Wie speichert ein Induktor magnetische Energie?

Die Energie wird im Magnetfeld gespeichert. Ich stelle es mir normalerweise als "Abstoßung von Magnetfeldlinien" vor, aber das ist nicht sehr genau (allerdings nützlich für die Intuition).

Aber ähnlich wie bei Ihrem Kondensatorbeispiel (das Bewegen der Platten ins Unendliche erfordert Arbeit), wenn Sie sich eine einfache Stromschleife ansehen, wirkt das erzeugte Magnetfeld auf die Drähte eine Kraft. Diese Kraft ist abstoßend: Die Schleife möchte größer werden. Wenn Sie die Schleife langsam "wachsen" lassen könnten, könnten Sie auf diese Weise arbeiten. Und die verrichtete Arbeit ist wieder gleich der gespeicherten Energie. Genau wie bei Kondensatoren.

Ich habe mich bewusst von Gleichungen ferngehalten - in der Hoffnung, dass dieses verbale Bild Ihrem Verständnis hilft.

Wie speichert ein Induktor [elektro]magnetische Energie?

Überraschenderweise ist es so etwas wie ein Schwungrad. Sie können eine Erwähnung davon hier im Elektronikkurs von Daniel Reynolds sehen:

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Es ist wirklich so, sehen Sie sich die Bilder von Induktoren auf Wikipedia an , und Sie werden feststellen, dass sie eher wie ein Solenoid sind. Und da ist noch einmal das Schwungrad: „Als Ergebnis widersetzen sich Induktoren immer einer Stromänderung, genauso wie ein Schwungrad einer Änderung der Drehgeschwindigkeit entgegenwirkt“ . Warum ist ein Induktor wie ein Solenoid? Weil ein Solenoid wie ein Stabmagnet ist, und ein Stabmagnet ein Magnet ist, weil alle Elektronenspins ausgerichtet sind.

Stellen Sie sich diese Spins nicht als etwas Abstraktes vor, da steckt ein echter Drehimpuls drin, wie der Einstein-de-Haas-Effekt zeigt . Dies "zeigt, dass der Drehimpuls des Spins tatsächlich von der gleichen Natur ist wie der Drehimpuls rotierender Körper, wie er in der klassischen Mechanik verstanden wird". Der Punkt, den man anerkennen muss, ist, dass sich Elektronen rotierend bewegen, was man also im Wesentlichen hat, ist eine ganze Ladung subatomarer Schwungräder. Und wie Sie wissen, sind Schwungräder nicht immer leicht zu stoppen. Daher wurden Menschen getötet, als sie den Schalter an einem "hochinduktiven Stromkreis" geöffnet haben, siehe diese Frage . Und das wiederum geschieht aufgrund der „Schrauben“-Natur des Elektromagnetismus, wie Maxwell sagte "Eine Translationsbewegung entlang einer Achse kann keine Rotation um diese Achse erzeugen, es sei denn, sie trifft auf einen speziellen Mechanismus wie den einer Schraube". Der Strom ist die Translationsbewegung, das Schwungrad ist die Rotation, und Sie können es nicht stoppen, indem Sie einfach den Schalter öffnen. Das Schwungrad wird weiterlaufen, und der Strom auch.

Wenn Sie den Induktor von der Batterie trennen, wird die Energie freigesetzt, da der Induktor seine eigene elektromotorische Kraft erzeugt. Denken Sie an eine Kfz-Zündkerze.

Ein Magnetfeld umgibt Bereiche des Stromflusses, zB eine Drahtspule. Das Feld wird dazu neigen, sich selbst zu erhalten, indem es in einem Bereich mit bereits vorhandenem Strom, aber zunehmendem Widerstand Spannung erzeugt. Das Schieben eines Stroms durch einen Widerstand erfordert jedoch Strom,$I^2R$, wodurch das Feld erschöpft wird.

Die Spannung über der Induktivität nimmt exponentiell auf Null ab, aber es gibt immer noch einen Strom, also ein Magnetfeld, also magnetische Energie!

Die magnetische Energie in einem Induktor ist gleich der potenziellen Energie, die von den Elektronen verloren geht, die ihn durchlaufen haben, bevor der Widerstand auf Null ging.

Die Energie in einem Induktor wird in dem Magnetfeld gespeichert, das durch den durch den Induktor fließenden Strom erzeugt wird.
In Bezug darauf, wie die Energie dorthin gelangt, müssen Sie sich vorstellen, dass zu Beginn kein Strom durch die Induktivität fließt und dann eine Spannungsquelle an die Induktivität angelegt wird.
Dies führt dazu, dass der Strom durch den Induktor zunimmt, was eine Gegen-EMK erzeugt.$\mathcal E_{\rm back}= L \frac {dI}{dt}$, (Faraday), die sich der Stromveränderung (Lenz) widersetzt.
Um den Strom zu erhöhen, muss die Spannungsquelle also Arbeit gegen die Gegen-EMK leisten, und diese Arbeit manifestiert sich als im Magnetfeld gespeicherte Energie.

Die in der Spule gespeicherte Energie ist$\frac 12 LI^2$was mit der in einem Kondensator gespeicherten Energie zu vergleichen ist$\frac 12 CV^2$wo die Arbeit von einer Spannungsquelle verrichtet wird, die Ladung zu den Platten des Kondensators hinzufügt und in diesem Fall gleiche Ladungen näher zusammenbringt.

Die pro Volumeneinheit in einem Magnetfeld gespeicherte Energie$B$Ist$\frac {B^2}{2\mu_0}$und um die Äquivalenz der beiden Energiegleichungen zu zeigen, betrachten Sie einen "idealen" Induktor in Form eines Solenoids von$N$Windungen der Länge$l$und Querschnittsfläche$A$der eine Induktivität hat$L = \frac {\mu_0N^2A}{l}$.
Das Magnetfeld aufgrund eines Stroms$I$durch eine solche Induktivität in Form einer Magnetspule hindurchgeführt wird$B= \frac {\mu_0NI}{l}$

Also die gespeicherte Energie$\frac 12 L I^2 =\dfrac 12 \, \dfrac {\mu_0N^2A}{l}\,I^2 = \dfrac{\left (\frac {\mu_0NI}{l} \right)^2}{2 \mu_0}\, Al = \dfrac {B^2}{2\mu_0} \, Al.$

Nur weil Magnetfelder bei Ladungen keine Arbeit leisten, heißt das nicht, dass sie überhaupt keine Arbeit leisten. Es arbeitet an einem magnetischen Dipol.

Unter Verwendung eines magnetischen Dipols können wir eine magnetische potentielle Energie aus der Kraftgleichung auf einen magnetischen "Test"-Dipol (ähnlich der Testladung, die wir in der Elektrostatik genommen haben) aufgrund des Magnetfelds des Induktors und einer Differenz in der magnetischen potentiellen Energie definieren zwischen den Enden des so entnommenen Induktors ist die von der Batterie gelieferte Energie.

Ich hoffe, Sie können eine Analogie zum Kondensatorgehäuse ziehen, bei dem die Platten für die Erzeugung von Potentialunterschieden verantwortlich sind und die Energie im elektrischen Feld anstelle eines magnetischen Felds gespeichert wird.