Làm thế nào để một cuộn cảm lưu trữ năng lượng?

Tôi biết rằng các tụ điện lưu trữ năng lượng bằng cách tích lũy điện tích tại các tấm của chúng, tương tự như mọi người nói rằng một cuộn cảm lưu trữ năng lượng trong từ trường của nó. Tôi không thể hiểu câu nói này. Tôi không thể hiểu làm thế nào một cuộn cảm lưu trữ năng lượng trong từ trường của nó, đó là tôi không thể hình dung được nó.
Thông thường, khi các electron di chuyển qua một cuộn cảm, điều gì xảy ra với các electron và làm thế nào để chúng bị chặn bởi từ trường? Ai đó có thể giải thích điều này cho tôi về khái niệm?

Và cũng xin giải thích những điều sau:

1. Nếu các electron chảy qua dây, làm thế nào chúng được chuyển đổi thành năng lượng trong từ trường?

2. Làm thế nào để back-EMF được tạo ra?

Đây là một câu hỏi sâu sắc hơn nó nghe. Ngay cả các nhà vật lý cũng không đồng ý với ý nghĩa chính xác của việc lưu trữ năng lượng trong một lĩnh vực, hoặc thậm chí liệu đó có phải là một mô tả hay về những gì xảy ra hay không. Điều đó không giúp ích gì cho từ trường là một hiệu ứng tương đối tính, và do đó vốn đã kỳ lạ.

Tôi không phải là nhà vật lý trạng thái rắn, nhưng tôi sẽ cố gắng trả lời câu hỏi của bạn về điện tử. Hãy nhìn vào mạch này:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Để bắt đầu, không có điện áp trên hoặc dòng điện qua cuộn cảm. Khi công tắc đóng, dòng điện bắt đầu chảy. Khi dòng điện chạy qua, nó tạo ra một từ trường. Điều đó lấy năng lượng, mà đến từ các điện tử. Có hai cách để xem xét điều này:

1. Lý thuyết mạch: Trong một cuộn cảm, một dòng điện thay đổi tạo ra một điện áp trên cuộn cảm . Điện áp lần hiện tại là điện. Do đó, thay đổi một dòng điện dẫn cần năng lượng.$(V = L\frac{di}{dt})$

2. Vật lý: Một từ trường thay đổi tạo ra một điện trường. Điện trường này đẩy lùi các electron, hấp thụ năng lượng trong quá trình. Do đó, các electron gia tốc cần năng lượng, hơn và hơn những gì bạn mong đợi từ khối lượng quán tính của electron.

Cuối cùng, dòng điện đạt 1 amp và vẫn ở đó do điện trở. Với dòng điện không đổi, không có điện áp trên cuộn cảm . Với từ trường không đổi, không có điện trường cảm ứng.$(V = L\frac{di}{dt} = 0)$

Bây giờ, nếu chúng ta giảm nguồn điện áp xuống 0 volt thì sao? Các electron mất năng lượng trong điện trở và bắt đầu chậm lại. Khi họ làm như vậy, từ trường bắt đầu sụp đổ. Điều này một lần nữa tạo ra một điện trường trong cuộn cảm, nhưng lần này nó đẩy các electron để giữ cho chúng tiếp tục, cung cấp cho chúng năng lượng. Dòng điện cuối cùng dừng lại khi từ trường biến mất.

Điều gì xảy ra nếu chúng ta thử mở công tắc trong khi dòng điện đang chảy? Tất cả các điện tử cố gắng dừng lại ngay lập tức. Điều này làm cho từ trường sụp đổ tất cả cùng một lúc, tạo ra một điện trường lớn. Trường này thường đủ lớn để đẩy các electron ra khỏi kim loại và qua khe hở không khí trong công tắc, tạo ra tia lửa. (Năng lượng là hữu hạn nhưng sức mạnh rất cao.)

EMF phía sau là điện áp được tạo ra bởi điện trường cảm ứng khi từ trường thay đổi.

Bạn có thể tự hỏi tại sao những thứ này không xảy ra trong một điện trở hoặc dây. Câu trả lời là có - bất kỳ dòng chảy nào sẽ tạo ra từ trường. Tuy nhiên, độ tự cảm của các thành phần này là nhỏ - một ước tính phổ biến là 20 nH / inch cho dấu vết trên PCB, ví dụ. Điều này không trở thành một vấn đề lớn cho đến khi bạn đi vào phạm vi megahertz, tại thời điểm đó bạn bắt đầu phải sử dụng các kỹ thuật thiết kế đặc biệt để giảm thiểu độ tự cảm.

Đây là cách của tôi để hình dung khái niệm của cuộn cảm và tụ điện. Cách là để hình dung năng lượng tiềm năng và động năng, và hiểu sự tương tác giữa hai dạng năng lượng này.

1. Tụ điện tương tự như một lò xo, và
2. Cuộn cảm tương tự như một bánh xe nước.

Bây giờ xem các so sánh. Năng lượng mùa xuân là , trong khi năng lượng tụ điện là$\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}$

Tóm lại, cuộn cảm đóng vai trò quán tính phản ứng với sự thay đổi vận tốc của electron và tụ điện đóng vai trò là lò xo phản ứng với lực tác dụng.
Sử dụng các phép tương tự ở trên, bạn có thể dễ dàng tìm thấy lý do tại sao mối quan hệ pha giữa điện áp và dòng điện là khác nhau đối với cuộn cảm và tụ điện. Sự tương tự này cũng giúp hiểu cơ chế trao đổi năng lượng giữa tụ điện và cuộn cảm như trong bộ tạo dao động LC.

Để suy nghĩ thêm, hãy hỏi những câu hỏi sau đây. Làm thế nào động năng trong một hệ thống cơ khí được lưu trữ? Khi chúng ta đang chạy, động năng được lưu trữ ở đâu và như thế nào? Khi chúng ta đang chạy, chúng ta có tạo ra một trường tương tác trên cơ thể đang chuyển động của chúng ta không?

Một cách để khái niệm hóa nó là tưởng tượng nó giống với quán tính của dòng điện thông qua cuộn cảm. Một cách tốt để minh họa nó là với ý tưởng về máy bơm ram thủy lực :

Trong một máy bơm ram thủy lực, nước chảy qua một đường ống lớn, vào một van hoạt động nhanh. Khi van đóng lại, quán tính của khối nước chảy mạnh gây ra sự gia tăng lớn đột ngột của áp lực nước tại van. Áp suất này sau đó buộc nước lên trên thông qua van một chiều. Khi năng lượng từ ram nước tiêu tan, van tác dụng nhanh chính mở ra và nước tích tụ một số động lượng trong đường ống chính, và chu kỳ lặp lại một lần nữa. Xem trang wiki để minh họa.

Đây chính xác là cách bộ chuyển đổi boost hoạt động, chỉ với điện thay vì nước. Nước chảy qua đường ống tương đương với một cuộn cảm. Giống như nước trong đường ống chống lại sự thay đổi của dòng chảy, cuộn cảm chống lại sự thay đổi trong dòng điện.

Một tụ điện có thể lưu trữ năng lượng: -

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

Đối với một cuộn cảm, đây là: -

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

Đặc biệt, tôi luôn gặp khó khăn khi hình dung điện tích và điện áp nhưng tôi không bao giờ gặp khó khăn khi hình dung dòng điện (trừ khi nhận ra rằng dòng điện là dòng điện tích). Tôi chấp nhận rằng điện áp là như vậy và chỉ sống với điều đó. Có lẽ tôi nghĩ quá khó. Có lẽ bạn cũng vậy?

Cuối cùng tôi quay trở lại vấn đề cơ bản và điều này đối với tôi, là theo như tôi muốn quay trở lại bởi vì tôi không phải là nhà vật lý. Khái niệm cơ bản: -

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

Điều này cho tôi biết là với một tốc độ thay đổi điện áp nhất định trên một tụ điện, có một dòng điện HOẶC, nếu bạn buộc một dòng điện qua một tụ điện sẽ có một điện áp tăng áp.

Có một công thức tương tự cho một cuộn cảm về cơ bản cho bạn biết rằng với một điện áp nhất định được đặt trên các cực, dòng điện sẽ tăng lên theo tỷ lệ: -

$L\dfrac{di}{dt}$

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

Hai công thức này giải thích cho tôi những gì đang diễn ra.

Hình ảnh một mạch nối tiếp bao gồm một tụ điện lý tưởng, C, một cuộn cảm lý tưởng, L và một công tắc. Cuộn cảm có lõi từ mềm, sao cho cường độ từ trường của nó tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua nó. Các tụ điện là hoàn hảo và do đó không có tổn thất.

Ban đầu, giả sử công tắc mở và tất cả các điều kiện ban đầu bằng không. Đó là, không có điện tích trên tụ điện, dòng điện bằng 0 thông qua cuộn cảm và do đó từ trường trong lõi bằng không. Chúng tôi cung cấp cho tụ điện một điện tích ban đầu đến V volt bằng cách sử dụng pin.

Công tắc hiện đang đóng, tại t = 0 và L và C tạo thành một chuỗi nối tiếp đơn giản. Tại tất cả các giá trị thời gian sau khi đóng công tắc, điện áp tụ phải bằng điện áp cuộn cảm (định luật điện áp của Kirchoff). Vậy chuyện gì xảy ra ????

1. Tại t = o, điện áp trên C là V, do đó điện áp trên L cũng phải là V. Do đó tốc độ thay đổi của dòng điện, di / dt, từ C đến L, phải sao cho Ldi / dt = V. Do đó , tốc độ thay đổi của dòng điện là khá lớn, nhưng bản thân dòng điện, tại thời điểm t = 0 là i = 0 và di / dt = V / L

2. Khi thời gian tiến triển, điện áp trên C giảm (khi điện tích chảy ra) và tốc độ thay đổi dòng điện cần thiết để duy trì điện áp cuộn cảm ở cùng mức khi điện áp tụ giảm. Hiện tại vẫn đang tăng, nhưng độ dốc của nó đang giảm.

3. Khi phát sinh dòng điện, cường độ của từ trường trong lõi cuộn cảm tăng (cường độ trường tỷ lệ với dòng điện).

4. Tại điểm mà tụ điện đã mất hết điện tích, điện áp của tụ điện bằng không, dòng điện ở giá trị cực đại (nó đang tăng kể từ t = 0), nhưng tốc độ thay đổi, di / dt, bây giờ bằng không cuộn cảm không cần tạo ra điện áp để cân bằng điện áp tụ. Cũng tại thời điểm này, từ trường ở cường độ cực đại (thực ra, năng lượng được lưu trữ là LI ^ 2/2, trong đó I là dòng điện cực đại và điều này tương đương với năng lượng ban đầu trong C = CV ^ 2/2

5. Bây giờ không còn năng lượng trong tụ điện, vì vậy nó không thể cung cấp bất kỳ dòng điện nào để duy trì từ trường của cuộn cảm. Từ trường bắt đầu sụp đổ, nhưng khi làm như vậy nó tạo ra một dòng điện có xu hướng chống lại từ trường sụp đổ (định luật Lenz). Dòng điện này cùng hướng với dòng điện ban đầu chạy trong mạch nhưng hiện tại nó hoạt động để sạc tụ điện theo hướng ngược lại (nghĩa là trong khi tấm trên cùng có thể ban đầu là dương, bây giờ tấm dưới cùng đang tích điện dương).

6. Các cuộn cảm bây giờ là ở ghế lái xe. Nó tạo ra một dòng điện, i, để đáp ứng với từ trường sụp đổ và, bởi vì dòng điện này đang giảm từ giá trị ban đầu của nó (I), một điện áp được tạo ra với cường độ, Ldi / dt (ngược cực so với trước).

7. Chế độ này tiếp tục cho đến khi từ trường hoàn toàn tiêu tan, đã chuyển năng lượng của nó trở lại tụ điện, mặc dù có cực ngược lại, và toàn bộ hoạt động bắt đầu lại nhưng lần này, tụ điện tác dụng dòng điện xung quanh mạch ngược chiều với trước đó.

8. Ở trên biểu thị nửa chu kỳ dương của dạng sóng hiện tại và bước 7 là sự khởi đầu của nửa chu kỳ âm. Một dạng sóng phóng điện hoàn toàn là một chu kỳ của sóng hình sin. Nếu các thành phần L và C là hoàn hảo hoặc 'lý tưởng' thì không có sự mất năng lượng và điện áp và các sin sin hiện tại tiếp tục vô cùng.

Vì vậy, tôi nghĩ rằng rõ ràng từ trường có khả năng lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, nó không có khả năng lưu trữ lâu dài như một tụ điện, vì các cơ hội và cơ chế rò rỉ năng lượng rất đa dạng. Điều thú vị cần lưu ý là bộ nhớ máy tính ban đầu được tạo ra từ các cuộn cảm xung quanh lõi hình xuyến ferrite (một hình xuyến trên mỗi bit !!), nhưng những thứ này cần được làm mới điện tử thường xuyên để giữ lại dữ liệu được lưu trữ.

Có thể chúng ta có thể hình dung nó theo cách này. Cuộn cảm được chế tạo bằng cách làm cho dây dẫn quay qua lõi từ hoặc chỉ không khí. Không giống như một tụ điện, trong đó một chất điện môi được kẹp giữa các tấm dây dẫn. mỗi nguyên tử hoạt động như một vòng lặp mang hiện tại. Nó là như vậy bởi vì, electron quay theo một đường tròn. Điều này làm phát sinh các lưỡng cực từ (nguyên tử) bên trong các chất. Ban đầu tất cả các lưỡng cực từ được định hướng ngẫu nhiên bên trong một chất, làm cho hướng kết quả của các đường sức từ là không có giá trị. Dòng điện do dòng điện tử. Trong một mạch bao gồm một cuộn cảm, có một hướng cụ thể của dòng điện (hoặc dòng điện tử) thông qua cuộn cảm. như vậy, dòng điện này cố gắng sắp xếp các lưỡng cực từ theo một hướng cụ thể.

Sự miễn cưỡng của các lưỡng cực từ để được liên kết theo một hướng cụ thể, chịu trách nhiệm cho sự đối lập của hiện tại. sự đối lập có thể được gọi là trở lại emf.

Sự đối lập này được cung cấp là khác nhau cho các tài liệu khác nhau. do đó, chúng ta có các giá trị miễn cưỡng khác nhau. cuộn cảm được cho là bão hòa khi tất cả các lưỡng cực từ được căn chỉnh theo hướng cụ thể được đưa ra bởi Quy tắc ngón tay phải của Fleming. hướng đối lập được đưa ra bởi Luật của Lenz (hướng trở lại emf).

Những lưỡng cực từ này chỉ chịu trách nhiệm cho việc lưu trữ năng lượng từ tính. Giả sử cuộn cảm này được kết nối với một mạch kín mà không có nguồn cung cấp hiện tại. bây giờ các lưỡng cực từ được căn chỉnh cố gắng giữ vị trí ban đầu của chúng, vì không có dòng điện. Điều này dẫn đến dòng chảy của hiện tại. có thể nói rằng, năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm là do sự liên kết tạm thời của các lưỡng cực này. nhưng một số lưỡng cực từ không thể đạt được cấu hình ban đầu của chúng. do đó, chúng tôi nói rằng cuộn cảm tinh khiết không có mặt thực tế.

Các nhà khoa học biết rằng điện trường và từ trường có liên quan đến nhau . Điều này lần đầu tiên được xác nhận bởi Oersted bằng thí nghiệm của ông với một la bàn từ tính. thậm chí các nhà khoa học tin rằng hành vi từ tính cũng được thể hiện bởi các điện tử riêng lẻ, do sự quay tròn về trục của chính chúng.

Chúng ta đừng nói về các lĩnh vực nào cả. Trước tiên hãy nói về điện áp là gì. Các electron thực sự không thích ở gần nhau. Các lực điện là mạnh mẽ TUYỆT VỜI. Hãy để tôi cho bạn một ví dụ về điều này. Nếu 1 Ampe dòng điện đi qua một dây thì điều này có nghĩa là 1 Coloumb của điện tích đã đi qua dây đó trong 1 giây. Chúng ta hãy giả sử rằng bạn có thể lưu trữ tất cả các electron này trôi qua trong một giây trên một quả cầu kim loại bị cô lập bằng điện. Sau đó, bạn đợi một giây nữa và lưu trữ cùng một lượng điện tử trên một quả cầu kim loại bị cô lập khác. Bây giờ bạn có một Coulomb của các electron trên một hình cầu và một Coulomb của các điện tử trên hình cầu khác. Như bạn đã biết, như phí sẽ đẩy nhau. Nếu tôi giữ hai quả cầu này cách nhau 1 mét thì bạn nghĩ lực này sẽ tác dụng lên quả kia bao nhiêu do lực đẩy Coulomb? Câu trả lời là trong hằng số của Coulomb, là 9 x 10 ^ 9 N / (m ^ 2C ^ 2). Vì chúng ta cách nhau 1m và vì chúng ta có 1 Coulomb nên lực là 9 x 10 ^ 9 Newton. Điều này có nghĩa là nó sẽ hỗ trợ 9 x 10 ^ 8 kg trọng lực của Trái đất. Đó là trọng lượng của một tòa nhà rất lớn. Điều này minh họa rằng các electron thừa không thích ở gần nhau chút nào. Điện áp là enery mà một electron thừa có khi nó được thêm vào một đối tượng. Bạn không cần nhiều electron để tăng điện áp một cách đáng kể. Điều này có nghĩa là các vật thể, bao gồm cả dây kim loại, có công suất rất thấp đối với các điện tử dư thừa. Thế thì tụ điện là gì? Một tụ điện có công suất cao cho các điện tử để khi pin thêm electron vào một đoạn dây có tụ điện ở cuối, điện áp không tăng nhiều như vậy trên mỗi điện tử. Điều này KHÔNG phải do thực tế là một tụ điện có một tấm (cho dù nó lớn đến đâu): một tấm duy nhất có công suất rất THẤP cho các điện tử phụ. Các giáo phái cho một tụ điện là tấm OPPOSING rất gần với nó. Điều gì xảy ra là bất kỳ điện tử dư thừa nào trên tấm đều bị hút vào tấm đối diện mà từ đó các electron đã bị loại bỏ bởi pin. Điều này có nghĩa là năng lượng tổng thể trên mỗi electron thừa bị giảm và bạn có thể phù hợp với nhiều electron hơn trên mỗi đơn vị tăng điện áp. Do đó, các capcitor không thể có một khoảng cách không khí giữa chúng vì các lực rất lớn. Họ cần phải có một vật rắn giữa chúng để ngăn các tấm sụp đổ vào nhau. Bây giờ chúng ta đến với cuộn cảm. Đây là một điều điên rồ. Không có thứ gọi là từ trường. Nó chỉ là một điểm thu hút Coulomb. Nhưng sự thu hút Coulomb này chỉ xảy ra khi dòng chảy trong trường hợp này. Làm thế nào điều này có thể xảy ra? Hãy nhớ rằng lực Coulomb rất mạnh nên có thể thấy được các hiệu ứng của nó từ các thay đổi khá SUBTLE trong mật độ điện tử mà chúng ta không thể thấy. Và bây giờ cho mấu chốt. Trên thực tế, những thay đổi tinh tế là do tính tương đối của Einstien. Các electron có khoảng cách trung bình trong một dây và khoảng cách trung bình này giống như khoảng cách trung bình của các điện tích dương. Khi một dòng chảy bạn có thể nghĩ rằng khoảng cách trung bình vẫn giữ nguyên nhưng bây giờ bạn phải tính đến HỢP ĐỒNG LENGHT. Đối với người quan sát ouside, mọi vật thể chuyển động sẽ xuất hiện ngắn hơn và đây là điều xảy ra với (khoảng trống giữa) các electron. Với một cuộn dây, ở phía đối diện của vòng tròn, các electron đang chảy theo hướng ngược lại. Một bên thấy bên kia có mật độ electron TUYỆT VỜI hơn các điện tích dương do tính tương đối. Điều này tạo ra sự TUYỆT VỜI giữa các electron trong các dây dẫn có hướng ngược chiều và TĂNG TỐC năng lượng của chúng (tức là điện áp). Do đó, điện áp tăng nhanh hơn nhiều so với một dây thông thường. Do đó, mọi người nghĩ về cuộn cảm như dòng chảy OPPOSING. Nhưng những gì nó thực sự xảy ra là điện áp tăng rất nhanh và nhiều hơn nếu dòng điện lớn hơn. Bạn có thể nhận thấy rằng TẤT CẢ các sách giáo khoa xử lý từ tính theo cách toán học và không bao giờ thực sự chỉ ra hạt thực sự chịu trách nhiệm. Vâng, electron và lực là do tính tương đối và lực này chắc chắn là Coulombic. Điều này đúng ngay cả trong các vật liệu từ hóa vĩnh viễn (nhưng đó là một cuộc thảo luận khác). Quên các lĩnh vực, chúng là một cấu trúc toán học cho những người không muốn hiểu thế giới.

Tất cả những câu trả lời này đều tuyệt vời, nhưng để trả lời câu hỏi về emf trở lại, những điểm quan trọng cần ghi nhớ:

1. Trường B thay đổi tạo ra trường E.

2. E có liên quan đến (emf) thông qua: = W / q -> W = F⋅ds -> W / q = -∮ (F / q) ds -> E = F / q -> W / q = -∮E⋅ds (trong đó s là khoảng cách vô hạn theo hướng chuyển động)

Vì vậy, khi có một từ trường thay đổi, sẽ có một trường E cảm ứng, và do đó sẽ có một điện áp cảm ứng (emf).

3. = -∮ (E_ind) ds = -∂ (Φ_B) / t = - (d / dt) (dA) Hãy nhớ rằng, đó là trường B thay đổi ở đây, vì vậy: = - (∂Β / t ) A

Lý do cho nó đối nghịch với nguồn điện áp không đổi (ví dụ: pin) đơn giản là vì điểm F (tỷ lệ với E) vuông góc với B và I:

4. F = Ids × B. (Thời gian hiện tại của DS, một đoạn dây vô hạn theo hướng I - dòng điện chỉ có thể chảy qua dây)

(Hướng được đưa ra bởi quy tắc bàn tay phải)

Lực này thêm một thành phần vận tốc vào các điện tích trong dòng điện theo hướng F. Lần lượt, thành phần vận tốc mới này tạo ra một thành phần lực trực giao lẫn nhau với thành phần mới và trường B, theo hướng đối nghịch với dòng chảy ban đầu của hiện tại, hoặc đối nghịch với điện áp được cung cấp ban đầu, và do đó tại sao nó được gọi là điện trở lại.

Đó là emf trở lại làm chậm phí (nó không chặn chúng).