¿Qué le ocurre a un inductor si la energía almacenada no encuentra una vía de descarga?

Question

Supongamos que se conecta un inductor a una fuente y luego se desconecta la fuente. El inductor tendrá energía almacenada en forma de campo magnético. ¿Pero no hay forma/camino a tierra para descargar esta energía? ¿Qué ocurrirá con la energía almacenada, la corriente y la tensión del inductor en este caso?

Answer 1

Supongamos que se conecta un inductor a una fuente y luego se desconecta la fuente. El inductor tendrá energía almacenada en forma de campo magnético. ¿Pero no hay forma/camino para descargar esta energía?

Respuesta corta: Es se encontrar una forma/camino para descargar esta energía.

Respuesta más larga:

Tengamos este sencillo circuito eléctrico compuesto por una pila (tensión $V_0$ ), un interruptor, una resistencia (resistencia $R$ ), y un inductor (inductancia $L$ ).

_{(imagen de <a href="https://www.build-electronic-circuits.com/what-is-an-inductor/" rel="noreferrer">construir circuitos electrónicos - ¿Qué es un inductor? </a>, ligeramente modificado por mí)}

Después de cerrar el interruptor, pronto habrá un estado estable, con una corriente $I=\frac{V_0}{R}$ que fluye. La energía magnética almacenada en el inductor es $E=\frac{1}{2}LI^2$ .

Al abrir el interruptor obviamente se interrumpe la corriente $I$ de repente. La ecuación diferencial entre la tensión $V_L$ y actual $I$ a través del inductor es $$V_L=L\frac{dI}{dt}$$ o para un paso de tiempo finito $$V_L=L\frac{\Delta I}{\Delta t}.$$ Ahora, en nuestro caso $I$ cambios de $\frac{V_0}{R}$ a $0$ , y por lo tanto $\Delta I=-\frac{V_0}{R}$ . Y para un interruptor ideal es $\Delta t=0$ . Así que esperamos que el inductor produzca una tensión $$V_L=L\frac{\Delta I}{\Delta t}=-L\frac{V_0/R}{0}=-\infty.$$ ¿Puede ser esto correcto? Bueno, casi.

Cuando la tensión a través del interruptor de apertura alcanza varios 1000 voltios, el aire entre los contactos del interruptor se ioniza y se convierte en un conductor eléctrico. Según " _Avería eléctrica - Gases_ " el aire comienza a descomponerse a 3000 V/mm. Realmente se verá y escuchará una chispa en el interruptor.

_{(imagen de <a href="https://www.build-electronic-circuits.com/what-is-an-inductor/" rel="noreferrer">construir circuitos electrónicos - ¿Qué es un inductor? </a>, ligeramente modificado por mí)}

¿Qué ocurrirá con la energía almacenada, la corriente y la tensión del inductor en este caso?

Durante algunos milisegundos la corriente sigue fluyendo a través del interruptor ya abierto, pasando por el aire ionizado de la chispa. La energía almacenada en el inductor se disipa en esta chispa.

Resumen: Un inductor no "quiere" que la corriente se interrumpa y por lo tanto induce una tensión lo suficientemente alta como para que la corriente continúe.

Nota al margen: En muchas aplicaciones de ingeniería eléctrica este tipo de chispa inductiva es una característica altamente indeseable. Se puede evitar añadiendo un diodo flyback al circuito. Sin embargo, en algunas aplicaciones (como el encendido eléctrico en motores de gasolina) la chispa inductiva es la característica deseada.

Answer 2

Depende.

No se puede desconectar un inductor ideal de una fuente de tensión ideal con un interruptor ideal. Estas cosas ideales romperán tus cálculos y obtendrás una tensión infinita en la desconexión.

Un inductor real tiene su resistencia de bobina, una capacitancia entre bobinas y un aislamiento entre bobinas que tiene una resistencia estupenda, pero bastante no lineal (y algunas cosas más que lo hacen no ideal, como la indcencia parásita y los acoplamientos capacitivos a otros objetos alrededor).

Si consigues apagarlo sin mucha chispa, hará una de estas dos cosas (o ambas):

1. El inductor oscilará con su capacitancia parásita. Las resistencias parásitas (y otros factores, como la emisión de radio) decaerán la oscilación con bastante rapidez.

2. La tensión sobre el inductor aumentará hasta un valor elevado, determinado por sus capacitancias parásitas. Si la tensión es lo suficientemente alta, el aislamiento entre las bobinas se romperá y la oscilación decaerá mucho más rápido. En este punto, se puede considerar que la mayoría de los inductores están rotos.

El primer punto ocurre siempre - no importa si se considera algún objeto conductor como inductor, o no. Si tienes la mala suerte de tener alguna inductancia de conmutación alrededor de algún equipo de radiocomunicación que utilice una frecuencia cercana a la oscilación parásita del inductor, puedes obtener una interferencia.

La segunda ocurre a veces. Es un modo de fallo común para un relé o bobinas de motor.

Answer 3

¿Pero no hay forma/camino para descargar esta energía? ¿Qué pasará con la energía almacenada, la corriente y la tensión del inductor en este caso?

En ese caso hace su propio circuito con su propio camino a tierra. A menudo, se produce una ruptura dieléctrica en el propio interruptor, pero los detalles son muy imprevisibles y dependen en gran medida de las condiciones ambientales. Así que la ruptura puede producirse en otro lugar.

Un inductor tiene un voltaje que es proporcional a la tasa de cambio de su corriente. Una tasa de cambio de corriente arbitrariamente alta produce una tensión arbitrariamente alta. Ese alto voltaje puede superar el aislamiento y crear una ruta peligrosa a tierra donde no debería haberla. Los disyuntores que están diseñados para operar con altas corrientes y cargas inductivas necesitan ser diseñados muy cuidadosamente.

Answer 4

Normalmente, esta energía adicional crea una chispa debido a la elevada contrafase producida. Pero no siempre es posible que una bobina cree chispas. Está claro si probamos el experimento.

Entonces, ¿qué ocurre con la energía magnética si no se generan chispas?

En primer lugar, La desconexión repentina crearía una diferencia de potencial entre los extremos de la bobina. Esto significa que las cargas negativas del cable están ahora en un extremo y las positivas en el otro. Esta no es una configuración de equilibrio y entonces, como los electrones del metal son libres de moverse, las cargas se redistribuyen en el hilo, anulando la diferencia de potencial. Ahora la bobina no almacena energía.

Entonces, ¿a dónde fue a parar la energía? Parte de ella va como movimiento térmico durante la redistribución de las cargas. Esto sería insignificante en el caso de un Inductor Ideal sin resistencia. (sólo las pérdidas debidas a la entropía estarían presentes)

Además, ahora que los electrones se redistribuyen, envían una corriente que vuelve a producir un campo magnético. Como es evidente, las cargas dentro del inductor están ahora oscilando. como hay un campo eléctrico y magnético que varía, una parte de la energía sale en forma de ondas electromagnéticas. Cuando toda la energía inicial almacenada se convierte en radiación, ya no se crean diferencias de potencial y el inductor puede considerarse descargado.

Answer 5

Un punto importante al que se han referido otros, pero que quizás no sea lo suficientemente claro, es (citando a Scotty) "Y' canna break the laws of Physics".
Puedes hacer que todo sea ideal -hilo semiconductor, interruptor perfecto de acción instantánea, aislamiento infinito- y las "reglas" básicas que rigen un inductor siguen aplicándose.

El hecho de que el flujo de corriente no pueda cambiar instantáneamente en un inductor es parte de la definición fundamental de lo que es. Si hace falta una tensión infinita para que esto se cumpla, que así sea.

En la práctica, hay suficientes no-idealidades disponibles para "arreglar las cosas".
El área de recurso final es mencionada por fraxinus - el almacenamiento de energía en la capacitancia perdida o entre bobinas. Incluso un inductor ideal tiene capacitancias asociadas y verás que 1/2.L.i^2 de energía se redistribuye en 1/2.C.V^2 de energía. Si la resistencia es escasa o nula, se producirán oscilaciones, ya que la energía se disipa durante más tiempo que un ciclo de resonancia, en forma de radiación electromagnética si no existe otro medio.

En situaciones del mundo real, normalmente se verán algunas o todas las chispas, la ruptura del aislamiento, la disipación resistiva, la radiación electromagnética y la resonancia.

Cuando la topografía del circuito lo permite, es habitual añadir un diodo a través del inductor para permitir que la corriente "circule" y disipe energía en la resistencia del bobinado. A menudo se consigue una disipación más rápida añadiendo una resistencia en serie con el diodo: la tensión inicial a través de la resistencia es V=IR e inmediatamente se obtienen pérdidas I^2R decrecientes. Otros medios de disipación incluyen un diodo zener (similar a la adición de una resistencia, un circuito RC "snubber" en serie (que permite la disipación resistiva de la CA, pero no el camino de la CC) o el retorno de energía a un carril de alimentación.