Comment un inducteur stocke-t-il de l'énergie?

Je sais que les condensateurs stockent de l'énergie en accumulant des charges dans leurs plaques, de même les gens disent qu'un inducteur stocke de l'énergie dans son champ magnétique. Je ne peux pas comprendre cette déclaration. Je ne peux pas comprendre comment un inducteur stocke de l'énergie dans son champ magnétique, c'est-à-dire que je ne peux pas le visualiser.
En général, lorsque les électrons traversent une inductance, qu'arrive-t-il aux électrons et comment sont-ils bloqués par le champ magnétique? Quelqu'un peut-il m'expliquer cela conceptuellement?

Et veuillez également les expliquer:

1. Si des électrons traversent le fil, comment sont-ils convertis en énergie dans le champ magnétique?

2. Comment le back-EMF est-il généré?

C'est une question plus profonde qu'il n'y paraît. Même les physiciens ne sont pas d'accord sur la signification exacte du stockage d'énergie dans un champ, ou même si c'est une bonne description de ce qui se passe. Cela n'aide pas que les champs magnétiques soient un effet relativiste, et donc intrinsèquement bizarre.

Je ne suis pas physicien de l'état solide, mais je vais essayer de répondre à votre question sur les électrons. Regardons ce circuit:

^{simuler ce circuit - Schéma créé en utilisant CircuitLab}

Pour commencer, il n'y a pas de tension aux bornes ou de courant à travers l'inductance. Lorsque l'interrupteur se ferme, le courant commence à circuler. À mesure que le courant circule, il crée un champ magnétique. Cela prend de l'énergie, qui vient des électrons. Il y a deux façons de regarder ceci:

1. Théorie des circuits: dans une inductance, un courant changeant crée une tension aux bornes de l'inductance . La tension multipliée par le courant est la puissance. Ainsi, la modification d'un courant d'inductance nécessite de l'énergie.$(V = L\frac{di}{dt})$

2. Physique: Un champ magnétique changeant crée un champ électrique. Ce champ électrique repousse les électrons, absorbant l'énergie dans le processus. Ainsi, l'accélération des électrons prend de l'énergie, au-delà de ce que vous attendez de la seule masse inertielle de l'électron.

Finalement, le courant atteint 1 ampère et y reste à cause de la résistance. Avec un courant constant, il n'y a pas de tension aux bornes de l'inductance . Avec un champ magnétique constant, il n'y a pas de champ électrique induit.$(V = L\frac{di}{dt} = 0)$

Maintenant, que se passe-t-il si nous réduisons la source de tension à 0 volt? Les électrons perdent de l'énergie dans la résistance et commencent à ralentir. Ce faisant, le champ magnétique commence à s'effondrer. Cela crée à nouveau un champ électrique dans l'inductance, mais cette fois, il pousse sur les électrons pour les faire continuer, leur donnant de l'énergie. Le courant s'arrête enfin une fois le champ magnétique disparu.

Et si nous essayons d'ouvrir l'interrupteur pendant que le courant circule? Les électrons essaient tous de s'arrêter instantanément. Cela provoque l'effondrement du champ magnétique à la fois, ce qui crée un champ électrique massif. Ce champ est souvent assez grand pour pousser les électrons hors du métal et à travers l'entrefer dans l'interrupteur, créant une étincelle. (L'énergie est finie mais la puissance est très élevée.)

Le back-EMF est la tension créée par le champ électrique induit lorsque le champ magnétique change.

Vous vous demandez peut-être pourquoi ces choses ne se produisent pas dans une résistance ou un fil. La réponse est que oui - tout flux de courant va produire un champ magnétique. Cependant, l'inductance de ces composants est faible - une estimation courante est de 20 nH / pouce pour les traces sur un PCB, par exemple. Cela ne devient pas un problème énorme jusqu'à ce que vous entriez dans la gamme mégahertz, à quel point vous commencez à devoir utiliser des techniques de conception spéciales pour minimiser l'inductance.

C'est ma façon de visualiser le concept d'inductance et de condensateur. Le moyen est de visualiser l'énergie potentielle et l'énergie cinétique, et de comprendre l'interaction entre ces deux formes d'énergie.

1. Le condensateur est analogue à un ressort, et
2. L'inducteur est analogue à une roue hydraulique.

$\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 résumé, l'inducteur agit comme une inertie qui réagit contre le changement de vitesse des électrons, et le condensateur agit comme un ressort qui réagit contre la force appliquée.
En utilisant les analogies ci-dessus, vous pouvez facilement trouver pourquoi les relations de phase entre la tension et le courant sont différentes pour les inductances et les condensateurs. Cette analogie permet également de comprendre le mécanisme d'échange d'énergie entre un condensateur et une inductance comme dans un oscillateur LC.

Pour approfondir votre réflexion, posez les questions suivantes. Comment l'énergie cinétique d'un système mécanique est-elle stockée? Lorsque nous courons, où et comment l'énergie cinétique est-elle stockée? Lorsque nous courons, créons-nous un champ qui interagit avec notre corps en mouvement?

Une façon de le conceptualiser est de l'imaginer similaire à l'inertie du courant à travers l'inductance. Un bon moyen de l'illustrer est avec l'idée d'une pompe à vérin hydraulique :

Dans une pompe à vérin hydraulique, l'eau s'écoule à travers un grand tuyau, dans une vanne à action rapide. Lorsque la vanne se ferme, l'inertie de la masse d'eau qui coule lourde provoque une augmentation soudaine et énorme de la pression d'eau à la vanne. Cette pression force ensuite l'eau vers le haut à travers une vanne unidirectionnelle. Au fur et à mesure que l'énergie du vérin à eau se dissipe, la vanne principale à action rapide s'ouvre et l'eau s'accumule dans le tuyau principal et le cycle se répète. Voir la page wiki pour une illustration.

C'est exactement ainsi que fonctionnent les convertisseurs de suralimentation , uniquement avec de l'électricité au lieu de l'eau. L'eau qui coule à travers le tuyau équivaut à une inductance. Tout comme l'eau dans le tuyau résiste aux changements de débit, l'inductance résiste aux changements de courant.

Un condensateur peut stocker de l'énergie: -

Énergie = $\dfrac{C\cdot V^2}{2}$ où V est la tension appliquée et C est la capacité.

Pour un inducteur c'est: -

Énergie = $\dfrac{L\cdot I^2}{2}$ où L est l'inductance et I est le courant circulant.

Moi en particulier, j'ai toujours du mal à visualiser la charge et la tension mais je n'ai jamais du mal à visualiser le courant (sauf quand il s'agit de réaliser que le courant est flux de charge). J'accepte que la tension est ce qu'elle est et je vis avec ça. Peut-être que je réfléchis trop. Peut-être que vous aussi?

Je finis par revenir à l'essentiel et pour moi, c'est autant que je veux y retourner car je ne suis pas physicien. Bases: -

Q = CV ou $\dfrac{dQ}{dt} = C\cdot\dfrac{dV}{dt}$ = courant, je

Ce que cela me dit, c'est que pour un taux donné de changement de tension aux bornes d'un condensateur, il y a un courant OU, si vous forcez un courant à travers un condensateur, il y aura une tension de rampe.

Il existe une formule similaire pour une inductance qui vous indique essentiellement que pour une tension donnée placée aux bornes, le courant augmente proportionnellement: -

V = $L\dfrac{di}{dt}$ lorsque V est appliqué aux bornes et

V = $-L\dfrac{di}{dt}$ lors du calcul de la FEM arrière due à l'effondrement du flux externe ou au changement d'un autre bobinage.

Ces deux formules m'expliquent ce qui se passe.

Picture a series circuit comprising an ideal capacitor, C, an ideal inductor, L, and a switch. The inductor has a soft magnetic core, such that the strength of its magnetic field is proportional to the current flowing through it. The capacitor dielectric is perfect and thus there are no losses.

Initially, let's assume the switch is open and all initial conditions are zero. That is, there is zero charge on the capacitor, zero current through the inductor and hence the magnetic field in the core is zero. We give the capacitor an initial charge to V volts using a battery.

The switch is now closed, at t=0, and L and C form a simple series circuit. At all values of time after switch closure, the capacitor voltage must equal the inductor voltage (Kirchoff's voltage law). So what happens????

1. At t=o, the voltage across C is V, so the voltage across L must also be V. Therefore the rate of change of current, di/dt, from C to L, must be such that Ldi/dt = V. Thus, the rate of change of current is quite large, but the current itself, at the instant t=0 is i=0, and di/dt = V/L

2. As time progresses, the voltage across C decreases (as the charge flows out) and the rate of change of current necessary to maintain the inductor voltage at the same level as the capacitor voltage decreases. The current is still increasing, but its gradient is decreasing.

3. As the current inceases, the strength of the magnetic field in the inductor core increase (field strength is proportional to current).

4. At the point where the capacitor has lost all its charge, the capacitor voltage is zero, the current is at its maximum value (it's been increasing since t=0), but the rate of change, di/dt, is now zero since the inductor does not need to generate a voltage to balance the capacitor voltage. Also at this point the magnetic field is at its maximum strength (actually, energy stored is LI^2/2, where I is the maximum current and this equates to the original energy in C = CV^2/2

5. Maintenant, il n'y a plus d'énergie dans le condensateur, il n'est donc pas en mesure de fournir de courant pour maintenir le champ magnétique de l'inductance. Le champ magnétique commence à s'effondrer, mais ce faisant, il crée un courant qui tend à s'opposer à l'effondrement du champ magnétique (loi de Lenz). Ce courant est dans la même direction que le courant d'origine circulant dans le circuit, mais il agit maintenant pour charger le condensateur dans la direction opposée (c'est-à-dire que tandis que la plaque supérieure peut avoir été initialement positive, maintenant la plaque inférieure est chargée positivement).

6. L'inducteur est maintenant dans le siège conducteur. Il génère un courant, i, en réponse à l'effondrement du champ magnétique et, comme ce courant diminue par rapport à sa valeur d'origine (I), une tension est générée avec une amplitude, Ldi / dt (polarité opposée à la précédente).

7. Ce régime se poursuit jusqu'à ce que le champ magnétique se soit complètement dissipé, ayant retransféré son énergie au condensateur, quoique avec une polarité opposée, et toute l'opération recommence, mais cette fois le condensateur force le courant autour du circuit dans le sens opposé au précédent.

8. Ce qui précède représente le demi-cycle positif de la forme d'onde actuelle et l'étape 7 est le début du demi-cycle négatif. Une forme d'onde de décharge-charge complète est un cycle d'une onde sinusoïdale. Si les composants L et C sont parfaits ou «idéaux», il n'y a pas de perte d'énergie et les sinusoïdes de tension et de courant continuent à l'infini.

Je pense donc qu'il est clair que le champ magnétique a la capacité de stocker de l'énergie. Cependant, il n'est pas aussi capable de stocker à long terme qu'un condensateur, car les opportunités et les mécanismes de fuite d'énergie sont multiples. Il est intéressant de noter que la première mémoire informatique était constituée d'inducteurs enroulés autour de noyaux toroïdaux en ferrite (un toroïde par bit !!), mais ceux-ci nécessitaient un rafraîchissement électronique fréquent pour conserver les données stockées.

Peut-être que nous pouvons le visualiser de cette façon. Les inducteurs sont fabriqués en faisant des tours de conducteur sur un noyau magnétique ou simplement de l'air. Contrairement à un condensateur, dans lequel une substance diélectrique est prise en sandwich entre les plaques conductrices. chaque atome agit comme une boucle de transport de courant. Il en est ainsi parce que les électrons tournent selon un chemin circulaire. Cela donne lieu à des dipôles magnétiques (atomes) à l'intérieur des substances. Initialement, tous les dipôles magnétiques sont dirigés de manière aléatoire à l'intérieur d'une substance, ce qui rend nulle la direction résultante des lignes de champ magnétique. Flux de courant dû au flux d'électrons. Dans un circuit composé d'une inductance, il existe une direction spécifique du flux de courant (ou flux d'électrons) à travers l'inductance. en tant que tel, ce courant essaie d'aligner les dipôles magnétiques dans une direction spécifique.

The reluctance of the magnetic dipoles to get aligned in a specific direction, is responsible for the opposition of current. the opposition can be called as back emf.

This opposition offered is different for different material. hence, we have different reluctance values. the inductor is said to be saturated when all the magnetic dipoles are aligned in the specific direction which is given by Fleming's Right Hand Thumb Rule. the direction of opposition is given by Lenz's Law (the direction of back emf).

Ces dipôles magnétiques ne sont responsables que du stockage de l'énergie magnétique. Supposons que cette inductance est connectée à un circuit fermé sans alimentation en courant. maintenant les dipôles magnétiques alignés essaient de conserver leur position initiale, à cause de l'absence de courant. Il en résulte un flux de courant. on peut dire que l'énergie stockée dans l'inductance est due à l'alignement temporaire de ces dipôles. but few magnetic dipoles can not attain their initial configuration. hence, we say pure inductor is not present practically.

Les scientifiques savent que les champs électriques et les champs magnétiques sont liés . Cela a été confirmé pour la première fois par Oersted par son expérience avec une boussole magnétique. même les scientifiques pensent que le comportement magnétique est également présenté par les électrons individuels, en raison de leur rotation autour de leur propre axe.

Ne parlons pas du tout de champs. Parlons d'abord de la tension. Les électrons n'aiment vraiment pas être proches les uns des autres. La force électrique est INCROYABLEMENT forte. Permettez-moi de vous en donner un exemple. Si 1 Ampère de courant traversait un fil, cela signifierait qu'un Coloumb de charge électrique a traversé ce fil en 1 seconde. Supposons que vous ayez pu stocker tous ces électrons qui sont passés en une seconde sur une sphère métallique isolée électriquement. Ensuite, vous avez attendu une autre seconde et stocké la même quantité d'électrons sur une autre sphère métallique isolée. Vous avez maintenant un Coulomb d'électrons sur une sphère et un Coulomb d'électrons sur l'autre sphère. Comme vous le savez, des charges similaires se repousseront. Si je tenais ces deux sphères à 1 mètre l'une de l'autre, combien de forces pensez-vous que l'une s'appliquerait sur l'autre en raison de la répulsion de Coulomb? La réponse est dans la constante de Coulomb, qui est 9 x 10 ^ 9 N / (m ^ 2C ^ 2). Puisque nous sommes distants de 1 m et que nous avons 1 Coulomb, la force est de 9 x 10 ^ 9 Newtons. Cela signifie qu'il supportera 9 x 10 ^ 8 kg dans la gravité terrestre. C'est le poids d'un très grand bâtiment. Cela illustre que les électrons en excès n'aiment pas du tout être proches les uns des autres. La tension est l'énergie d'un excès d'électrons lorsqu'il est ajouté à un objet. Et vous n'avez pas besoin de beaucoup d'électrons pour augmenter substantiellement la tension. Cela signifie que les objets, y compris les fils métalliques, ont une très très faible capacité d'excès d'électrons. Qu'est-ce donc qu'un condensateur? Un condensateur a une capacité élevée d'électrons de sorte que lorsqu'une batterie ajoute des électrons à un morceau de fil qui a un condensateur à la fin, la tension n'augmente pas autant pour chaque électron. Cela n'est PAS dû au fait qu'un condensateur a une plaque (quelle que soit sa taille): une seule plaque a une capacité très très FAIBLE pour les électrons supplémentaires. Le sectret d'un condensateur est la plaque OPPOSÉE qui est très proche de lui. Ce qui se passe, c'est que tout excès d'électrons sur la plaque est attiré par la plaque opposée dont les électrons ont été retirés par la batterie. Cela signifie que l'énergie globale par excès d'électrons est réduite et que vous pouvez intégrer plus d'électrons par augmentation de tension unitaire. Les condensateurs ne peuvent donc pas avoir d'intervalle d'air entre eux car les forces sont si importantes. Ils doivent avoir un solide entre eux pour empêcher les plaques de s'effondrer les unes dans les autres. Nous arrivons maintenant à l'inducteur. C'est fou. Il n'y a pas de champ magnétique. C'est juste une attraction de Coulomb. Mais cette attraction coulombienne ne se produit que lorsque la currecte coule dans ce cas. Comment cela peut-il arriver? Souvenez-vous bien que la force de Coulomb est incroyablement forte, donc ses effets peuvent être vus à partir de changements assez subtils de densité électronique que nous ne pouvons pas voir. Et maintenant pour le noeud. Les changements subtils sont en fait dus à la relativité d'Einstien. Les électrons ont un espacement moyen dans un fil et cet espacement moyen est le même que l'espacement moyen des charges positives. Lorsqu'un courant circule, vous pourriez penser que l'espacement moyen reste le même, mais maintenant vous devez tenir compte de la CONTRACTION DE LONGUEUR. Pour un observateur extérieur, tout objet en mouvement semble être plus court et c'est ce qui arrive aux (électrons). Avec une bobine de fil, sur les côtés opposés du cercle, les électrons circulent dans la direction opposée. Un côté voit l'autre comme ayant une densité d'électrons PLUS GRANDE que les charges positives dues à la relativité. Cela crée une REPULSION entre les électrons dans les fils ayant des directions de courant opposées et AUGMENTE leur énergie (c.-à-d. La tension). La tension monte donc beaucoup plus vite que pour un fil ordinaire. Les gens considèrent donc les inducteurs comme un flux de courant OPPOSÉ. Mais ce qui se passe réellement, c'est que la tension a augmenté très rapidement et plus encore si un courant plus important circule. Vous avez peut-être remarqué que TOUS les manuels traitent le magnétisme de manière mathématique et ne signalent jamais vraiment la particule responsable. Eh bien, c'est l'électron et la force est due à la relativité et la force est certainement coulombique. Cela est vrai même dans les matériaux magnétisés en permanence (mais c'est une autre discussion). Oubliez les champs, ils sont une construction mathématique pour les personnes qui ne veulent pas comprendre le monde.

Toutes ces réponses sont merveilleuses, mais pour répondre à la question sur le dos emf, les points clés à garder à l'esprit:

1. Un champ B changeant induit un champ E.

2. E est lié à ε (emf) par: ε = W / q -> W = ∮F⋅ds -> W / q = -∮ (F / q) ⋅ds -> E = F / q -> W / q = -∮E⋅ds (où s est une distance infinitésimale dans la direction du mouvement)

Donc, quand il y a un champ magnétique changeant, il y a un champ E induit, et donc il y aura une tension induite (emf).

3. ε = -∮ (E_ind) ⋅ds = -∂ (Φ_B) / ∂t = - (d / dt) (∫Β⋅dA) Rappelez-vous, c'est le champ B qui change ici, donc: = - (∂Β / ∂t )UNE

La raison pour laquelle il s'oppose à la source de tension constante (par exemple, une batterie) est simplement parce que F (proportionnelle à E) pointe perpendiculairement à B et I:

4. F = Ids × B. (Temps actuels ds, un morceau de fil infinitésimal dans le sens de I - le courant ne peut traverser le fil)

(Direction donnée par la règle de droite)

Cette force ajoute une composante de vitesse aux charges dans le courant dans la direction de F. À son tour, cette nouvelle composante de vitesse crée maintenant une composante de force mutuellement orthogonale à la nouvelle composante et au champ B, qui est dans la direction opposée au flux d'origine de courant, ou opposé à la tension d'origine fournie, et donc pourquoi il est appelé un "back emf".

C'est ce dos emf qui ralentit la charge (il ne les bloque pas).