Что произойдет с катушкой индуктивности, если накопленная энергия не найдет пути для разрядки?

Предположим, что катушка индуктивности подключена к источнику, а затем источник отключен. Катушка индуктивности будет запасать энергию в виде магнитного поля. Но нет способа/пути разрядить эту энергию?

Краткий ответ: Он найдет способ/путь разрядить эту энергию.

Более длинный ответ:

Пусть эта простая электрическая цепь состоит из батареи (напряжение$V_0$), переключатель, резистор (сопротивление$R$) и индуктор (индуктивность$L$).

_{(изображение из сборки электронных схем - Что такое индуктор? , немного изменено мной)}

После замыкания переключателя вскоре установится устойчивое состояние с током$I=\frac{V_0}{R}$течет. Магнитная энергия, запасенная в индукторе, равна$E=\frac{1}{2}LI^2$.

При размыкании переключателя вы явно прерываете ток$I$внезапно. Дифференциальное уравнение между напряжением$V_L$и текущий$I$через индуктор

Когда напряжение на размыкающем выключателе достигает нескольких тысяч вольт, воздух между контактами выключателя ионизируется и становится электрическим проводником. По данным " Электрический пробой - Газы " воздух начинает разрушаться при 3000 В/мм. Вы действительно увидите и услышите искру в выключателе.

_{(изображение из сборки электронных схем - Что такое индуктор? , немного изменено мной)}

Что произойдет в этом случае с запасенной энергией, током и напряжением индуктора?

В течение нескольких миллисекунд ток продолжает течь через уже разомкнутый ключ, проходя через ионизированный воздух искры. Энергия, запасенная в индукторе, рассеивается в этой искре.

Резюме: Катушка индуктивности «не хочет», чтобы ток прерывался, и поэтому индуцирует достаточно высокое напряжение, чтобы ток продолжался.

Примечание: во многих электротехнических приложениях этот вид индуктивной искры является крайне нежелательной особенностью. Этого можно избежать, добавив в схему обратный диод . Однако в некоторых приложениях (например, электрическое зажигание в бензиновых двигателях) индуктивная искра является необходимой функцией.

Это зависит.

Вы не можете отключить идеальную катушку индуктивности от идеального источника напряжения с помощью идеального переключателя. Эти идеальные вещи сломают ваши расчеты, и вы получите бесконечное напряжение при отключении.

Реальная катушка индуктивности имеет сопротивление катушки, емкость между катушками и изоляцию между катушками, которая имеет большое, но в значительной степени нелинейное сопротивление (и еще некоторые вещи, которые делают ее неидеальной, например, паразитные индуктивные и емкостные связи с другими объектами вокруг).

Если вам удастся выключить его без особой искры, он сделает одну из этих двух вещей (или обе):

1. Катушка индуктивности будет колебаться со своей паразитной емкостью. Паразитные сопротивления (и другие факторы, такие как радиоизлучение) будут довольно быстро затухать колебание.

2. Напряжение на катушке индуктивности поднимется до высокого значения, определяемого ее паразитными емкостями. Если напряжение будет достаточно высоким, изоляция между катушками разрушится, и колебание затухнет намного быстрее. На этом этапе вы можете считать большинство катушек индуктивности неисправными.

Первый пункт происходит всегда - независимо от того, считаете ли вы какой-либо проводящий объект катушкой индуктивности или нет. Если вам не повезло иметь коммутационную индуктивность вокруг какого-либо оборудования радиосвязи, использующего частоту, близкую к паразитным колебаниям катушки индуктивности, вы можете получить помехи.

Иногда случается второе. Это распространенный вид неисправности реле или катушек двигателя.

Но нет способа/пути разрядить эту энергию? Что произойдет в этом случае с запасенной энергией, током и напряжением индуктора?

В этом случае он образует собственную цепь с собственным путем к земле. Часто это происходит из-за пробоя диэлектрика в самом переключателе, но детали очень непредсказуемы и очень сильно зависят от условий окружающей среды. Так что поломка может произойти в другом месте.

Катушка индуктивности имеет напряжение, пропорциональное скорости изменения ее тока. Произвольно высокая скорость изменения тока приводит к произвольно высокому напряжению. Это высокое напряжение может преодолеть изоляцию и создать опасный путь к земле там, где его быть не должно. Автоматические выключатели, предназначенные для работы с большими токами и индуктивными нагрузками, должны быть очень тщательно спроектированы.

Обычно эта дополнительная энергия создает искру из-за высокой противо-ЭДС. Но катушка не всегда может создавать искры. Это ясно, если мы попробуем эксперимент.

Так что же происходит с магнитной энергией, если искры не генерируются?

во-первых, внезапное отключение создало бы потенциал. разница между концами катушки. Это означает, что отрицательные заряды в проводе теперь находятся на одном конце, а положительные — на другом. Это неравновесная конфигурация, и тогда, поскольку электроны в металле могут свободно двигаться, заряды в проводе перераспределяются, сводя на нет разность потенциалов. Теперь катушка не хранит энергию.

Так куда делась энергия? Часть его уходит в виде теплового движения при перераспределении зарядов. Это было бы незначительным в случае идеального индуктора без сопротивления. (будут присутствовать только потери из-за энтропии)

Кроме того, теперь, когда электроны перераспределяются, они посылают ток, который снова создает магнитное поле. Как было бы ясно, заряды внутри индуктора теперь колеблются. поскольку существует переменное электрическое и магнитное поле, некоторая часть энергии выходит в виде электромагнитных волн. Когда вся первоначальная запасенная энергия преобразуется в излучение, не более того. создаются разности потенциалов и катушку индуктивности можно назвать разряженной

Важный момент, который несколько упоминается другими, но, возможно, недостаточно ясно (цитируя Скотти): «Вы не можете нарушать законы физики».
Вы можете сделать все идеальным — полупроводниковый провод, совершенный переключатель мгновенного действия, бесконечную изоляцию — и основные «правила», управляющие катушкой индуктивности, останутся в силе.

Тот факт, что ток в индукторе не может мгновенно измениться, является частью фундаментального определения того, что это такое. ЕСЛИ для этого требуется бесконечное напряжение, пусть будет так.

На практике имеется достаточно неидеальностей, чтобы «разобраться».
Область конечного обращения упоминается фраксинусом - накопление энергии в паразитной или межобмоточной емкости. Даже идеальный индуктор имеет связанные с ним емкости, и вы увидите, как энергия 1/2.Li^2 перераспределяется в энергию 1/2.CV^2. Если сопротивление мало или отсутствует, вы увидите колебания, поскольку энергия рассеивается дольше, чем резонансный цикл - в форме электромагнитного излучения, если не существует других средств.

В реальных ситуациях вы обычно увидите некоторые или все искры, пробой изоляции, рассеяние сопротивления, электромагнитное излучение и резонанс.

Там, где позволяет топография схемы, обычно к катушке индуктивности добавляют диод, чтобы позволить току «циркулировать» и рассеивать энергию на сопротивлении обмотки. Более быстрое рассеивание часто достигается добавлением резистора последовательно с диодом — начальное напряжение на резисторе V = IR, и вы немедленно получаете затухающие потери I^2R. Другие средства рассеивания включают стабилитрон (аналогично добавлению резистора, последовательную RC-цепь «демпфера» (позволяющую резистивное рассеяние переменного тока, но не путь постоянного тока) или возврат энергии на шину источника питания.

Индуктор становится активным индуктором. Энергия все еще хранится в нем, и общий поток , который он производит, остается прежним.

Если вы подключите его к другой цепи (скажем, только с резистором), он на мгновение станет источником тока, т.е. первый ток, протекающий через цепь, будет таким же, как и последний (для поддержания поток)

Катушка индуктивности содержит магнитопровод. Изменение магнитного потока через него индуцирует напряжение в катушках, которое, если позволить ему развиться в ток, нарастает до тех пор, пока создаваемый ток не компенсирует изменение потока. Разделение цепи блокирует этот процесс. Без регулярного высвобождения магнитной энергии через катушки магнитная цепь будет действовать как осциллятор, который преобразует энергию своего магнитного поля в электрическое поле, содержащее такое же количество энергии, а затем преобразует его обратно в магнитное поле с противоположной полярностью. и так далее. Таким образом, вместо того, чтобы отводить энергию через электрические соединения, она будет излучаться в виде электромагнитного излучения.

Так в чем проблема? Проблема в том, что электрическое поле вокруг катушки индуктивности намного менее эффективно для удержания больших количеств энергии, чем магнитное поле. Это означает, что когда энергия преобразуется из магнитной в электрическую, на катушках будут складываться огромные напряжения, которые, как правило, катушки не предназначены для выдерживания без образования дуги, и что остальная часть схемы менее чем счастлива. иметь дело с.

Короче говоря, рушится не физика, а рушатся идеалы идеального индуктора. Он излучает энергию способом, для которого он не был предназначен (электромагнитное излучение), и делает это, создавая чудовищные напряжения.

Напряжения не бесконечны: они просто достигают уровня, при котором энергия, запасенная в магнитном поле индуктора, затем промежуточно преобразуется в энергию электрического поля. Но индуктор плохо передает энергию электрическому полю: он скорее отдаст ее электрически. Так что это электрическое поле будет далеко за пределами того, на что катушка индуктивности рассчитана при нормальной работе. Что случится?

Физика, а не электротехника. Вставьте обратноходовой диод, и вы вернетесь к инженерии.

Ток будет течь туда и обратно между конечными точками провода после устранения разности потенциалов. Это похоже на волну, бегущую вперед и назад по струне. Это связано с тем, что все электроны ведут себя как одна волна (волновая функция) в сверхпроводящем режиме. Если нет потерь тепла, то так и будет. навсегда. В действительности стоячая электронная волна на струне со временем затухнет. Он будет вести себя как антенна и будет излучать свою первоначальную энергию в виде электромагнитной волны.

Если катушка находится в идеальном вакууме, то неиндуцируемое напряжение может стать настолько высоким, что «холодные» электронные выбросы металлических концов катушки создадут дугу для разряда.

Прекрасным примером запасенной энергии катушки индуктивности, используемой для создания полезного напряжения, является катушка зажигания в бензиновых двигателях. Когда точки открываются, ток в первичном cct. катушки зажигания, магнитный поток быстро схлопывается, поскольку магнитная энергия преобразуется в энергию электрического поля в собственной емкости первичной обмотки. Чтобы быстрое повышение напряжения на точках не привело к возникновению искры, к точкам добавлена ​​емкость. Эта емкость выбрана для уменьшения естественного синусоидального резонанса в катушке до частоты, при которой скорость нарастания напряжения на катушке растет достаточно медленно, чтобы точки открывались достаточно широко, чтобы предотвратить искрение. Выбор емкости также ограничивает пик синусоиды прибл. 400 вольт. Вторичная обмотка катушки имеет примерно в 60 раз больше витков, чем первичная. синусоидальный поток в первичной обмотке разделяется вторичной обмоткой, поэтому на вторичной обмотке будет в 60 раз больше напряжения первичной обмотки, что соответствует 24 тысячам вольт. В результате получается затухающий колебательный сигнал в диапазоне нескольких десятков килогерц. Когда на свече зажигания образуется дуга, вся энергия отдается искре.