인덕터는 에너지를 어떻게 저장합니까?

커패시터가 플레이트에 전하를 축적하여 에너지를 저장한다는 것을 알고 있습니다. 마찬가지로 사람들은 인덕터가 자기장에 에너지를 저장한다고 말합니다. 이 진술을 이해할 수 없습니다. 인덕터가 자기장에 에너지를 저장하는 방법을 알 수 없습니다. 즉, 시각화 할 수 없습니다.
일반적으로 전자가 인덕터를 가로 질러 움직일 때 전자는 어떻게되며 어떻게 자기장에 의해 차단됩니까? 누군가 이것을 개념적으로 설명 할 수 있습니까?

또한 다음을 설명하십시오.

1. 전자가 와이어를 통해 흐르면 어떻게 자기장에서 에너지로 변환됩니까?

2. back-EMF는 어떻게 생성됩니까?

이것은 소리보다 더 깊은 질문입니다. 물리학 자조차도 필드에 에너지를 저장한다는 정확한 의미, 또는 그것이 일어나는 일에 대한 좋은 설명인지에 동의하지 않습니다 . 자기장이 상대 론적 효과이므로 본질적으로 이상하다는 것은 도움이되지 않습니다.

나는 고체 물리학자는 아니지만 전자에 관한 당신의 질문에 대답하려고 노력할 것입니다. 이 회로를 보자.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

우선, 인덕터를 통과하는 전압이나 전류가 없습니다. 스위치가 닫히면 전류가 흐르기 시작합니다. 전류가 흐르면 자기장이 생성됩니다. 그것은 전자에서 나오는 에너지를 필요로합니다. 이것을 보는 두 가지 방법이 있습니다.

1. 회로 이론 : 인덕터에서 변화하는 전류는 인덕터 양단에 전압을 생성합니다 . 전압 시간 전류는 전력입니다. 따라서 인덕터 전류를 변경하면 에너지가 필요합니다.$(V = L\frac{di}{dt})$

2. 물리학 : 변화하는 자기장이 전기장을 만듭니다. 이 전기장은 전자를 다시 밀어내어 공정에서 에너지를 흡수합니다. 따라서, 가속 전자는 전자의 관성 질량만으로 기대 이상으로 에너지를 소비합니다.

결국 전류는 1A에 도달하고 저항으로 인해 그대로 유지됩니다. 정전류를 사용하면 인덕터 전체에 전압이 없습니다 . 일정한 자기장으로 인해 유도 전기장이 없습니다.$(V = L\frac{di}{dt} = 0)$

이제 전압원을 0 볼트로 줄이면 어떻게 될까요? 전자는 저항의 에너지를 잃고 속도가 느려지기 시작합니다. 그렇게하면 자기장이 붕괴되기 시작합니다. 이것은 다시 인덕터에 전기장을 생성하지만, 이번에는 전자를 밀어서 계속 움직이게 하여 에너지를 공급합니다. 자기장이 사라지면 전류는 마침내 멈 춥니 다.

전류가 흐르는 동안 스위치를 열려고하면 어떻게됩니까? 전자는 모두 즉시 멈추려 고합니다. 이로 인해 자기장이 한 번에 모두 붕괴되어 거대한 전기장이 생성됩니다. 이 필드는 종종 전자를 금속 밖으로 밀어 내고 스위치의 공극을 가로 질러 불꽃을 발생시키기에 충분히 큽니다. (에너지는 유한하지만 전력은 매우 높습니다.)

역기전력은 자기장이 변할 때 유도 전기장에 의해 생성되는 전압입니다.

왜이 물건이 저항이나 전선에서 발생하지 않는지 궁금 할 것입니다. 정답은 바로 전류 흐름이 자기장을 생성한다는 것입니다. 그러나 이러한 구성 요소의 인덕턴스는 작습니다. 예를 들어 PCB의 트레이스에 대한 일반적인 추정치는 20nH / 인치입니다. 메가 헤르츠 범위에 도달 할 때까지는 큰 문제가되지 않습니다.이 시점에서 인덕턴스를 최소화하기 위해 특수 설계 기술을 사용해야합니다.

이것이 인덕터와 커패시터의 개념을 시각화하는 나의 방법입니다. 방법은 잠재적 에너지와 운동 에너지를 시각화하고이 두 가지 형태의 에너지 사이의 상호 작용을 이해하는 것입니다.

1. 커패시터는 스프링과 유사하며
2. 인덕터는 수차와 유사합니다.

이제 비교를보십시오. 봄 에너지는 커패시터 에너지 인 반면,$\frac{1}{2}kx^2$. 따라서 커패시턴스C는 스프링 상수k와유사합니다. 커패시턴스 전압V는 스프링 변위x와유사합니다. 커패시턴스를 가로 지르는 전기장은 스프링에서 발생하는 힘과 유사합니다. 전자의 운동 에너지가 커패시터에 잠재적 에너지로 저장됩니다. 결과적인 잠재적 에너지 차이는 전기장 형태의 압력 인 전압이다. 따라서 커패시터는 잠재적 에너지로 인해 항상 전자를 뒤로 밀어냅니다.$\frac{1}{2}CV^2$$C$$k$$V$$x$

다음으로, 수차의 운동 에너지는 1 로 표현 될 수 있습니다, 여기서I는 관성 모멘트이고ω는 각 주파수입니다. 반면 인덕터에 저장된 에너지는$\frac{1}{2}I\omega^2$$I$$\omega$, 여기서i는 전류입니다. 따라서 전류는i=dq 인속도와 유사합니다.$\frac{1}{2}Li^2$$i$ .$i = \frac{dq}{dt}$

$F$$\mathbf{F} = q\mathbf{E} + q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$

요약하면, 인덕터는 전자의 속도 변화에 반응하는 관성 역할을하며 커패시터는 가해진 힘에 반응하는 스프링 역할을합니다.
위의 비유를 사용하면 인덕터와 커패시터에 대해 전압과 전류의 위상 관계가 다른 이유를 쉽게 찾을 수 있습니다. 이 비유는 또한 LC 발진기와 같은 커패시터와 인덕터 사이의 에너지 교환 메커니즘을 이해하는 데 도움이됩니다.

추가로 생각하려면 다음 질문을하십시오. 기계 시스템의 운동 에너지는 어떻게 저장됩니까? 우리가 달리고있을 때, 운동 에너지는 어디에 어떻게 저장됩니까? 우리가 달리고있을 때 움직이는 몸에서 상호 작용하는 필드를 만들고 있습니까?

이를 개념화하는 한 가지 방법은 인덕터를 통한 전류의 관성과 유사하다고 상상하는 것입니다. 그것을 설명하는 좋은 방법은 유압 램 펌프 의 아이디어입니다 .

유압 램 펌프에서 물은 큰 파이프를 통해 빠른 작동 밸브로 흐릅니다. 밸브가 닫히면 대량으로 흐르는 물의 관성이 밸브의 급격한 수압 증가를 유발합니다. 그런 다음이 압력은 일방 밸브를 통해 물을 위로 밀어 올립니다. 워터 램의 에너지가 소멸됨에 따라 주 고속 작동 밸브가 열리고 주 파이프에서 물이 약간의 운동량을 형성하고 사이클이 다시 반복됩니다. 그림은 위키 페이지를 참조하십시오.

이것이 바로 물 대신 전기만으로 부스트 컨버터가 작동 하는 방식 입니다. 파이프를 통해 흐르는 물은 인덕터에 해당합니다. 파이프의 물이 흐름의 변화에 ​​저항하는 것처럼 인덕터는 전류의 변화에 ​​저항합니다.

커패시터는 에너지를 저장할 수 있습니다.-

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

인덕터의 경우 다음과 같습니다.-

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

특히, 나는 항상 충전 및 전압을 시각화하는 데 문제가 있지만 전류를 시각화하는 데 문제가 없습니다 (전류가 충전 흐름임을 깨닫는 경우는 제외). 나는 전압이 무엇인지를 받아들이고 그와 함께 산다. 어쩌면 내가 너무 열심히 생각합니다. 어쩌면 당신도?

나는 기본으로 돌아가고 이것은 나를 물리학자가 아니기 때문에 돌아가고 싶다. 기본 사항 :-

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

이것이 알려주는 것은 커패시터를 가로 지르는 주어진 전압 변화율에 대해 전류가 있거나 커패시터를 통해 전류를 강제하면 램프 전압이 발생한다는 것입니다.

인덕터에 대한 유사한 공식이 기본적으로 단자를 가로 질러 주어진 주어진 전압에 대해 전류가 비례 적으로 증가한다는 것을 알려줍니다.

$L\dfrac{di}{dt}$

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

이 두 공식은 무슨 일이 일어나는지 설명해줍니다.

이상적인 커패시터, C, 이상적인 인덕터, L 및 스위치로 구성된 직렬 회로를 상상해보십시오. 인덕터는 연 자성 코어를 가지므로 자기장의 강도는 흐르는 자기 전류에 비례합니다. 커패시터 유전체는 완벽하므로 손실이 없습니다.

처음에는 스위치가 열려 있고 모든 초기 조건이 0이라고 가정합니다. 즉, 커패시터에는 전하가 없으며 인덕터를 통한 전류는 0이므로 코어의 자기장은 0입니다. 배터리를 사용하여 커패시터에 V 볼트를 초기 충전합니다.

스위치는 이제 t = 0에서 닫히고 L과 C는 간단한 직렬 회로를 형성합니다. 스위치 폐쇄 후 모든 시간 값에서 커패시터 전압은 인덕터 전압과 동일해야합니다 (Kirchoff의 전압 법칙). 그래서 어떻게됩니까 ????

1. t = o에서 C 양단의 전압은 V이므로 L 양단의 전압도 V 여야합니다. 따라서 C에서 L 로의 전류 변화율 di / dt는 Ldi / dt = V가되어야합니다. 전류의 변화율은 상당히 크지 만, 순간 t = 0에서의 전류 자체는 i = 0이고, di / dt = V / L

2. 시간이 지남에 따라, C 양단의 전압은 (전하가 흘러 나감에 따라) 감소하고 커패시터 전압이 감소하는 것과 동일한 레벨에서 인덕터 전압을 유지하는데 필요한 전류의 변화율이 증가한다. 전류는 여전히 증가하지만 그레디언트는 감소합니다.

3. 전류가 감소함에 따라 인덕터 코어의 자기장 강도가 증가합니다 (전계 강도는 전류에 비례합니다).

4. 커패시터가 모든 전하를 잃은 지점에서 커패시터 전압은 0이고, 전류는 최대 값 (t = 0 이후 증가하고 있음)이지만 변화율 di / dt는 0부터 인덕터는 커패시터 전압의 균형을 맞추기 위해 전압을 생성 할 필요가 없다. 또한이 지점에서 자기장은 최대 강도에 있습니다 (실제로 저장된 에너지는 LI ^ 2 / 2입니다. 여기서 I는 최대 전류이며 이는 C = CV ^ 2 / 2의 원래 에너지와 같습니다.

5. 이제 커패시터에 더 이상 에너지가 남아 있지 않으므로 인덕터의 자기장을 유지하기 위해 전류를 공급할 수 없습니다. 자기장은 붕괴되기 시작하지만, 그렇게함으로써 붕괴하는 자기장 (Lenz의 법칙)에 반대하는 경향이있는 전류가 생성됩니다. 이 전류는 회로에 흐르는 원래 전류와 같은 방향이지만 커패시터를 반대 방향으로 충전하는 역할을합니다 (즉, 상단 플레이트는 원래 양극 일 수 있으며 이제 하단 플레이트는 양극으로 충전됩니다).

6. 인덕터는 이제 운전석에 있습니다. 그것은 붕괴 자계에 응답하여 전류를 생성하고,이 전류가 원래의 값 (I)에서 감소하기 때문에, 전압은 크기 Ldi / dt (이전의 반대 극성)로 생성된다.

7. 이 방식은 반대 극성이 있더라도 자기장이 완전히 소산 될 때까지 에너지가 커패시터로 다시 전달 될 때까지 계속되고 전체 작동이 다시 시작되지만 이번에는 커패시터가 회로 주변의 전류를 이전과 반대 방향으로 강제합니다.

8. 위는 전류 파형의 양의 반주기를 나타내며 7 단계는 음의 반주기의 시작입니다. 하나의 완전한 방전-충전 파형은 사인파의 한주기입니다. L 및 C 구성 요소가 완벽하거나 '이상적인'경우 에너지 손실이 없으며 전압 및 전류 정현파는 계속 무한대입니다.

그래서 자기장이 에너지를 저장하는 능력이 있다는 것이 분명하다고 생각합니다. 그러나 에너지 누출의 기회와 메커니즘이 다양하기 때문에 커패시터만큼 장기 저장이 가능하지 않습니다. 초기 컴퓨터 메모리는 페라이트 토 로이드 코어 (비트 당 하나의 토 로이드 !!) 주위에 감겨 진 인덕터로 만들어졌지만, 저장된 데이터를 유지하기 위해 전자적으로 새로 고쳐야했습니다.

이런 식으로 시각화 할 수 있습니다. 인덕터는 도체가 자기 코어 또는 공기만을 뒤집도록 만들어집니다. 유전체 물질이 도체 판 사이에 끼워지는 커패시터와 달리. 모든 원자는 전류 운반 루프 역할을합니다. 전자가 원형 경로로 회전하기 때문입니다. 이것은 물질 내부의 자기 쌍극자 (원자)를 일으킨다. 처음에는 모든 자기 쌍극자가 물질 내부에서 무작위로 향하여 자기장 선의 결과 방향이 null이됩니다. 전자의 흐름으로 인해 전류가 흐릅니다. 인덕터로 구성된 회로에는 인덕터를 통과하는 특정 전류 흐름 (또는 전자 흐름) 방향이 있습니다. 이와 같이,이 전류는 자기 쌍극자를 특정 방향으로 정렬 시키려고한다.

자기 쌍극자가 특정 방향으로 정렬되는 것을 꺼리는 것은 전류의 반대를 담당합니다. 반대는 역 기후로 불릴 수 있습니다.

제안 된이 반대는 자료마다 다릅니다. 그러므로 우리는 다른 자기 저항 값이 있습니다. 인덕터는 모든 자기 쌍극자가 플레밍의 오른손 엄지 규칙에 의해 주어진 특정 방향으로 정렬 될 때 포화된다고한다 . 반대 방향은 Lenz의 법칙 (뒤 EMF 방향)에 의해 주어진다.

이 자기 쌍극자는 자기 에너지의 저장에만 책임이 있습니다. 이 인덕터가 전류 공급없이 폐쇄 회로에 연결되어 있다고 가정하십시오. 이제 정렬 된 자기 쌍극자는 전류가 없기 때문에 초기 위치를 유지하려고합니다. 이것은 전류의 흐름을 초래합니다. 인덕터에 저장된 에너지는 이들 쌍극자의 일시적인 정렬에 기인한다고 말할 수있다. 그러나 초기 구성을 달성 할 수없는 자기 쌍극자는 거의 없습니다. 그러므로 우리는 순수한 인덕터가 실제로 존재하지 않는다고 말합니다.

과학자들은 전기장과 자기장이 서로 관련되어 있다는 것을 알고 있습니다 . 이것은 자기 나침반에 대한 실험으로 Oersted에 의해 처음 확인되었습니다. 심지어 과학자들은 자기 축에 대한 스핀 때문에 자기 행동이 개별 전자에 의해 나타난다 고 믿는다.

필드에 대해 전혀 이야기하지 않겠습니다. 대신 전압이 무엇인지 먼저 이야기합시다. 전자는 실제로 서로 가까이있는 것을 좋아하지 않습니다. 전기력은 엄청나게 강하다. 이에 대한 예를 들어 보겠습니다. 1 암페어의 전류가 전선을 통과하면 1 Coloumb의 전하가 1 초 동안 해당 전선을 통과했음을 의미합니다. 전기적으로 고립 된 금속 구체에 1 초가 지난 모든 전자를 저장할 수 있다고 가정 해 봅시다. 그런 다음 1 초 더 기다렸다가 다른 고립 된 금속 구체에 같은 양의 전자를 저장했습니다. 이제 여러분은 한 구에 전자 쿨롱이 있고 다른 구에 전자 쿨롱이 있습니다. 아시다시피, 같은 비난은 서로를 격퇴 할 것입니다. 이 두 구를 1 미터 간격으로 유지하면 쿨롱 반발로 인해 하나의 힘이 다른 하나에 적용될 것이라고 생각합니까? 답은 쿨롱 상수에 있으며 9 x 10 ^ 9 N / (m ^ 2C ^ 2)입니다. 우리는 1m 떨어져 있고 우리는 1 쿨롱을 가지고 있기 때문에 힘은 9 x 10 ^ 9 뉴턴입니다. 이것은 지구의 중력에서 9 x 10 ^ 8 kg을 지원할 것임을 의미합니다. 그것은 매우 큰 건물의 무게입니다. 이것은 과도한 전자가 서로 가까이있는 것을 좋아하지 않음을 보여줍니다. 전압은 과잉 전자가 물체에 추가 될 때 가지고있는 에머리입니다. 전압을 실질적으로 높이기 위해 많은 전자가 필요하지 않습니다. 이는 금속 와이어를 포함한 물체가 초과 전자에 대한 용량이 매우 낮다는 것을 의미합니다. 그러면 커패시터는 무엇입니까? 커패시터는 전자에 대한 높은 용량을 가지므로 배터리가 끝에 커패시터가있는 와이어에 전자를 추가 할 때 전압은 각 전자마다 크게 증가하지 않습니다. 이것은 커패시터가 플레이트를 가지고 있다는 사실이 아닙니다 (크기에 상관없이). 단일 플레이트는 여분의 전자를 위해 매우 낮은 용량을 가지고 있습니다. 커패시터에 대한 비밀은 매우 근접한 OPPOSING 플레이트입니다. 판에서 여분의 전자가 배터리에 의해 전자가 제거 된 대향 판으로 끌어 당겨진다. 이는 초과 전자 당 전체 에너지가 감소하고 단위 전압 증가 당 더 많은 전자에 맞출 수 있음을 의미합니다. 그러므로 힘이 엄청 나기 때문에 캐 피터들은 그들 사이에 공극을 가질 수 없습니다. 플레이트가 서로 접히는 것을 방지하기 위해 그들 사이에 솔리드가 있어야합니다. 이제 인덕터로갑니다. 이것은 미친 것입니다. 자기장과 같은 것은 없습니다. 그것은 단지 쿨롱의 매력입니다. 그러나이 쿨롱 어트랙션은이 경우 currect가 흐를 때만 발생합니다. 어떻게 이런 일이 일어날 수 있습니까? 쿨롱의 힘은 엄청나게 강해서, 우리가 볼 수없는 전자 밀도의 아주 약한 변화에서 그 효과를 볼 수 있습니다. 그리고 지금은 핵심입니다. 실제로 미묘한 변화는 Einstien의 상대성 때문입니다. 전자는 와이어에서 평균 간격을 가지며이 평균 간격은 양전하의 평균 간격과 동일합니다. 전류가 흐르면 평균 간격이 동일하게 유지된다고 생각할 수 있지만 이제 LENGHT CONTRACTION을 고려해야합니다. ouside 관찰자에게는 움직이는 물체가 더 짧아 보일 것이며 이것이 전자 사이의 간격입니다. 와이어 코일을 사용하면 원의 반대편에 전자가 반대 방향으로 흐릅니다. 한쪽은 다른 쪽이 상대성으로 인한 양전하보다 더 큰 전자 밀도를 갖는 것으로 본다. 이는 반대 방향의 전류 방향을 갖는 와이어의 전자 사이에 압력을 생성하고 에너지 (예 : 전압)를 증가시킵니다. 따라서 전압은 일반 와이어보다 훨씬 빠르게 상승합니다. 따라서 사람들은 인덕터를 반대 전류 흐름으로 생각합니다. 그러나 실제로 일어나는 것은 더 큰 전류가 흐르면 전압이 매우 빠르게 증가한다는 것입니다. 모든 교과서는 자성을 수학적으로 취급하고 실제로 실제 입자를 지적하지 않는다는 것을 알았을 것입니다. 음의 전자와 힘은 상대성 때문이며 힘은 가장 확실하게 쿨롱입니다. 이것은 영구적으로 자화 된 재료에서도 마찬가지입니다 (그러나 그것은 또 다른 논의입니다). 필드를 잊어 버리면 세상을 이해하고 싶지 않은 사람들을위한 수학적 구조입니다.

이 모든 답변은 훌륭하지만 명심해야 할 핵심 요점 인 back emf에 대한 질문에 답변하는 것입니다.

1. B 필드를 변경하면 E 필드가 유도됩니다.

2. E는 다음을 통해 ε (emf)와 관련됩니다. ε = W / q-> W = ∮F⋅ds-> W / q = -∮ (F / q) ⋅ds-> E = F / q-> W / q = -∮E⋅ds (여기서 s는 운동 방향의 무한 거리)

따라서 변화하는 자기장이있을 때 유도 된 전자기장이 있으므로 유도 된 전압 (emf)이 있습니다.

3. ε = -∮ (E_ind) ⋅ds = -∂ (Φ_B) / ∂t =-(d / dt) (∫Β⋅dA) 여기서는 B 필드가 바뀌므로 다음과 같습니다. =-(∂Β / ∂t )ㅏ

정전압 소스 (예 : 배터리)에 반대하는 이유는 단순히 F (E에 비례)가 B 및 I을 수직으로 가리 키기 때문입니다.

4. F = Ids × B. (현재 시간 ds, I 방향으로 무한한 와이어 조각 — 전류는 와이어를 통해서만 흐를 수 있음)

(오른손 법칙)

이 힘은 전류를 F 방향으로 전하에 속도 성분을 추가합니다.이 새로운 속도 성분은 이제 새로운 성분과 B 필드와 상호 직교하는 힘 성분을 생성합니다. 전류, 또는 원래 공급 된 전압과 반대되는 이유를 "back emf"라고합니다.

충전을 느리게하는 것이 바로이 EMF입니다 (차단하지는 않음).