Was passiert mit einem Induktor, wenn die gespeicherte Energie keinen Weg zur Entladung findet?

Angenommen, ein Induktor ist mit einer Quelle verbunden und die Quelle wird dann getrennt. Der Induktor hat Energie, die in Form eines Magnetfelds gespeichert ist. Aber es gibt keinen Weg/Weg, diese Energie zu entladen?

Kurze Antwort: Es wird einen Weg finden, diese Energie zu entladen.

Längere Antwort:

Nehmen wir diesen einfachen Stromkreis bestehend aus einer Batterie (Spannung$V_0$), ein Schalter, ein Widerstand (resistance$R$) und eine Induktivität (Induktivität$L$).

_{(Bild aus Build Electronic Circuits - Was ist ein Induktor? , leicht modifiziert von mir)}

Nach dem Schließen des Schalters stellt sich bald ein stationärer Zustand mit Strom ein$I=\frac{V_0}{R}$fließt. Die im Induktor gespeicherte magnetische Energie ist$E=\frac{1}{2}LI^2$.

Beim Öffnen des Schalters unterbrechen Sie offensichtlich den Strom$I$plötzlich. Die Differentialgleichung zwischen Spannung$V_L$und aktuell$I$durch die Induktivität ist

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

_{(Bild aus Build Electronic Circuits - Was ist ein Induktor? , leicht modifiziert von mir)}

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

Für einige Millisekunden fließt der Strom weiter über den bereits geöffneten Schalter und durch die ionisierte Luft des Funkens. Die in der Spule gespeicherte Energie wird in diesem Funken dissipiert.

Zusammenfassung: Eine Induktivität „will“ nicht, dass der Strom unterbrochen wird, und induziert daher eine Spannung, die hoch genug ist, um den Strom fortzusetzen.

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

Es hängt davon ab, ob.

Sie können eine ideale Spule 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 echter Induktor hat seinen Spulenwiderstand, eine Kapazität zwischen Spulen und eine Isolierung zwischen Spulen, die einen großen, aber ziemlich nichtlinearen Widerstand hat (und einige weitere Dinge, die ihn nicht ideal machen, wie parasitäre induktive und kapazitive Kopplungen zu anderen Objekten in der Umgebung).

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

1. Der Induktor wird mit seiner parasitären Kapazität schwingen. Die parasitären Widerstände (und andere Faktoren, wie Funkemission) lassen die Schwingung ziemlich schnell abklingen.

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

Der erste Punkt tritt immer auf - egal, ob Sie ein leitendes Objekt als Induktor betrachten oder nicht. Wenn Sie das Pech haben, eine Schaltinduktivität um einige Funkkommunikationsgeräte herum zu haben, die eine Frequenz nahe der parasitären Schwingung der Induktivität verwenden, können Sie eine Störung bekommen.

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

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

In diesem Fall bildet es einen eigenen Stromkreis mit einem eigenen Pfad zur Erde. Oft geschieht dies durch dielektrischen Durchbruch am Schalter selbst, aber die Details sind höchst unvorhersehbar und hängen sehr stark von den Umgebungsbedingungen ab. Der Ausfall kann also an anderer Stelle erfolgen.

Ein Induktor hat eine Spannung, die proportional zur Änderungsrate seines Stroms ist. Eine beliebig hohe Stromänderungsgeschwindigkeit erzeugt eine beliebig hohe Spannung. Diese Hochspannung kann die Isolierung überwinden und einen gefährlichen Weg zur Erde schaffen, wo keiner sein 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. Aber es ist nicht immer möglich, dass eine Spule Funken erzeugt. Es ist klar, wenn wir das Experiment ausprobieren.

Was passiert also mit der magnetischen Energie, wenn keine Funken entstehen?

Erstens würde das plötzliche Abschalten ein Potential schaffen. Unterschied zwischen den Enden der Spule. Das bedeutet, dass die negativen Ladungen im Draht jetzt an einem Ende und positive Ladungen am anderen Ende sind. Dies ist keine Gleichgewichtskonfiguration , und da sich die Elektronen im Metall frei bewegen können, verteilen sich die Ladungen im Draht neu und heben die Potentialdifferenz auf. Jetzt speichert die Spule keine Energie.

Wo ist also die Energie geblieben? Ein Teil davon geht als thermische Bewegung während der Umverteilung von Ladungen vonstatten. Dies wäre im Falle eines idealen Induktors ohne Widerstand vernachlässigbar. (nur Verluste durch Entropie wären vorhanden)

Außerdem senden die Elektronen jetzt, wenn sie sich neu verteilen, einen Strom, der wieder ein Magnetfeld erzeugt. Wie es klar wäre, oszillieren jetzt Ladungen innerhalb des Induktors. 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. Potentialunterschiede entstehen und der Induktor kann als entladen bezeichnet werden

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

Die Tatsache, dass sich der Stromfluss in einem Induktor nicht augenblicklich ändern kann, ist Teil der grundlegenden Definition dessen, was es ist. WENN es unendliche Spannung braucht, um dies zu erfüllen, soll es so sein.

In der Praxis stehen genügend Nicht-Idealitäten zur Verfügung, um „Dinge zu ordnen“.
Der Bereich des letzten Rückgriffs wird von fraxinus erwähnt - Energiespeicherung in Streu- oder Wicklungskapazität. Sogar ein idealer Induktor hat Kapazitäten, die ihm zugeordnet sind, und Sie werden sehen, dass 1/2.Li^2 Energie in 1/2.CV^2 Energie umverteilt wird. Wenn es wenig oder keinen Widerstand gibt, sehen Sie Schwingungen, da Energie länger als ein Resonanzzyklus abgeführt wird - in Form von elektromagnetischer Strahlung, wenn es keine andere Möglichkeit gibt.

In realen Situationen sehen Sie normalerweise einige oder alle Funken, Isolationsbruch, ohmsche Dissipation, elektromagnetische Strahlung und Resonanz.

Wo es die Schaltungstopographie zulässt, ist es üblich, eine Diode über den Induktor hinzuzufügen, damit der Strom „zirkulieren“ und Energie im Wicklungswiderstand abführen kann. Eine schnellere Ableitung wird häufig durch Hinzufügen eines Widerstands in Reihe mit der Diode erreicht - die Anfangsspannung über dem Widerstand ist V = IR und Sie erhalten sofort abklingende I ^ 2R-Verluste. Andere Dissipationsmittel umfassen eine Zenerdiode (ähnlich dem Hinzufügen eines Widerstands), eine Reihen-RC-„Snubber“-Schaltung (die eine resistive Dissipation von AC, aber keinen DC-Pfad ermöglicht) oder eine Energierückführung zu einer Stromversorgungsschiene.

Der Induktor wird ein aktiver 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. nur mit einem Widerstand), fungiert es vorübergehend als Stromquelle, dh der erste Strom, der durch den Stromkreis fließt, ist derselbe wie der, der zuletzt durch ihn geflossen ist (um ihn aufrechtzuerhalten der Fluss)

Ein Induktor enthält einen Magnetkreis. Die Änderung des magnetischen Flusses durch sie induziert eine Spannung in den Spulen, die sich, wenn sie sich zu einem Strom entwickeln kann, aufbaut, bis der erzeugte Strom die Flussänderung kompensiert. Das Trennen des Stromkreises blockiert diesen Vorgang. Ohne die regelmäßige Freisetzung der magnetischen Energie durch die Spulen fungiert 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 usw. Anstatt also die Energie durch die elektrischen Verbindungen abzuleiten, wird sie als elektromagnetische Strahlung abgestrahlt.

Wo ist also das Problem? Das Problem ist, dass das elektrische Feld um einen Induktor viel weniger effizient darin ist, große Energiemengen aufzunehmen als das magnetische Feld. Das bedeutet, dass sich bei der Umwandlung der Energie von magnetisch in elektrisch enorme Spannungen an den Spulen summieren, denen die Spulen im Allgemeinen nicht ohne Lichtbogen standhalten können und die der Rest des Stromkreises nicht gerne aushält bewältigen.

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 entwickelt wurde (elektromagnetische Strahlung), und dies tut es, während es monströse Spannungen erzeugt.

Die Spannungen sind nicht unendlich: Sie steigen nur so weit an, dass die im Magnetfeld einer Spule gespeicherte Energie zwischenzeitlich in die Energie eines elektrischen Feldes umgewandelt wird. Aber ein Induktor ist schlecht darin, einem elektrischen Feld Energie anzuvertrauen: Er würde sie lieber elektrisch abgeben. Dieses elektrische Feld wird also weit über das hinausgehen, was der Induktor im normalen Betrieb verarbeiten soll. Was wird passieren?

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

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

Wenn sich die Spule in einem perfekten Vakuum befindet, kann die uninduzierte Spannung so hoch werden, dass "kalte" Elektronenemissionen der metallischen Enden der Spule einen Lichtbogen zur Entladung erzeugen.

Ein gutes Beispiel für die gespeicherte Energie eines Induktors, der zur Erzeugung einer nutzbaren Spannung verwendet wird, ist die Zündspule in Benzinmotoren. Wenn die Punkte öffnen, wird der Strom im primären CCT. der Zündspule bricht der magnetische Fluss schnell zusammen, wenn die magnetische Energie in der intrinsischen Kapazität der Primärwicklung in elektrische Feldenergie umgewandelt wird. Um zu verhindern, dass der schnelle Anstieg der Spannung an den Punkten einen Funken erzeugt, wird eine Kapazität zwischen den Punkten hinzugefügt. Diese Kapazität wird gewählt, um die natürliche Sinusresonanz in der Spule auf eine solche Frequenz zu reduzieren, dass die Rate des Spannungsaufbaus über der Spule ausreichend langsam ansteigt, damit sich die Punkte weit genug öffnen können, um eine Lichtbogenbildung zu verhindern. Auch die Wahl der Kapazität begrenzt die Spitze der Sinuskurve auf ca. 400 Volt. Die Sekundärwicklung der Spule hat etwa 60 mal mehr Windungen als die Primärwicklung. Der sinusförmige Fluss in der Primärseite wird von der Sekundärseite geteilt, sodass an der Sekundärseite das 60-fache der Primärspannung entwickelt wird, was 24.000 Volt entspricht. Das Ergebnis ist eine gedämpfte oszillierende Wellenform im Bereich von mehreren 10 Kilohertz. Sobald sich an der Zündkerze ein Lichtbogen gebildet hat, wird die gesamte Energie in den Funken abgegeben.