Angenommen, ein Induktor ist an eine Quelle angeschlossen und dann wird die Quelle getrennt. In der Induktivität wird Energie in Form eines Magnetfelds gespeichert. Aber es gibt keinen Weg, diese Energie zu entladen?

Kurze Antwort: Es findet will einen Weg, diese Energie zu entladen.

Längere Antwort:

Lassen Sie uns diesen einfachen Stromkreis aus einer Batterie bestehen (Spannung $ V_0 $ span>), einen Schalter, einen Widerstand (Widerstand $ R $ span>) und einen Induktor (Induktivität $ L $ span>).

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Nach dem Schließen des Schalters wird es bald einen stationären Zustand geben. mit einem aktuellen $ I = \ frac {V_0} {R} $ span> fließt. Die im Induktor gespeicherte magnetische Energie ist $ E = \ frac {1} {2} LI ^ 2 $ span>.

Beim Öffnen des Schalters unterbrechen Sie offensichtlich plötzlich den aktuellen $ I $ span>. Die Differentialgleichung zwischen der Spannung $ V_L $ span> und dem Strom $ I $ span> durch den Induktor lautet $$ V_L = L \ frac {dI} {dt} $$ span> oder für einen endlichen Zeitschritt $$ V_L = L \ frac {\ Delta I} {\ Delta t}. $$ span> In unserem Fall ändert sich $ I $ span> von $ \ frac {V_0} {R} $ span> zu $ 0 $ span>, und daher $ \ Delta I = - \ frac {V_0} {R} $ span>. Und für einen idealen Schalter ist es $ \ Delta t = 0 $ span>. Wir erwarten also, dass der Induktor eine Spannung erzeugt $$ V_L = L \ frac {\ Delta I} {\ Delta t} = - L \ frac {V_0 / R} {0} = - \ infty. $$ span > Kann das richtig sein? Naja fast.

Wenn die Spannung am Öffnungsschalter mehrere 1000 Volt erreicht, Die Luft zwischen den Kontakten des Schalters wird ionisiert und wird ein elektrischer Leiter. Gemäß " Elektrischer Durchschlag - Gase " Luft beginnt bei 3000 V / mm zusammenzubrechen. Sie werden tatsächlich einen Funken im Schalter sehen und hören.

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Was passiert in diesem Fall mit der gespeicherten Energie, dem Strom und der Spannung des Induktors?

Für einige Millisekunden fließt der Strom weiter über den bereits geöffneten Schalter. durch die ionisierte Luft des Funkens gehen. Die im Induktor gespeicherte Energie wird in diesem Funken abgeführt

Zusammenfassung: Ein Induktor "möchte" nicht, dass der Strom unterbrochen wird und induziert daher eine Spannung, die hoch genug ist, um den Strom fortzusetzen.

Randnotiz: In vielen elektrotechnischen Anwendungen Diese Art von induktivem Funken ist ein höchst unerwünschtes Merkmal. Dies kann vermieden werden, indem der Schaltung eine Flyback-Diode hinzugefügt wird. In einigen Anwendungen (wie der elektrischen Zündung) bei Benzinmotoren) ist der induktive Funke das gewünschte Merkmal.

Es kommt darauf an.

Sie können einen idealen Induktor nicht mit einem idealen Schalter von einer idealen Spannungsquelle trennen. Diese idealen Dinge brechen Ihre Berechnungen und Sie erhalten eine unendliche Spannung beim Trennen.

Ein realer Induktor hat seinen Spulenwiderstand, eine Kapazität zwischen den Spulen und eine Isolierung zwischen den Spulen, die einen großen, aber ziemlich nichtlinearen Widerstand aufweist (und einige weitere Dinge, die ihn nicht ideal machen, wie parasitäre induktive und kapazitive Kopplungen mit anderen Objekten in der Umgebung ).

Wenn Sie es schaffen, es ohne großen Funken auszuschalten, wird es eines dieser beiden Dinge (oder beides) tun:

1. Der Induktor schwankt mit seiner parasitären Kapazität. Die parasitären Widerstände (und andere Faktoren wie die Funkemission) werden die Schwingung ziemlich schnell abbauen.

2. Die Spannung über dem Induktor steigt auf einen hohen Wert an, der durch seine parasitären Kapazitäten bestimmt wird. Wenn die Spannung hoch genug ist, bricht die Isolation zwischen den Spulen und die Schwingung nimmt viel schneller ab. An diesem Punkt können Sie die meisten Induktoren als defekt betrachten.

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Der erste Punkt passiert immer - egal ob Sie ein leitendes Objekt als Induktor betrachten oder nicht. Wenn Sie das Pech haben, eine Schaltinduktivität um ein Funkkommunikationsgerät mit einer Frequenz in der Nähe der parasitären Schwingung des Induktors zu haben, kann dies zu Störungen führen.

Der zweite passiert manchmal. Dies ist ein häufiger Fehlermodus für Relais oder Motorspulen.

Aber es gibt keinen Weg, diese Energie zu entladen?Was passiert in diesem Fall mit der gespeicherten Energie, dem Strom und der Spannung des Induktors?

In diesem Fall erstellt es eine eigene Schaltung mit einem eigenen Erdungspfad.Dies geschieht häufig durch einen dielektrischen Durchschlag am Schalter selbst, aber die Details sind höchst unvorhersehbar und hängen sehr stark von den Umgebungsbedingungen ab.Der Zusammenbruch kann also anderswo auftreten.

Ein Induktor hat eine Spannung, die proportional zur Änderungsrate seines Stroms ist.Eine beliebig hohe Änderungsrate des Stroms erzeugt eine beliebig hohe Spannung.Diese Hochspannung kann die Isolierung überwinden und einen gefährlichen Weg zur Erde schaffen, wo es keinen geben sollte.Leistungsschalter, die für den Betrieb mit hohen Strömen und induktiven Lasten ausgelegt sind, müssen sehr sorgfältig ausgelegt werden.

Normalerweise erzeugt diese zusätzliche Energie aufgrund der erzeugten hohen Gegen-EMK einen Funken. Es ist jedoch nicht immer möglich, dass eine Spule Funken erzeugt. Es ist klar, wenn wir das Experiment ausprobieren.

So was passiert mit der magnetischen Energie, wenn keine Funken erzeugt werden?

erstens Das plötzliche Ausschalten würde ein Potenzial erzeugen. Unterschied zwischen den Enden der Spule. Dies bedeutet, dass sich die negativen Ladungen im Draht jetzt an einem Ende und die positiven Ladungen am anderen Ende befinden. Dies ist keine Gleichgewichtskonfiguration, und dann , da sich die Elektronen im Metall frei bewegen können, verteilen sich die Ladungen im Draht neu, wodurch die Potentialdifferenz aufgehoben wird. Jetzt speichert die Spule keine Energie.

So wohin ging die Energie? Ein Teil davon geht als thermische Bewegung während der Umverteilung von Ladungen. Dies wäre bei einem idealen Induktor ohne Widerstand vernachlässigbar. (nur Verluste aufgrund von Entropie wären vorhanden)

Wenn die Elektronen sich jetzt neu verteilen, senden sie einen Strom, der wieder ein Magnetfeld erzeugt. Es ist klar, dass Ladungen innerhalb des Induktors jetzt schwingen. Da es ein variierendes elektrisches und magnetisches Feld gibt, tritt ein Teil der Energie als elektromagnetische Wellen aus. Wenn die gesamte anfänglich gespeicherte Energie in Strahlung umgewandelt wird, nicht mehr. Potentialdifferenzen werden erzeugt und der Induktor kann als entladen

Ein wichtiger Punkt, der von anderen etwas angesprochen wird, aber vielleicht nicht klar genug ist, ist (zitiert Scotty) "Y 'kann die Gesetze der Physik brechen".
Sie können alles ideal machen - Halbleiterdraht, perfekter, sofort wirkender Schalter, unendliche Isolierung - und die grundlegenden "Regeln" für einen Induktor gelten weiterhin.

Die Tatsache, dass sich der Stromfluss in einem Induktor nicht sofort ändern kann, ist Teil der grundlegenden Definition dessen, was er ist. WENN es eine unendliche Spannung braucht, um dies zu erfüllen, dann sei es so.

In der Praxis gibt es genügend Nichtidealitäten, um die Dinge zu regeln.
Der Bereich des endgültigen Rückgriffs wird durch Fraxinus erwähnt - Energiespeicherung in Streu- oder Zwischenwicklungskapazität. Sogar einem idealen Induktor sind Kapazitäten zugeordnet, und Sie werden sehen, dass 1 / 2.L.i ^ 2-Energie in 1 / 2.C.V ^ 2-Energie umverteilt wird. Wenn es wenig oder keinen Widerstand gibt, sehen Sie Schwingungen, da die Energie länger als ein Resonanzzyklus abgeführt wird - in Form von elektromagnetischer Strahlung, wenn keine anderen Mittel vorhanden sind.

In realen Situationen treten normalerweise Funken, Isolationsstörungen, Widerstandsverlust, elektromagnetische Strahlung und Resonanz teilweise oder vollständig auf.

Wenn die Schaltungstopographie dies zulässt, ist es üblich, eine Diode über der Induktivität anzubringen, damit der Strom "zirkulieren" und Energie im Wicklungswiderstand abführen kann. Eine schnellere Verlustleistung wird häufig durch Hinzufügen eines Widerstands in Reihe mit der Diode erreicht. Die Anfangsspannung am Widerstand beträgt V = IR, und Sie erhalten sofort abklingende I ^ 2R-Verluste. Andere Mittel zur Verlustleistung umfassen eine Zenerdiode (ähnlich dem Hinzufügen eines Widerstands, eine Serien-RC- "Snubber" -Schaltung (die eine Widerstandsableitung von Wechselstrom, aber keinen Gleichstrompfad ermöglicht) oder eine Energierückführung zu einer Stromversorgungsschiene

Der Induktor wird zu einem aktiven Induktor.Die Energie ist immer noch darin gespeichert und der Gesamtfluss , den sie erzeugt, bleibt gleich.

Wenn Sie es an einen anderen Stromkreis anschließen (z. B. mit nur einem Widerstand), fungiert es vorübergehend als Stromquelle, dh der erste Strom, der durch den Stromkreis fließt, ist der gleiche wie der, der zuletzt durch ihn geflogen ist(um den Fluss aufrechtzuerhalten) $$ \ Phi = LI $$ span>

Ein Induktor enthält einen Magnetkreis. Das Ändern des Magnetflusses durch ihn induziert eine Spannung in den Spulen, die sich aufbaut, wenn sie sich zu einem Strom entwickeln darf, bis der erzeugte Strom die Flussänderung kompensiert. Das Trennen der Schaltung blockiert diesen Prozess. Ohne die regelmäßige Freisetzung der magnetischen Energie durch die Spulen wirkt der Magnetkreis als Oszillator, der die Energie seines Magnetfelds in ein elektrisches Feld mit der gleichen Energiemenge umwandelt und dieses dann wieder in ein Magnetfeld mit entgegengesetzter Polarität umwandelt und so weiter. Anstatt die Energie durch die elektrischen Verbindungen umzuleiten, wird sie als elektromagnetische Strahlung abgestrahlt.

Wo liegt also das Problem? Das Problem ist, dass das elektrische Feld um einen Induktor viel weniger effizient große Energiemengen enthält als das Magnetfeld. Das bedeutet, dass sich bei der Umwandlung der Energie von magnetisch in elektrisch an den Spulen enorme Spannungen summieren, denen die Spulen im Allgemeinen nicht standhalten können, ohne Lichtbogenbildung zu verursachen, und dass der Rest des Stromkreises weniger als zufrieden ist beschäftigen sich mit.

Kurz gesagt, die Physik bricht nicht zusammen, aber die Ideale eines idealen Induktors brechen zusammen. Es gibt Energie auf eine Weise ab, für die es nicht ausgelegt ist (elektromagnetische Strahlung) und tut dies, während es monströse Spannungen erzeugt.

Die Spannungen sind nicht unendlich: Sie steigen nur auf das Niveau an, bei dem die im Magnetfeld eines Induktors gespeicherte Energie zwischenzeitlich in die Energie eines elektrischen Feldes umgewandelt wird. Aber ein Induktor ist schlecht darin, Energie einem elektrischen Feld anzuvertrauen: Er würde sie lieber elektrisch abgeben. Damit wird das elektrische Feld weit über das hinausgehen, für das der Induktor im normalen Betrieb ausgelegt ist. Was wird passieren?

Physik statt Elektrotechnik. Setzen Sie eine Flyback-Diode ein und Sie sind wieder im Engineering.

Der Strom fließt zwischen den Endpunkten des Drahtes hin und her, nachdem die Potentialdifferenz beseitigt wurde.Es ist wie eine Welle, die sich auf einer Schnur hin und her bewegt.Dies liegt daran, dass sich alle Elektronen im supraleitenden Bereich als eine Welle (Wellenfunktion) verhalten.Wenn es keinen Wärmeverlust gibt, wird dies fortgesetzt.für immer.In Wirklichkeit wird die elektronenstehende Welle auf der Saite irgendwann gedämpft.Es verhält sich wie eine Antenne und strahlt seine Anfangsenergie als EM-Welle ab.