Bagaimana cara induktor menyimpan energi?

Saya tahu bahwa kapasitor menyimpan energi dengan mengakumulasi muatan pada lempeng mereka, demikian pula orang mengatakan bahwa induktor menyimpan energi dalam medan magnetnya. Saya tidak bisa mengerti pernyataan ini. Saya tidak tahu bagaimana induktor menyimpan energi dalam medan magnetnya, yaitu saya tidak bisa memvisualisasikannya.
Secara umum, ketika elektron bergerak melintasi sebuah induktor, apa yang terjadi pada elektron, dan bagaimana mereka tersumbat oleh medan magnet? Dapatkah seseorang menjelaskan hal ini kepada saya secara konseptual?

Dan tolong jelaskan ini:

1. Jika elektron mengalir melalui kawat, bagaimana mereka dikonversi menjadi energi di medan magnet?

2. Bagaimana back-EMF dihasilkan?

Ini adalah pertanyaan yang lebih dalam dari yang terdengar. Bahkan fisikawan tidak setuju tentang arti sebenarnya dari menyimpan energi dalam suatu bidang, atau bahkan apakah itu deskripsi yang baik tentang apa yang terjadi. Itu tidak membantu bahwa medan magnet adalah efek relativistik, dan karenanya secara inheren aneh.

Saya bukan ahli fisika keadaan padat, tetapi saya akan mencoba menjawab pertanyaan Anda tentang elektron. Mari kita lihat sirkuit ini:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Untuk mulai dengan, tidak ada tegangan melintasi atau arus melalui induktor. Ketika saklar ditutup, arus mulai mengalir. Saat arus mengalir, ia menciptakan medan magnet. Itu membutuhkan energi, yang berasal dari elektron. Ada dua cara untuk melihatnya:

1. Teori sirkuit: Dalam sebuah induktor, arus yang berubah menciptakan tegangan melintasi induktor . Tegangan kali saat ini adalah daya. Jadi, mengubah arus induktor membutuhkan energi.$(V = L\frac{di}{dt})$

2. Fisika: Medan magnet yang berubah menciptakan medan listrik. Medan listrik ini mendorong kembali elektron, menyerap energi dalam proses. Jadi, percepatan elektron membutuhkan energi, melebihi dan di atas yang Anda harapkan dari massa inersia elektron saja.

Akhirnya, arus mencapai 1 amp dan tetap di sana karena resistor. Dengan arus konstan, tidak ada tegangan di induktor . Dengan medan magnet konstan, tidak ada medan listrik terinduksi.$(V = L\frac{di}{dt} = 0)$

Sekarang, bagaimana jika kita mengurangi sumber tegangan menjadi 0 volt? Elektron kehilangan energi dalam resistor dan mulai melambat. Ketika mereka melakukannya, medan magnet mulai runtuh. Ini lagi-lagi menciptakan medan listrik dalam induktor, tetapi kali ini ia mendorong elektron untuk membuat mereka terus berjalan, memberi mereka energi. Arus akhirnya berhenti begitu medan magnetnya hilang.

Bagaimana jika kita mencoba membuka sakelar saat arus mengalir? Elektron semua mencoba berhenti secara instan. Ini menyebabkan medan magnet runtuh sekaligus, yang menciptakan medan listrik masif. Bidang ini seringkali cukup besar untuk mendorong elektron keluar dari logam dan melintasi celah udara di sakelar, menciptakan percikan api. (Energi terbatas tetapi daya sangat tinggi.)

Back-EMF adalah tegangan yang diciptakan oleh medan listrik terinduksi ketika medan magnet berubah.

Anda mungkin bertanya-tanya mengapa hal ini tidak terjadi pada resistor atau kawat. Jawabannya adalah ya - aliran apa pun akan menghasilkan medan magnet. Namun, induktansi komponen ini kecil - perkiraan umum adalah 20 nH / inci untuk jejak pada PCB, misalnya. Ini tidak menjadi masalah besar sampai Anda masuk ke rentang megahertz, di mana Anda mulai harus menggunakan teknik desain khusus untuk meminimalkan induktansi.

Ini adalah cara saya memvisualisasikan konsep induktor dan kapasitor. Caranya adalah dengan memvisualisasikan energi potensial dan energi kinetik, dan memahami interaksi antara dua bentuk energi ini.

1. Kapasitor analog dengan pegas, dan
2. Induktor dianalogikan dengan roda air.

$\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}$

Singkatnya, induktor bertindak sebagai inersia yang bereaksi terhadap perubahan kecepatan elektron, dan kapasitor bertindak sebagai pegas yang bereaksi terhadap gaya yang diberikan.
Menggunakan analogi di atas, Anda dapat dengan mudah menemukan mengapa hubungan fase antara tegangan dan arus berbeda untuk induktor dan kapasitor. Analogi ini juga membantu untuk memahami mekanisme pertukaran energi antara kapasitor dan induktor seperti dalam osilator LC.

Untuk pemikiran lebih lanjut, ajukan pertanyaan berikut. Bagaimana energi kinetik dalam sistem mekanis disimpan? Ketika kita berlari, di mana dan bagaimana energi kinetik disimpan? Ketika kita berlari, apakah kita menciptakan bidang yang berinteraksi pada tubuh kita yang bergerak?

Salah satu cara untuk mengkonseptualisasikannya adalah dengan membayangkannya mirip dengan inersia arus melalui induktor. Cara yang baik untuk menggambarkannya adalah dengan ide pompa ram hidrolik :

Dalam pompa ram hidrolik, air mengalir melalui pipa besar, ke katup yang bekerja cepat. Ketika katup menutup, inersia massa air yang mengalir deras menyebabkan peningkatan besar tekanan air secara tiba-tiba di katup. Tekanan ini kemudian memaksa air naik melalui katup satu arah. Ketika energi dari ram air menghilang, katup bertindak cepat utama terbuka, dan air membangun beberapa momentum di pipa utama, dan siklus berulang lagi. Lihat halaman wiki untuk ilustrasi.

Inilah cara kerja konverter boost , hanya dengan listrik alih-alih air. Air yang mengalir melalui pipa sama dengan induktor. Sama seperti air dalam pipa menolak perubahan aliran, induktor menolak perubahan arus.

Kapasitor dapat menyimpan energi: -

Energi = $\dfrac{C\cdot V^2}{2}$ di mana V diberikan tegangan dan C adalah kapasitansi.

Untuk seorang induktor adalah ini: -

Energi = $\dfrac{L\cdot I^2}{2}$ dimana L adalah induktansi dan I adalah arus yang mengalir.

Saya khususnya, saya selalu mengalami kesulitan memvisualisasikan muatan dan tegangan tetapi saya tidak pernah mengalami kesulitan memvisualisasikan arus (kecuali ketika menyadari bahwa arus adalah aliran muatan). Saya menerima tegangan itu apa adanya dan hanya hidup dengan itu. Mungkin saya berpikir terlalu keras. Mungkin Anda juga melakukannya?

Saya akhirnya kembali ke dasar dan ini untuk saya, sejauh yang saya ingin kembali karena saya bukan seorang fisikawan. Dasar-dasar: -

Q = CV atau $\dfrac{dQ}{dt} = C\cdot\dfrac{dV}{dt}$ = saat ini, saya

Apa ini memberitahu saya adalah bahwa untuk laju perubahan tegangan yang diberikan melintasi kapasitor, ada arus ATAU, jika Anda memaksa arus melalui kapasitor akan ada tegangan ramping.

Ada rumus yang sama untuk induktor yang pada dasarnya memberitahu Anda bahwa untuk tegangan yang diberikan ditempatkan di terminal, arus akan meningkat secara proporsional: -

V = $L\dfrac{di}{dt}$ ketika V diterapkan ke terminal dan

V = $-L\dfrac{di}{dt}$ ketika menghitung ggl kembali karena fluks eksternal runtuh atau fluks dari kumparan lain berubah.

Dua formula ini menjelaskan kepada saya apa yang terjadi.

Bayangkan rangkaian seri yang terdiri dari kapasitor ideal, C, induktor ideal, L, dan sakelar. Induktor memiliki inti magnetik lunak, sehingga kekuatan medan magnetnya sebanding dengan arus yang mengalir melaluinya. Dielektrik kapasitor sempurna dan dengan demikian tidak ada kerugian.

Awalnya, mari kita asumsikan sakelar terbuka dan semua kondisi awal adalah nol. Artinya, ada muatan nol pada kapasitor, arus nol melalui induktor dan karenanya medan magnet dalam inti adalah nol. Kami memberikan kapasitor biaya awal ke V volt menggunakan baterai.

Saklar sekarang ditutup, pada t = 0, dan L dan C membentuk rangkaian seri sederhana. Pada semua nilai waktu setelah penutupan saklar, tegangan kapasitor harus sama dengan tegangan induktor (hukum tegangan Kirchoff). Jadi apa yang terjadi ????

1. Pada t = o, tegangan melintasi C adalah V, sehingga tegangan melintasi L juga harus V. Oleh karena itu laju perubahan arus, di / dt, dari C ke L, harus sedemikian rupa sehingga Ldi / dt = V. Dengan demikian , laju perubahan arus cukup besar, tetapi arus itu sendiri, pada saat t = 0 adalah i = 0, dan di / dt = V / L

2. Seiring berjalannya waktu, tegangan melintasi C menurun (saat muatan mengalir keluar) dan laju perubahan arus diperlukan untuk mempertahankan tegangan induktor pada tingkat yang sama dengan penurunan tegangan kapasitor. Saat ini masih meningkat, tetapi gradiennya menurun.

3. Ketika arus meningkat, kekuatan medan magnet dalam inti induktor meningkat (kekuatan medan sebanding dengan arus).

4. Pada titik di mana kapasitor kehilangan semua muatannya, tegangan kapasitor nol, arus berada pada nilai maksimumnya (sudah meningkat sejak t = 0), tetapi laju perubahan, di / dt, sekarang nol sejak induktor tidak perlu menghasilkan tegangan untuk menyeimbangkan tegangan kapasitor. Juga pada titik ini medan magnet berada pada kekuatan maksimumnya (sebenarnya, energi yang disimpan adalah LI ^ 2/2, di mana saya adalah arus maksimum dan ini sama dengan energi asli di C = CV ^ 2/2

5. Sekarang tidak ada lagi energi yang tersisa di kapasitor, sehingga tidak dapat memasok arus apa pun untuk mempertahankan medan magnet induktor. Medan magnet mulai runtuh, tetapi dengan melakukan hal itu menciptakan arus yang cenderung menentang medan magnet yang runtuh (hukum Lenz). Arus ini dalam arah yang sama dengan arus asli yang mengalir dalam rangkaian tetapi sekarang bertindak untuk mengisi kapasitor dalam arah yang berlawanan (yaitu sedangkan pelat atas mungkin awalnya positif, sekarang pelat bawah sedang diisi positif).

6. Induktor sekarang di kursi pengemudi. Ini menghasilkan arus, i, sebagai respons terhadap medan magnet yang runtuh dan, karena arus ini menurun dari nilai aslinya (I), tegangan dihasilkan dengan besarnya, Ldi / dt (berlawanan polaritas dengan sebelumnya).

7. Rezim ini berlanjut hingga medan magnet benar-benar hilang, setelah mentransfer energinya kembali ke kapasitor, walaupun dengan polaritas yang berlawanan, dan seluruh operasi dimulai lagi tetapi kali ini kapasitor memaksa arus di sekitar sirkuit dengan arah yang berlawanan dengan sebelumnya.

8. Di atas mewakili setengah siklus positif dari gelombang saat ini dan langkah 7 adalah awal dari setengah siklus negatif. Satu bentuk gelombang pengisian-muatan yang lengkap adalah satu siklus dari waveorm sinusoidal. Jika komponen L dan C sempurna atau 'ideal' tidak ada kehilangan energi dan tegangan dan sinusoid saat ini berlanjut hingga tak terbatas.

Jadi saya pikir jelas bahwa medan magnet memiliki kemampuan untuk menyimpan energi. Namun itu tidak mampu menyimpan jangka panjang sebagai kapasitor, karena peluang untuk, dan mekanisme kebocoran energi berlipat ganda. Menarik untuk dicatat bahwa memori komputer awal terbuat dari induktor yang luka di sekitar inti ferit toroidal (satu toroid per bit !!), tetapi ini membutuhkan penyegaran elektronik sering untuk mempertahankan data yang disimpan.

Mungkin kita bisa memvisualisasikannya dengan cara ini. Induktor dibuat dengan membuat konduktor membalikkan inti magnetik atau hanya udara. Tidak seperti kapasitor, di mana zat dielektrik terjepit di antara pelat konduktor. setiap atom bertindak sebagai loop pembawa arus. Itu karena, elektron berputar dalam jalur melingkar. Ini menimbulkan dipol magnetik (atom) di dalam zat. Awalnya semua dipol magnetik diarahkan secara acak di dalam suatu zat, membuat arah yang dihasilkan dari garis medan magnet menjadi nol. Arus mengalir karena aliran elektron. Dalam rangkaian yang terdiri dari induktor, ada arah spesifik aliran arus (atau aliran elektron) melalui induktor. dengan demikian, arus ini mencoba untuk meluruskan dipol magnetik ke arah tertentu.

Keengganan dipol magnetik untuk disejajarkan dalam arah tertentu, bertanggung jawab atas oposisi arus. oposisi dapat disebut sebagai ggl kembali.

Oposisi yang ditawarkan ini berbeda untuk materi yang berbeda. karenanya, kami memiliki nilai keengganan yang berbeda. induktor dikatakan jenuh ketika semua dipol magnetik disejajarkan dalam arah tertentu yang diberikan oleh Aturan Tangan Kanan Them Fleming. arah pertentangan diberikan oleh Hukum Lenz (arahan back emf).

Dipol magnetik ini hanya bertanggung jawab atas penyimpanan energi magnetik. Asumsikan induktor ini terhubung ke sirkuit tertutup tanpa pasokan saat ini. sekarang dipol magnetik selaras mencoba untuk mempertahankan posisi awal mereka, karena tidak adanya arus. Ini menghasilkan aliran arus. dapat dikatakan bahwa, energi yang tersimpan dalam induktor disebabkan oleh penyelarasan sementara dari dipol ini. tetapi beberapa dipol magnetik tidak dapat mencapai konfigurasi awal mereka. karenanya, kami katakan induktor murni tidak ada secara praktis.

Para ilmuwan tahu bahwa medan listrik dan medan magnet saling terkait . Ini pertama kali dikonfirmasi oleh Oersted oleh eksperimennya dengan kompas magnetik. bahkan ilmuwan percaya bahwa perilaku magnetik juga diperlihatkan oleh masing-masing elektron, karena putaran mereka mengenai porosnya sendiri.

Jangan bicara tentang bidang sama sekali. Mari kita bicara tentang tegangan. Elektron benar-benar tidak suka berdekatan satu sama lain. Kekuatan listrik sangat kuat. Biarkan saya memberi Anda contohnya. Jika 1 Ampere arus melewati kawat, ini berarti 1 Coloumb muatan listrik telah melewati kawat itu dalam 1 detik. Mari kita anggap bahwa Anda dapat menyimpan semua elektron ini yang berlalu dalam satu detik pada bola logam yang terisolasi secara elektrik. Kemudian Anda menunggu sedetik lagi dan menyimpan jumlah elektron yang sama pada bola logam terisolasi lainnya. Sekarang Anda memiliki satu Coulomb elektron di satu bidang dan satu Coulomb elektron di bidang lain. Seperti yang Anda tahu, biaya seperti akan saling tolak. Jika saya memegang kedua bola ini 1 meter terpisah berapa banyak kekuatan menurut Anda satu akan berlaku pada yang lain karena tolakan Coulomb? Jawabannya ada dalam konstanta Coulomb, yaitu 9 x 10 ^ 9 N / (m ^ 2C ^ 2). Karena kita terpisah 1 m dan karena kita memiliki 1 Coulomb gaya adalah 9 x 10 ^ 9 Newton. Ini berarti bahwa ia akan mendukung 9 x 10 ^ 8 kg gravitasi Bumi. Yang merupakan berat bangunan yang sangat besar. Ini menggambarkan bahwa elektron berlebih tidak suka berdekatan satu sama lain. Tegangan adalah enery yang dimiliki elektron berlebih saat ditambahkan ke objek. Anda tidak memerlukan banyak elektron sama sekali untuk meningkatkan tegangan secara substansial. Ini berarti bahwa benda-benda, termasuk kawat logam, memiliki kapasitas yang sangat sangat rendah untuk kelebihan elektron. Apa yang dimaksud dengan kapasitor? Kapasitor memiliki kapasitas tinggi untuk elektron sehingga ketika baterai menambahkan elektron ke sepotong kawat yang memiliki kapasitor di ujungnya, tegangan tidak bertambah banyak per setiap elektron. Ini BUKAN karena fakta bahwa kapasitor memiliki plat (tidak peduli seberapa besar itu): plat tunggal memiliki kapasitas yang sangat sangat RENDAH untuk elektron ekstra. Sectret ke kapasitor adalah pelat OPPOSING yang sangat dekat dengannya. Apa yang terjadi adalah bahwa setiap elektron berlebih di piring tertarik ke pelat yang berlawanan dari mana elektron telah dihapus oleh baterai. Ini berarti bahwa energi keseluruhan per elektron berlebih berkurang dan Anda dapat memuat lebih banyak elektron per kenaikan tegangan unit. Karena itu, kapasitor tidak dapat memiliki celah udara di antara mereka karena kekuatannya sangat besar. Mereka harus memiliki solid di antara mereka untuk mencegah piring dari runtuh satu sama lain. Sekarang kita sampai pada induktor. Ini hal yang gila. Tidak ada yang namanya medan magnet. Itu hanyalah atraksi Coulomb. Tapi tarik-menarik Coulomb ini hanya terjadi ketika arus mengalir dalam kasus ini. Bagaimana ini bisa terjadi? Ingat bahwa gaya Coulomb sangat kuat sehingga efeknya dapat dilihat dari perubahan SUBTLE dalam kerapatan elektron yang tidak dapat kita lihat. Dan sekarang untuk intinya. Perubahan yang halus, pada kenyataannya, disebabkan oleh relativitas Einstien. Elektron memiliki jarak rata-rata dalam sebuah kawat dan jarak rata-rata ini sama dengan jarak rata-rata dari muatan positif. Ketika arus mengalir Anda mungkin berpikir bahwa jarak rata-rata tetap sama tetapi sekarang Anda harus memperhitungkan KONTRAKSI PANJANG. Bagi pengamat ouside, setiap objek yang bergerak akan tampak lebih pendek dan inilah yang terjadi pada (ruang antara) elektron. Dengan gulungan kawat, di sisi yang berlawanan dari lingkaran elektron mengalir ke arah yang berlawanan. Satu sisi melihat yang lain sebagai memiliki kerapatan elektron LEBIH BESAR daripada muatan positif karena relativitas. Ini menciptakan REPULSION antara elektron dalam kabel yang memiliki arah arus berlawanan dan MENINGKATKAN energinya (yaitu tegangan). Tegangan karena itu naik lebih cepat daripada kabel biasa. Karena itu orang menganggap induktor sebagai MENDAPATKAN aliran arus. Tetapi apa yang sebenarnya terjadi adalah bahwa tegangan meningkat sangat cepat dan lebih dari itu jika arus yang lebih besar mengalir. Anda mungkin telah memperhatikan bahwa SEMUA buku teks memperlakukan magnetisme dengan cara matematika dan tidak pernah benar-benar menunjukkan partikel yang sebenarnya bertanggung jawab. Yah itu elektron dan gaya adalah karena relativitas dan gaya pasti adalah Coulombic. Ini benar bahkan dalam bahan bermagnet permanen (tapi itu diskusi lain). Lupakan bidang, itu adalah konstruksi matematika untuk orang yang tidak ingin memahami dunia.

Semua jawaban ini luar biasa, tetapi untuk menjawab pertanyaan tentang back emf, poin-poin penting yang perlu diingat:

1. Bidang B yang berubah menginduksi bidang E.

2. E terkait dengan ε (emf) melalui: ε = W / q -> W = ∮F⋅ds -> W / q = -∮ (F / q) ⋅ds -> E = F / q -> W / q = -∮E⋅ds (di mana s adalah jarak yang sangat kecil dalam arah gerak)

Jadi ketika ada medan magnet yang berubah, ada medan E yang diinduksi, dan karenanya akan ada tegangan induksi (ggl).

3. ε = -∮ (E_ind) ⋅ds = -∂ (Φ_B) / ∂t = - (d / dt) (∫Β⋅dA) Ingat, bidang B berubah di sini, jadi: = - (∂Β / ∂t )SEBUAH

Alasannya menentang sumber tegangan konstan (misalnya, baterai) hanya karena F (sebanding dengan E) menunjuk tegak lurus ke B dan I:

4. F = Id × B. (Waktu saat ini ds, sepotong kawat sangat kecil ke arah I - saat ini hanya dapat mengalir melalui kawat)

(Arah diberikan oleh aturan tangan kanan)

Gaya ini menambahkan komponen kecepatan ke muatan dalam arus ke arah F. Pada gilirannya, komponen kecepatan baru ini sekarang menciptakan komponen gaya yang saling ortogonal dengan komponen baru dan bidang B, yang searah dengan arah berlawanan dengan aliran asli dari arus, atau menentang tegangan yang disediakan asli, dan karenanya mengapa disebut "ggl kembali".

Ini adalah ggl kembali yang memperlambat muatan (itu tidak memblokir mereka).