energie in seinem Magnetfeld speichert. Ich kann diese Aussage nicht verstehen. Ich kann nicht herausfinden, wie ein Induktor Energie in seinem Magnetfeld speichert, das heißt, ich kann es nicht visualisieren.
Wenn sich Elektronen über einen Induktor bewegen, was passiert dann mit den Elektronen und wie werden sie durch das Magnetfeld blockiert? Kann mir jemand das konzeptionell erklären?

Und bitte erläutern Sie auch diese:

1. Wenn Elektronen durch den Draht fließen, wie werden sie im Magnetfeld in Energie umgewandelt?

2. Wie wird Back-EMF generiert?

Das ist eine tiefere Frage, als es sich anhört. Sogar Physiker sind sich nicht einig über die genaue Bedeutung des Speicherns von Energie in einem Feld oder sogar darüber, ob dies eine gute Beschreibung dessen ist, was passiert. Es hilft nicht, dass Magnetfelder ein relativistischer Effekt sind und daher von Natur aus seltsam.

Ich bin kein Festkörperphysiker, aber ich werde versuchen, Ihre Frage zu Elektronen zu beantworten. Schauen wir uns diese Schaltung an:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Zunächst liegt keine Spannung oder kein Strom an der Induktivität an. Wenn der Schalter schließt, beginnt der Strom zu fließen. Während der Strom fließt, erzeugt er ein Magnetfeld. Das braucht Energie, die von den Elektronen kommt. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu betrachten:

1. Schaltungstheorie: In einer Induktivität erzeugt ein sich ändernder Strom eine Spannung über der Induktivität . Spannung mal Strom ist Leistung. Das Ändern eines Induktivitätsstroms erfordert daher Energie.$(V = L\frac{di}{dt})$

2. Physik: Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld drückt die Elektronen zurück und absorbiert dabei Energie. Die Beschleunigung von Elektronen verbraucht also Energie, die über das hinausgeht, was Sie von der Trägheitsmasse des Elektrons allein erwarten würden.

Schließlich erreicht der Strom 1 Ampere und bleibt dort aufgrund des Widerstands. Bei konstantem Strom liegt am Induktor keine Spannung an. Bei einem konstanten Magnetfeld gibt es kein induziertes elektrisches Feld.$(V = L\frac{di}{dt} = 0)$

Was ist nun, wenn wir die Spannungsquelle auf 0 Volt reduzieren? Die Elektronen verlieren Energie im Widerstand und beginnen sich zu verlangsamen. Dabei beginnt das Magnetfeld zu kollabieren. Dies erzeugt wieder ein elektrisches Feld im Induktor, aber dieses Mal drückt es die Elektronen an, um sie am Laufen zu halten und ihnen Energie zu geben. Der Strom stoppt schließlich, sobald das Magnetfeld weg ist.

Was ist, wenn wir versuchen, den Schalter zu öffnen, während Strom fließt? Die Elektronen versuchen alle augenblicklich anzuhalten. Dies bewirkt, dass das Magnetfeld auf einmal zusammenbricht, was ein massives elektrisches Feld erzeugt. Dieses Feld ist oft groß genug, um die Elektronen aus dem Metall und über den Luftspalt im Schalter zu drücken und einen Funken zu erzeugen. (Die Energie ist endlich, aber die Kraft ist sehr hoch.)

Die Gegen-EMK ist die Spannung, die durch das induzierte elektrische Feld erzeugt wird, wenn sich das Magnetfeld ändert.

Sie fragen sich vielleicht, warum dieses Zeug nicht in einem Widerstand oder einem Draht vorkommt. Die Antwort ist, dass dies der Fall ist - jeder Stromfluss wird ein Magnetfeld erzeugen. Die Induktivität dieser Komponenten ist jedoch gering - eine übliche Schätzung liegt beispielsweise für Leiterbahnen auf einer Leiterplatte bei 20 nH / Zoll. Dies wird erst zu einem großen Problem, wenn Sie in den Megahertz-Bereich gelangen. Ab diesem Punkt müssen Sie spezielle Designtechniken anwenden, um die Induktivität zu minimieren.

Auf diese Weise visualisiere ich das Konzept von Induktor und Kondensator. Der Weg besteht darin, potenzielle Energie und kinetische Energie zu visualisieren und die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Energieformen zu verstehen.

1. Kondensator ist analog zu einer Feder und
2. Die Induktivität entspricht einem Wasserrad.

$\frac{1}{2}kx^2$$\frac{1}{2}CV^2$$C$$k$$V$$x$ . Das elektrische Feld über der Kapazität ist analog zu der Kraft, die über die Feder erzeugt wird. Was passiert ist, dass die kinetische Energie der Elektronen als potentielle Energie im Kondensator gespeichert wird. Die resultierende potentielle Energiedifferenz ist die Spannung, die eine Art Druck in Form eines elektrischen Feldes ist. Der Kondensator drückt also die Elektronen aufgrund ihrer potentiellen Energie immer zurück.

Als nächstes kann die kinetische Energie eines Wasserrades als ausgedrückt werden$\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}$

Zusammenfassend wirkt der Induktor als Trägheit, die auf die Änderung der Geschwindigkeit der Elektronen reagiert, und der Kondensator als Feder, die auf die ausgeübte Kraft reagiert.
Anhand der obigen Analogien können Sie leicht feststellen, warum sich die Phasenbeziehungen zwischen Spannung und Strom für Induktivitäten und Kondensatoren unterscheiden. Diese Analogie hilft auch, den Energieaustauschmechanismus zwischen einem Kondensator und einer Induktivität wie in einem LC-Oszillator zu verstehen.

Stellen Sie zum Nachdenken die folgenden Fragen. Wie wird die kinetische Energie in einem mechanischen System gespeichert? Wo und wie wird die kinetische Energie beim Laufen gespeichert? Schaffen wir beim Laufen ein Feld, das auf unseren sich bewegenden Körper einwirkt?

Eine Möglichkeit, es sich vorzustellen, besteht darin, sich vorzustellen, dass es der Trägheit des Stroms durch den Induktor ähnlich ist. Ein guter Weg, dies zu veranschaulichen, ist die Idee einer hydraulischen Kolbenpumpe :

In einer hydraulischen Kolbenpumpe fließt Wasser durch ein großes Rohr in ein schnell wirkendes Ventil. Beim Schließen des Ventils führt die Trägheit der stark fließenden Wassermasse zu einem plötzlichen starken Anstieg des Wasserdrucks am Ventil. Dieser Druck drückt dann Wasser durch ein Einwegventil nach oben. Während sich die Energie aus dem Wasserstößel auflöst, öffnet sich das schnell wirkende Hauptventil und das Wasser baut in der Hauptleitung einen Impuls auf und der Zyklus wiederholt sich erneut. Eine Illustration finden Sie auf der Wiki-Seite.

Genau so funktionieren Hochsetzsteller , nur mit Strom anstelle von Wasser. Das durch das Rohr fließende Wasser entspricht einem Induktor. Genau wie das Wasser in der Leitung Änderungen des Durchflusses widersteht, widersteht der Induktor Änderungen des Stroms.

Ein Kondensator kann Energie speichern:

Energie = $\dfrac{C\cdot V^2}{2}$ wobei V die angelegte Spannung und C die Kapazität ist.

Für einen Induktor ist dies:

Energie = $\dfrac{L\cdot I^2}{2}$ Dabei ist L die Induktivität und I der fließende Strom.

Insbesondere ich habe immer Probleme, Ladung und Spannung zu visualisieren, aber ich habe nie Probleme, Strom zu visualisieren (außer wenn es darum geht, zu erkennen, dass Strom ein Ladungsfluss ist). Ich akzeptiere, dass Spannung das ist, was sie ist, und lebe einfach damit. Vielleicht denke ich zu viel nach. Vielleicht machst du das auch?

Am Ende kehre ich zu den Grundlagen zurück, und das ist für mich so weit, wie ich zurückkehren möchte, weil ich kein Physiker bin. Grundlagen: -

Q = CV oder $\dfrac{dQ}{dt} = C\cdot\dfrac{dV}{dt}$ = Strom, ich

Was mir dies sagt, ist, dass für eine gegebene Änderungsrate der Spannung an einem Kondensator ein Strom vorhanden ist, ODER, wenn Sie einen Strom durch einen Kondensator erzwingen, wird es eine ansteigende Spannung geben.

Es gibt eine ähnliche Formel für einen Induktor, die Ihnen im Grunde sagt, dass bei einer bestimmten Spannung, die über die Klemmen gelegt wird, der Strom proportional ansteigt:

V = $L\dfrac{di}{dt}$ wenn V an die Klemmen und angelegt wird

V = $-L\dfrac{di}{dt}$ bei der Berechnung der Gegen-EMK aufgrund eines Zusammenbruchs des externen Flusses oder eines Flusses von einer anderen Spule, die sich ändert.

Diese beiden Formeln erklären mir, was los ist.

Stellen Sie sich eine Serienschaltung mit einem idealen Kondensator C, einer idealen Induktivität L und einem Schalter vor. Der Induktor hat einen weichmagnetischen Kern, so dass die Stärke seines Magnetfeldes proportional zum durch ihn fließenden Strom ist. Das Kondensatordielektrikum ist perfekt und es entstehen keine Verluste.

Nehmen wir zunächst an, der Schalter ist offen und alle Anfangsbedingungen sind Null. Das heißt, es gibt keine Ladung am Kondensator, kein Strom durch den Induktor und daher ist das Magnetfeld im Kern Null. Wir laden den Kondensator mit einer Batterie auf V Volt auf.

Der Schalter ist nun bei t = 0 geschlossen und L und C bilden eine einfache Reihenschaltung. Zu allen Zeitpunkten nach dem Schließen des Schalters muss die Kondensatorspannung der Induktorspannung entsprechen (Kirchoff-Spannungsgesetz). Also was passiert ????

1. Bei t = o ist die Spannung an C V, so dass die Spannung an L ebenfalls V sein muss. Daher muss die Änderungsrate des Stroms di / dt von C nach L so sein, dass Ldi / dt = V ist ist die Änderungsrate des Stroms ziemlich groß, aber der Strom selbst ist zum Zeitpunkt t = 0 i = 0 und di / dt = V / L

2. Mit fortschreitender Zeit nimmt die Spannung an C ab (wenn die Ladung abfließt) und die Änderungsrate des Stroms, die erforderlich ist, um die Induktorspannung auf demselben Niveau zu halten, wenn die Kondensatorspannung abnimmt. Der Strom steigt immer noch an, aber seine Steigung nimmt ab.

3. Mit zunehmendem Strom nimmt die Stärke des Magnetfeldes im Induktorkern zu (die Feldstärke ist proportional zum Strom).

4. An dem Punkt, an dem der Kondensator seine gesamte Ladung verloren hat, ist die Kondensatorspannung Null, der Strom ist auf seinem Maximalwert (er steigt seit t = 0), aber die Änderungsrate di / dt ist jetzt Null seit dem Der Induktor muss keine Spannung erzeugen, um die Kondensatorspannung auszugleichen. Auch zu diesem Zeitpunkt hat das Magnetfeld seine maximale Stärke (tatsächlich ist die gespeicherte Energie LI ^ 2/2, wobei I der maximale Strom ist und dies der ursprünglichen Energie in C = CV ^ 2/2 entspricht

5. Jetzt ist keine Energie mehr im Kondensator, sodass er keinen Strom mehr liefern kann, um das Magnetfeld des Induktors aufrechtzuerhalten. Das Magnetfeld beginnt zu kollabieren, erzeugt dabei aber einen Strom, der dem kollabierenden Magnetfeld eher entgegenwirkt (Lenzsches Gesetz). Dieser Strom ist in der gleichen Richtung wie der ursprüngliche Strom, der in der Schaltung fließt, aber er dient jetzt zum Laden des Kondensators in der entgegengesetzten Richtung (dh während die obere Platte ursprünglich positiv gewesen sein kann, wird jetzt die untere Platte positiv geladen).

6. Der Induktor befindet sich jetzt auf dem Fahrersitz. Es wird ein Strom i als Reaktion auf das kollabierende Magnetfeld erzeugt, und da dieser Strom von seinem ursprünglichen Wert (I) abfällt, wird eine Spannung mit der Größe Ldi / dt (entgegengesetzte Polarität zur vorherigen) erzeugt.

7. Dieses Regime setzt sich fort, bis sich das Magnetfeld vollständig aufgelöst hat und seine Energie, wenn auch mit entgegengesetzter Polarität, zurück zum Kondensator übertragen hat. Der gesamte Vorgang beginnt von neuem, aber dieses Mal zwingt der Kondensator Strom in die entgegengesetzte Richtung zum vorherigen Stromkreis.

8. Das Obige stellt die positive Halbwelle der Stromwellenform dar und Schritt 7 ist der Beginn der negativen Halbwelle. Eine vollständige Entladungs-Ladungs-Wellenform ist ein Zyklus eines Sinuswellenformers. Wenn die L- und C-Komponenten perfekt oder "ideal" sind, gibt es keinen Energieverlust und die Spannungs- und Strom-Sinuskurven sind weiterhin unendlich.

Ich denke, es ist klar, dass das Magnetfeld die Fähigkeit hat, Energie zu speichern. Es kann jedoch nicht so lange gespeichert werden wie ein Kondensator, da die Möglichkeiten und Mechanismen für das Entweichen von Energie vielfältig sind. Es ist interessant festzustellen, dass der frühe Computerspeicher aus Induktoren bestand, die um Ferrit-Ringkerne gewickelt waren (ein Ring pro Bit !!), die jedoch häufig elektronisch aktualisiert werden mussten, um die gespeicherten Daten zu erhalten.

Vielleicht können wir uns das so vorstellen. Induktivitäten werden hergestellt, indem Leiter über einen Magnetkern oder nur über Luft gewickelt werden. Im Gegensatz zu einem Kondensator, bei dem eine dielektrische Substanz zwischen Leiterplatten eingelegt ist. Jedes Atom wirkt als Stromschleife. Es ist so, weil sich Elektronen auf einer Kreisbahn drehen. Dadurch entstehen in Stoffen magnetische Dipole (Atome). Zu Beginn sind alle magnetischen Dipole zufällig in eine Substanz gerichtet, so dass die resultierende Richtung der Magnetfeldlinien null ist. Strom fließt durch Elektronenfluss. In einer aus einer Induktivität bestehenden Schaltung gibt es eine bestimmte Richtung des Stromflusses (oder Elektronenflusses) durch die Induktivität. Daher versucht dieser Strom, die magnetischen Dipole in eine bestimmte Richtung auszurichten.

Die Abneigung der magnetischen Dipole, sich in eine bestimmte Richtung auszurichten, ist für den Widerstand des Stroms verantwortlich. die opposition kann als back emf bezeichnet werden.

Dieser Widerspruch ist je nach Material unterschiedlich. Daher haben wir unterschiedliche Reluktanzwerte. Der Induktor wird als gesättigt bezeichnet, wenn alle magnetischen Dipole in der spezifischen Richtung ausgerichtet sind, die durch Flemings Faustregel für die rechte Hand vorgegeben ist . die richtung des widerspruchs ergibt sich aus dem lenzschen gesetz (richtung der rückseitigen emf).

Diese magnetischen Dipole sind nur für die Speicherung von magnetischer Energie verantwortlich. Angenommen, diese Induktivität ist an einen geschlossenen Stromkreis ohne Stromversorgung angeschlossen. Jetzt versuchen die ausgerichteten magnetischen Dipole, ihre ursprüngliche Position beizubehalten, da kein Strom fließt. Dies führt zu einem Stromfluss. Man kann sagen, dass die im Induktor gespeicherte Energie auf die vorübergehende Ausrichtung dieser Dipole zurückzuführen ist. aber nur wenige magnetische Dipole können ihre ursprüngliche Konfiguration nicht erreichen. daher sagen wir, dass ein reiner Induktor praktisch nicht vorhanden ist.

Wissenschaftler wissen, dass die elektrischen und magnetischen Felder miteinander zusammenhängen . Dies wurde von Oersted erstmals durch sein Experiment mit einem Magnetkompass bestätigt. Selbst Wissenschaftler glauben, dass auch einzelne Elektronen magnetisches Verhalten zeigen, weil sie sich um ihre eigene Achse drehen.

Sprechen wir überhaupt nicht über Felder. Sprechen wir stattdessen zuerst über die Spannung. Elektronen mögen es wirklich nicht, nahe beieinander zu sein. Die elektrische Kraft ist unglaublich stark. Lassen Sie mich ein Beispiel dafür geben. Wenn 1 Ampere Strom durch ein Kabel fließen würde, würde dies bedeuten, dass 1 Coloumb elektrischer Ladung in 1 Sekunde durch dieses Kabel geflossen ist. Nehmen wir an, Sie konnten all diese Elektronen, die in einer Sekunde vorbeigingen, auf einer elektrisch isolierten Metallkugel speichern. Dann hast du noch eine Sekunde gewartet und die gleiche Menge Elektronen auf einer anderen isolierten Metallkugel gespeichert. Jetzt haben Sie ein Coulomb von Elektronen auf einer Kugel und ein Coulomb von Elektronen auf der anderen Kugel. Wie Sie wissen, werden sich Gebühren gegenseitig abstoßen. Wenn ich diese beiden Kugeln 1 Meter voneinander entfernt halten würde, wie viel Kraft würde Ihrer Meinung nach aufgrund der Coulomb-Abstoßung eine auf die andere wirken? Die Antwort ist in Coulombs Konstante, die 9 x 10 ^ 9 N / (m ^ 2C ^ 2) ist. Da wir 1 m voneinander entfernt sind und 1 Coulomb haben, beträgt die Kraft 9 x 10 ^ 9 Newton. Dies bedeutet, dass es 9 x 10 ^ 8 kg in der Schwerkraft der Erde tragen wird. Welches ist das Gewicht eines sehr großen Gebäudes. Dies zeigt, dass sich überschüssige Elektronen überhaupt nicht gerne nähern. Spannung ist die Energie, die ein überschüssiges Elektron hat, wenn es einem Objekt hinzugefügt wird. Und Sie brauchen überhaupt nicht viele Elektronen, um die Spannung wesentlich zu erhöhen. Dies bedeutet, dass Objekte, einschließlich Metalldrähte, eine sehr sehr geringe Kapazität für überschüssige Elektronen haben. Was ist dann ein Kondensator? Ein Kondensator hat eine hohe Kapazität für Elektronen, so dass, wenn eine Batterie einem Stück Draht, das am Ende einen Kondensator hat, Elektronen hinzufügt, die Spannung pro Elektron nicht so stark ansteigt. Dies liegt NICHT an der Tatsache, dass ein Kondensator eine Platte hat (egal wie groß sie ist): Eine einzelne Platte hat eine sehr sehr geringe Kapazität für zusätzliche Elektronen. Das Geheimnis eines Kondensators ist die OPPOSING-Platte, die sehr nahe daran ist. Es kommt vor, dass überschüssige Elektronen auf der Platte von der gegenüberliegenden Platte angezogen werden, von der die Batterie Elektronen entfernt hat. Dies bedeutet, dass die Gesamtenergie pro überschüssigem Elektron reduziert wird und Sie mehr Elektronen pro Einheitsspannungsanstieg einbauen können. Kondensatoren können daher keinen Luftspalt zwischen sich haben, weil die Kräfte so groß sind. Sie müssen einen Feststoff zwischen sich haben, um zu verhindern, dass die Platten ineinander kollabieren. Nun kommen wir zum Induktor. Das ist eine verrückte Sache. Es gibt kein Magnetfeld. Es ist nur eine Coulomb-Attraktion. Diese Coulomb-Anziehung tritt jedoch nur dann auf, wenn in diesem Fall eine korrekte Strömung auftritt. Wie kann das passieren? Denken Sie daran, dass die Coulomb-Kraft UNGLAUBLICH stark ist, so dass sich ihre Auswirkungen auf ganz UNTERSCHIEDLICHE Änderungen der Elektronendichte auswirken, die wir nicht sehen können. Und jetzt zum Kern. Die subtilen Veränderungen sind in der Tat auf Einstiens Relativität zurückzuführen. Elektronen haben einen durchschnittlichen Abstand in einem Draht und dieser durchschnittliche Abstand ist der gleiche wie der durchschnittliche Abstand der positiven Ladungen. Wenn ein Strom fließt, denken Sie vielleicht, dass der durchschnittliche Abstand gleich bleibt, aber jetzt müssen Sie die LÄNGENKONTRAKTION berücksichtigen. Für einen Außenbeobachter erscheint jedes sich bewegende Objekt kürzer, und genau das passiert mit (dem Raum zwischen) Elektronen. Mit einer Drahtspule fließen die Elektronen auf den gegenüberliegenden Seiten des Kreises in die entgegengesetzte Richtung. Auf der einen Seite ist die Elektronendichte aufgrund der Relativitätstheorie auf der anderen Seite höher als auf der positiven Seite. Dies erzeugt eine REPULSION zwischen den Elektronen in Drähten mit entgegengesetzten Stromrichtungen und ERHÖHT ihre Energie (dh Spannung). Die Spannung steigt daher viel schneller an als bei einem gewöhnlichen Draht. Man betrachtet Induktivitäten daher als GEGEN den Stromfluss. Was aber wirklich passiert, ist, dass die Spannung sehr schnell ansteigt, und dies umso mehr, wenn ein größerer Strom fließt. Sie haben vielleicht bemerkt, dass ALLE Lehrbücher den Magnetismus auf mathematische Weise behandeln und nie wirklich auf das tatsächlich verantwortliche Teilchen hinweisen. Nun, es ist das Elektron und die Kraft ist aufgrund der Relativitätstheorie und die Kraft ist definitiv Coulomb. Dies gilt auch für permanent magnetisierte Materialien (aber das ist eine andere Diskussion). Felder vergessen, sie sind ein mathematisches Konstrukt für Menschen, die die Welt nicht verstehen wollen.

Alle diese Antworten sind wundervoll, aber um die Frage zu beantworten, müssen die wichtigsten Punkte beachtet werden:

1. Ein sich änderndes B-Feld induziert ein E-Feld.

2. E ist mit ε (emf) verwandt durch: ε = W / q -> W = >F∮ds -> W / q = -∮ (F / q) ⋅ds -> E = F / q -> W / q = -∮E∮ds (wobei s ein infinitesimaler Abstand in Bewegungsrichtung ist)

Wenn sich also das Magnetfeld ändert, gibt es ein induziertes E-Feld und damit eine induzierte Spannung (EMK).

3. ε = -∮ (E_ind) ⋅ds = -∂ (Φ_B) / ∂t = - (d / dt) (∫Β⋅dA) Denken Sie daran, dass sich das B-Feld hier ändert, also: = - (∂Β / ∂t )EIN

Der Grund dafür, dass es sich der Konstantspannungsquelle (z. B. einer Batterie) widersetzt, ist einfach, dass F (proportional zu E) senkrecht zu B und I zeigt:

4. F = Ids × B. (Stromzeiten ds, ein infinitesimales Stück Draht in Richtung I - Strom kann nur durch den Draht fließen)

(Richtung durch die rechte Hand Regel gegeben)

Diese Kraft addiert eine Geschwindigkeitskomponente zu den Ladungen im Strom in Richtung F. Diese neue Geschwindigkeitskomponente erzeugt nun eine Kraftkomponente, die zu der neuen Komponente und dem B-Feld orthogonal ist und der Richtung entgegengesetzt ist, die der ursprünglichen Strömung von ist Strom oder gegen die ursprünglich gelieferte Spannung, und daher wird es eine "Gegen-EMK" genannt.

Es ist diese Gegen-EMK, die die Ladung verlangsamt (sie blockiert sie nicht).