¿Cómo almacena energía un inductor?

Sé que los condensadores almacenan energía acumulando cargas en sus placas, de manera similar la gente dice que un inductor almacena energía en su campo magnético. No puedo entender esta afirmación. No puedo entender cómo un inductor almacena energía en su campo magnético, es decir, no puedo visualizarlo.
En general, cuando los electrones se mueven a través de un inductor, ¿qué sucede con los electrones y cómo se bloquean por el campo magnético? ¿Alguien puede explicarme esto conceptualmente?

Y también por favor explique esto:

1. Si los electrones fluyen a través del cable, ¿cómo se convierten en energía en el campo magnético?

2. ¿Cómo se genera el back-EMF?

Esta es una pregunta más profunda de lo que parece. Incluso los físicos no están de acuerdo sobre el significado exacto de almacenar energía en un campo, o incluso si esa es una buena descripción de lo que sucede. No ayuda que los campos magnéticos sean un efecto relativista y, por lo tanto, inherentemente extraños.

No soy un físico de estado sólido, pero intentaré responder a tu pregunta sobre los electrones. Veamos este circuito:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Para empezar, no hay voltaje ni corriente a través del inductor. Cuando el interruptor se cierra, la corriente comienza a fluir. A medida que fluye la corriente, crea un campo magnético. Eso requiere energía, que proviene de los electrones. Hay dos maneras de ver esto:

1. Teoría del circuito: en un inductor, una corriente cambiante crea un voltaje a través del inductor . El voltaje por la corriente es potencia. Por lo tanto, cambiar una corriente inductora requiere energía.$(V = L\frac{di}{dt})$

2. Física: un campo magnético cambiante crea un campo eléctrico. Este campo eléctrico empuja hacia atrás a los electrones, absorbiendo energía en el proceso. Por lo tanto, la aceleración de electrones requiere energía, más allá de lo que cabría esperar de la masa inercial del electrón solo.

Finalmente, la corriente alcanza 1 amperio y permanece allí debido a la resistencia. Con una corriente constante, no hay voltaje a través del inductor . Con un campo magnético constante, no hay campo eléctrico inducido.$(V = L\frac{di}{dt} = 0)$

Ahora, ¿qué pasa si reducimos la fuente de voltaje a 0 voltios? Los electrones pierden energía en la resistencia y comienzan a disminuir. Mientras lo hacen, el campo magnético comienza a colapsar. Esto nuevamente crea un campo eléctrico en el inductor, pero esta vez empuja los electrones para mantenerlos en funcionamiento, dándoles energía. La corriente finalmente se detiene una vez que el campo magnético se ha ido.

¿Qué pasa si intentamos abrir el interruptor mientras la corriente fluye? Todos los electrones intentan detenerse instantáneamente. Esto hace que el campo magnético colapse de una vez, lo que crea un campo eléctrico masivo. Este campo a menudo es lo suficientemente grande como para empujar los electrones fuera del metal y atravesar el espacio de aire en el interruptor, creando una chispa. (La energía es finita pero el poder es muy alto).

El EMF posterior es el voltaje creado por el campo eléctrico inducido cuando cambia el campo magnético.

Tal vez se pregunte por qué esto no sucede en una resistencia o un cable. La respuesta es que sí: cualquier flujo de corriente producirá un campo magnético. Sin embargo, la inductancia de estos componentes es pequeña: una estimación común es de 20 nH / pulgada para trazas en una PCB, por ejemplo. Esto no se convierte en un gran problema hasta que entras en el rango de megahercios, momento en el que comienzas a tener que usar técnicas de diseño especiales para minimizar la inductancia.

Esta es mi forma de visualizar el concepto de inductor y condensador. La forma es visualizar la energía potencial y la energía cinética, y comprender la interacción entre estas dos formas de energía.

1. El condensador es análogo a un resorte, y
2. Inductor es análogo a una rueda de agua.

$\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}$

En resumen, el inductor actúa como inercia que reacciona contra el cambio en la velocidad de los electrones, y el condensador actúa como un resorte que reacciona contra la fuerza aplicada.
Usando las analogías anteriores, puede encontrar fácilmente por qué las relaciones de fase entre voltaje y corriente son diferentes para inductores y condensadores. Esta analogía también ayuda a comprender el mecanismo de intercambio de energía entre un condensador y un inductor, como en un oscilador LC.

Para reflexionar más, haga las siguientes preguntas. ¿Cómo se almacena la energía cinética en un sistema mecánico? Cuando estamos corriendo, ¿dónde y cómo se almacena la energía cinética? Cuando estamos corriendo, ¿estamos creando un campo que interactúa en nuestro cuerpo en movimiento?

Una forma de conceptualizarlo es imaginar que sea similar a la inercia de la corriente a través del inductor. Una buena manera de ilustrarlo es con la idea de una bomba hidráulica de pistón :

En una bomba hidráulica de pistón, el agua fluye a través de una tubería grande hacia una válvula de acción rápida. Cuando la válvula se cierra, la inercia de la gran masa de agua que fluye provoca un repentino aumento enorme de la presión del agua en la válvula. Esta presión luego fuerza el agua hacia arriba a través de una válvula unidireccional. A medida que la energía del pistón de agua se disipa, la válvula principal de acción rápida se abre, y el agua acumula algo de impulso en la tubería principal, y el ciclo se repite nuevamente. Vea la página wiki para una ilustración.

Así es exactamente como funcionan los convertidores de impulso , solo con electricidad en lugar de agua. El agua que fluye a través de la tubería es equivalente a un inductor. Al igual que el agua en la tubería resiste los cambios en el flujo, el inductor resiste el cambio en la corriente.

Un condensador puede almacenar energía: -

Energía = $\dfrac{C\cdot V^2}{2}$ donde V es voltaje aplicado y C es capacitancia.

Para un inductor es esto: -

Energía = $\dfrac{L\cdot I^2}{2}$ donde L es inductancia e I es la corriente que fluye.

En particular, siempre tengo problemas para visualizar la carga y el voltaje, pero nunca tengo problemas para visualizar la corriente (excepto cuando se trata de darse cuenta de que la corriente es un flujo de carga). Acepto que el voltaje es lo que es y solo vivo con eso. Tal vez pienso demasiado. ¿Quizás tú también?

Termino volviendo a lo básico y esto para mí, es lo más lejos que quiero volver porque no soy físico. Conceptos básicos: -

Q = CV o $\dfrac{dQ}{dt} = C\cdot\dfrac{dV}{dt}$ = actual, yo

Lo que esto me dice es que para una tasa dada de cambio de voltaje a través de un condensador, hay una corriente O, si fuerza una corriente a través de un condensador, habrá un voltaje en rampa.

Hay una fórmula similar para un inductor que básicamente le dice que para un voltaje dado colocado a través de los terminales, la corriente aumentará proporcionalmente:

V = $L\dfrac{di}{dt}$ cuando se aplica V a los terminales y

V = $-L\dfrac{di}{dt}$ al calcular la fem posterior debido al colapso del flujo externo o al flujo de otro cambio de bobina.

Estas dos fórmulas me explican lo que sucede.

Imagine un circuito en serie que comprende un condensador ideal, C, un inductor ideal, L y un interruptor. El inductor tiene un núcleo magnético blando, de modo que la intensidad de su campo magnético es proporcional a la corriente que lo atraviesa. El condensador dieléctrico es perfecto y, por lo tanto, no hay pérdidas.

Inicialmente, supongamos que el interruptor está abierto y todas las condiciones iniciales son cero. Es decir, hay carga cero en el condensador, corriente cero a través del inductor y, por lo tanto, el campo magnético en el núcleo es cero. Le damos al condensador una carga inicial a V voltios usando una batería.

El interruptor ahora está cerrado, en t = 0, y L y C forman un circuito en serie simple. En todos los valores de tiempo después del cierre del interruptor, el voltaje del condensador debe ser igual al voltaje del inductor (ley de voltaje de Kirchoff). ¿¿¿¿Así que lo que sucede????

1. En t = o, el voltaje a través de C es V, por lo que el voltaje a través de L también debe ser V. Por lo tanto, la tasa de cambio de corriente, di / dt, de C a L, debe ser tal que Ldi / dt = V. , la tasa de cambio de corriente es bastante grande, pero la corriente en sí, en el instante t = 0 es i = 0, y di / dt = V / L

2. A medida que pasa el tiempo, el voltaje a través de C disminuye (a medida que fluye la carga) y la tasa de cambio de corriente necesaria para mantener el voltaje del inductor al mismo nivel que disminuye el voltaje del condensador. La corriente sigue aumentando, pero su gradiente está disminuyendo.

3. A medida que aumenta la corriente, la fuerza del campo magnético en el núcleo del inductor aumenta (la fuerza del campo es proporcional a la corriente).

4. En el punto donde el condensador ha perdido toda su carga, el voltaje del condensador es cero, la corriente está en su valor máximo (ha estado aumentando desde t = 0), pero la tasa de cambio, di / dt, ahora es cero desde el El inductor no necesita generar un voltaje para equilibrar el voltaje del condensador. También en este punto, el campo magnético está en su fuerza máxima (en realidad, la energía almacenada es LI ^ 2/2, donde I es la corriente máxima y esto equivale a la energía original en C = CV ^ 2/2

5. Ahora no queda más energía en el condensador, por lo que no puede suministrar ninguna corriente para mantener el campo magnético del inductor. El campo magnético comienza a colapsar, pero al hacerlo crea una corriente que tiende a oponerse al colapso del campo magnético (ley de Lenz). Esta corriente está en la misma dirección que la corriente original que fluye en el circuito, pero ahora actúa para cargar el condensador en la dirección opuesta (es decir, mientras que la placa superior puede haber sido originalmente positiva, ahora la placa inferior se está cargando positiva).

6. El inductor está ahora en el asiento del conductor. Está generando una corriente, i, en respuesta al colapso del campo magnético y, debido a que esta corriente está disminuyendo desde su valor original (I), se genera un voltaje con magnitud, Ldi / dt (polaridad opuesta a la anterior).

7. Este régimen continúa hasta que el campo magnético se haya disipado por completo, tras haber transferido su energía de vuelta al condensador, aunque con polaridad opuesta, y toda la operación comienza nuevamente, pero esta vez el condensador fuerza la corriente alrededor del circuito en la dirección opuesta a la anterior.

8. Lo anterior representa el semiciclo positivo de la forma de onda actual y el paso 7 es el comienzo del semiciclo negativo. Una forma de onda completa de descarga-carga es un ciclo de una onda sinusoidal. Si los componentes L y C son perfectos o 'ideales', no hay pérdida de energía y los sinusoides de voltaje y corriente continúan hasta el infinito.

Así que creo que está claro que el campo magnético tiene la capacidad de almacenar energía. Sin embargo, no es tan capaz de desmoronarse a largo plazo como un condensador, ya que las oportunidades y los mecanismos de fuga de energía son múltiples. Es interesante notar que la memoria temprana de la computadora estaba hecha de inductores enrollados alrededor de núcleos toroidales de ferrita (¡un toroide por bit!), Pero estos necesitaban una actualización electrónica con frecuencia para retener los datos almacenados.

Puede ser que podamos visualizarlo de esta manera. Los inductores se hacen haciendo que el conductor gire sobre un núcleo magnético o simplemente aire. A diferencia de un condensador, en el que una sustancia dieléctrica se intercala entre placas conductoras. cada átomo actúa como un circuito de transporte de corriente. Es así porque, el electrón gira en un camino circular. Esto da lugar a dipolos magnéticos (átomos) dentro de sustancias. Inicialmente, todos los dipolos magnéticos se dirigen aleatoriamente dentro de una sustancia, lo que hace que la dirección resultante de las líneas del campo magnético sea nula. Flujos de corriente debido al flujo de electrones. En un circuito que consiste en un inductor, hay una dirección específica del flujo de corriente (o flujo de electrones) a través del inductor. como tal, esta corriente intenta alinear los dipolos magnéticos en una dirección específica.

La renuencia de los dipolos magnéticos a alinearse en una dirección específica es responsable de la oposición de la corriente. la oposición se puede llamar como back emf.

Esta oposición ofrecida es diferente para diferentes materiales. por lo tanto, tenemos diferentes valores de reticencia. Se dice que el inductor está saturado cuando todos los dipolos magnéticos están alineados en la dirección específica dada por la Regla del pulgar de la mano derecha de Fleming. La dirección de la oposición viene dada por la Ley de Lenz (la dirección de la fem posterior).

Estos dipolos magnéticos solo son responsables del almacenamiento de energía magnética. Suponga que este inductor está conectado a un circuito cerrado sin suministro de corriente. ahora los dipolos magnéticos alineados intentan mantener su posición inicial, debido a la ausencia de corriente. Esto da como resultado el flujo de corriente. Se puede decir que la energía almacenada en el inductor se debe a la alineación temporal de estos dipolos. pero pocos dipolos magnéticos no pueden alcanzar su configuración inicial. por lo tanto, decimos que el inductor puro no está presente prácticamente.

Los científicos saben que los campos eléctricos y los campos magnéticos están relacionados entre sí . Esto fue confirmado por primera vez por Oersted por su experimento con una brújula magnética. incluso los científicos creen que el comportamiento magnético también es exhibido por electrones individuales, debido a su giro sobre su propio eje.

No hablemos de campos en absoluto. Hablemos primero sobre qué voltaje es. A los electrones realmente no les gusta estar cerca el uno del otro. La fuerza eléctrica es INCREÍBLEMENTE fuerte. Déjame darte un ejemplo de esto. Si 1 Amperio de corriente pasó a través de un cable, esto significaría que 1 Coloumb de carga eléctrica pasó a través de ese cable en 1 segundo. Supongamos que fue capaz de almacenar todos estos electrones que pasaron en un segundo en una esfera metálica aislada eléctricamente. Luego esperó otro segundo y almacenó la misma cantidad de electrones en otra esfera metálica aislada. Ahora tienes un Coulomb de electrones en una esfera y un Coulomb de electrones en la otra esfera. Como saben, los cargos similares se repelerán entre sí. Si sostuve estas dos esferas a 1 metro de distancia, ¿cuánta fuerza crees que una aplicaría sobre la otra debido a la repulsión de Coulomb? La respuesta está en la constante de Coulomb, que es 9 x 10 ^ 9 N / (m ^ 2C ^ 2). Como estamos separados 1m y tenemos 1 Coulomb, la fuerza es 9 x 10 ^ 9 Newtons. Esto significa que soportará 9 x 10 ^ 8 kg en la gravedad de la Tierra. Cuál es el peso de un edificio muy grande. Esto ilustra que a los electrones en exceso no les gusta estar cerca el uno del otro. El voltaje es la energía que tiene un electrón en exceso cuando se agrega a un objeto. Y no necesita muchos electrones para aumentar el voltaje de manera sustancial. Esto significa que los objetos, incluidos los cables de metal, tienen una capacidad muy baja para el exceso de electrones. ¿Qué es entonces un condensador? Un condensador tiene una alta capacidad para los electrones, de modo que cuando una batería agrega electrones a un pedazo de cable que tiene un condensador en el extremo, el voltaje no aumenta tanto por cada electrón. Esto NO se debe al hecho de que un condensador tiene una placa (no importa cuán grande sea): una sola placa tiene una capacidad muy BAJA para electrones adicionales. La sectret a un condensador es la placa OPUESTA que está muy cerca de él. Lo que sucede es que cualquier exceso de electrones en la placa es atraído hacia la placa opuesta de la cual la batería ha eliminado los electrones. Esto significa que la energía total por exceso de electrones se reduce y puede incluir más electrones por unidad de aumento de voltaje. Por lo tanto, los captores no pueden tener un espacio de aire entre ellos porque las fuerzas son muy grandes. Necesitan tener un sólido entre ellos para evitar que las placas colapsen entre sí. Ahora llegamos al inductor. Esto es una locura. No hay tal cosa como un campo magnético. Es solo una atracción de Coulomb. Pero esta atracción de Coulomb solo ocurre cuando lo correcto fluye en este caso. ¿Cómo puede pasar esto? Bueno, recuerda que la fuerza de Coulomb es INCREÍBLEMENTE fuerte, por lo que sus efectos se pueden ver a partir de cambios bastante SUTES en la densidad de electrones que no podemos ver. Y ahora para el quid. Los cambios sutiles se deben, de hecho, a la relatividad de Einstien. Los electrones tienen una separación promedio en un cable y esta separación promedio es la misma que la separación promedio de las cargas positivas. Cuando fluye una corriente, puede pensar que el espaciado promedio se mantiene igual, pero ahora debe tener en cuenta la CONTRACCIÓN DE LONGITUD. Para un observador externo, cualquier objeto en movimiento parecerá más corto y esto es lo que sucede con (el espacio entre) los electrones. Con una bobina de alambre, en los lados opuestos del círculo, los electrones fluyen en la dirección opuesta. Un lado considera que el otro tiene una MAYOR densidad de electrones que las cargas positivas debido a la relatividad. Esto crea una REPULSIÓN entre los electrones en los cables que tienen direcciones de corriente opuestas y AUMENTA su energía (es decir, voltaje). Por lo tanto, el voltaje aumenta mucho más rápido que para un cable ordinario. Por lo tanto, la gente piensa en los inductores como un flujo de corriente OPUESTO. Pero lo que realmente sucede es que el voltaje aumentó muy rápidamente y más aún si fluye una corriente mayor. Es posible que haya notado que TODOS los libros de texto tratan el magnetismo de manera matemática y nunca señalan realmente la partícula responsable. Bueno, es el electrón y la fuerza se debe a la relatividad y la fuerza es definitivamente Coulombic. Esto es cierto incluso en materiales permanentemente magnetizados (pero esa es otra discusión). Olvídate de los campos, son una construcción matemática para las personas que no quieren entender el mundo.

Todas estas respuestas son maravillosas, pero para responder a la pregunta sobre la fem anterior, los puntos clave a tener en cuenta:

1. Un campo B cambiante induce un campo E.

2. E está relacionado con ε (emf) a través de: ε = W / q -> W = ∮F⋅ds -> W / q = -∮ (F / q) ⋅ds -> E = F / q -> W / q = -∮E⋅ds (donde s es una distancia infinitesimal en la dirección del movimiento)

Entonces, cuando hay un campo magnético cambiante, hay un campo E inducido y, por lo tanto, habrá un voltaje inducido (fem).

3. ε = -∮ (E_ind) ⋅ds = -∂ (Φ_B) / ∂t = - (d / dt) (∫Β⋅dA) Recuerde, es el campo B cambiando aquí, entonces: = - (∂Β / ∂t )UN

La razón por la que se opone a la fuente de voltaje constante (por ejemplo, una batería) es simplemente porque F (proporcional a E) apunta perpendicularmente a B e I:

4. F = Ids × B. (Corriente por ds, un trozo de cable infinitesimal en la dirección de I - la corriente solo puede fluir a través del cable)

(Dirección dada por la regla de la mano derecha)

Esta fuerza agrega un componente de velocidad a las cargas en la corriente en la dirección de F. A su vez, este nuevo componente de velocidad ahora crea un componente de fuerza mutuamente ortogonal al nuevo componente y campo B, que está en la dirección opuesta al flujo original de corriente u opuesta al voltaje original suministrado, y por eso se le llama "fem de retorno".

Es esta fem de regreso la que ralentiza la carga (no las bloquea).