¿Cómo almacena energía un inductor?

Question

Sé que los condensadores almacenan energía acumulando cargas en sus placas, del mismo modo se dice que un inductor almacena energía en su campo magnético. No puedo entender esta afirmación. No puedo entender cómo un inductor almacena energía en su campo magnético, es decir, no puedo visualizarlo.
En general, cuando los electrones se mueven a través de un inductor, ¿qué les ocurre a los electrones y cómo quedan bloqueados por el campo magnético? ¿Puede alguien explicarme esto conceptualmente?

Y también por favor explique estos:

1. Si los electrones fluyen por el alambre, ¿cómo se convierten en energía en el campo magnético?

2. ¿Cómo se genera el back-EMF?

Answer 1

Es una pregunta más profunda de lo que parece. Incluso los físicos en desacuerdo sobre el significado exacto de almacenar energía en un campo, o incluso sobre si esa es una buena descripción de lo que ocurre. Tampoco ayuda el hecho de que los campos magnéticos sean un efecto relativista y, por tanto, intrínsecamente extraño.

No soy físico del estado sólido, pero intentaré responder a tu pregunta sobre los electrones. Veamos este circuito:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Para empezar, no hay tensión ni corriente a través del inductor. Cuando el interruptor se cierra, empieza a circular corriente. Cuando la corriente fluye, crea un campo magnético. Eso requiere energía, que proviene de los electrones. Hay dos maneras de ver esto:

1. Teoría del circuito: En un inductor, una corriente cambiante crea un voltaje a través del inductor. \$(V = L\frac{di}{dt})\$ . La tensión multiplicada por la corriente es la potencia. Por lo tanto, cambiar la corriente de un inductor requiere energía.

2. Física: Un campo magnético cambiante crea un campo eléctrico. Este campo eléctrico empuja a los electrones hacia atrás, absorbiendo energía en el proceso. Por tanto, acelerar electrones requiere energía, más allá de lo que cabría esperar de la masa inercial del electrón.

Finalmente, la corriente alcanza 1 amperio y se mantiene ahí debido a la resistencia. Con una corriente constante, no hay tensión en el inductor. \$(V = L\frac{di}{dt} = 0)\$ . Con un campo magnético constante, no hay campo eléctrico inducido.

¿Y si reducimos la fuente de tensión a 0 voltios? Los electrones pierden energía en la resistencia y comienzan a disminuir su velocidad. Al hacerlo, el campo magnético comienza a colapsarse. Esto crea de nuevo un campo eléctrico en el inductor, pero esta vez empuja a los electrones para que sigan avanzando, dando les energía. Finalmente, la corriente se detiene cuando desaparece el campo magnético.

¿Y si intentamos abrir el interruptor mientras fluye la corriente? Todos los electrones intentan detenerse instantáneamente. Esto hace que el campo magnético se colapse a la vez, lo que crea un campo eléctrico masivo. A menudo, este campo es lo suficientemente grande como para empujar a los electrones fuera del metal y a través del entrehierro del interruptor, creando una chispa. (La energía es finita, pero la potencia es muy alta).

La FEM de retorno es la tensión creada por el campo eléctrico inducido cuando cambia el campo magnético.

Te preguntarás por qué esto no ocurre en una resistencia o en un cable. La respuesta es que sí: cualquier flujo de corriente produce un campo magnético. Sin embargo, la inductancia de estos componentes es pequeña: una estimación común es de 20 nH/pulgada para las trazas de una placa de circuito impreso, por ejemplo. Esto no se convierte en un gran problema hasta que se entra en el rango de los megahercios, momento en el que se empiezan a utilizar técnicas de diseño especiales para minimizar la inductancia.

Answer 2

Esta es mi forma de visualizar el concepto de inductor y condensador. La forma es visualizar la energía potencial y la energía cinética, y entender la interacción entre estas dos formas de energía.

1. El condensador es análogo a un muelle, y
2. El inductor es análogo a una rueda hidráulica.

Ahora vea las comparaciones. La energía del muelle es \$\frac{1}{2}kx^2\$ mientras que la energía del condensador es \$\frac{1}{2}CV^2\$ . Entonces, capacitancia, \$C\$ es análoga a la constante del muelle, \$k\$ . Tensión de capacitancia, \$V\$ es análogo al desplazamiento de un muelle, \$x\$ . El campo eléctrico a través de la capacitancia es análogo a la fuerza generada a través del muelle. Lo que ocurre es que la energía cinética de los electrones se almacena en el condensador como energía potencial. La diferencia de energía potencial resultante es la tensión, que es una especie de presión en forma de campo eléctrico. Así, el condensador siempre empuja a los electrones hacia atrás debido a su energía potencial.

A continuación, la energía cinética de una rueda hidráulica puede expresarse como \$\frac{1}{2}I\omega^2\$ donde \$I\$ es el momento de inercia y \$\omega\$ es la frecuencia angular. Mientras que la energía almacenada en un inductor es \$\frac{1}{2}Li^2\$ donde \$i\$ es la corriente. Así, la corriente es análoga a la velocidad que es como \$i = \frac{dq}{dt}\$ .

Cuando la corriente circula por un hilo, los electrones en movimiento crean un campo magnético alrededor del hilo. En un alambre recto, el campo magnético generado no afectará a los electrones de ese alambre o, al menos, puede ignorarse en la mayoría de los casos. Sin embargo, si enrollamos los alambres varios miles de veces de forma que el campo magnético generado afecte a los propios electrones del alambre, entonces cualquier cambio en la velocidad se verá contrarrestado por la fuerza del campo magnético. Por lo tanto, la fuerza total, \$F\$ La cara de los electrones se expresa mediante \$\mathbf{F} = q\mathbf{E} + q\mathbf{v} \times \mathbf{B}\$ . La energía potencial de un condensador se almacena en forma de campo eléctrico, y la energía cinética de un inductor se almacena en forma de campo magnético.

En resumen, el inductor actúa como inercia que reacciona contra el cambio de velocidad de los electrones, y el condensador actúa como muelle que reacciona contra la fuerza aplicada.
Utilizando las analogías anteriores, se puede averiguar fácilmente por qué las relaciones de fase entre la tensión y la corriente son diferentes para los inductores y los condensadores. Esta analogía también ayuda a comprender el mecanismo de intercambio de energía entre un condensador y un inductor, como en un oscilador LC.

Para reflexionar un poco más, hazte las siguientes preguntas. ¿Cómo se almacena la energía cinética en un sistema mecánico? Cuando corremos, ¿dónde y cómo se almacena la energía cinética? Cuando corremos, ¿estamos creando un campo que interactúa sobre nuestro cuerpo en movimiento?

Answer 3

Una forma de conceptualizarlo es imaginarlo similar a la inercia de la corriente a través del inductor. Una buena forma de ilustrarlo es con la idea de un bomba hidráulica de ariete :

En una bomba hidráulica de ariete, el agua fluye a través de una gran tubería, hacia una válvula de acción rápida. Cuando la válvula se cierra, la inercia de la pesada masa de agua que fluye provoca un repentino y enorme aumento de la presión del agua en la válvula. Esta presión empuja el agua hacia arriba a través de una válvula unidireccional. Cuando la energía del ariete se disipa, la válvula principal de acción rápida se abre, el agua cobra impulso en la tubería principal y el ciclo vuelve a repetirse. Véase una ilustración en la página wiki.

Así es exactamente como convertidores elevadores funcionar, sólo que con electricidad en lugar de agua. El agua que fluye por la tubería equivale a un inductor. Al igual que el agua de la tubería resiste los cambios de caudal, el inductor resiste los cambios de corriente.

Answer 4

Un condensador puede almacenar energía: -

Energía = \$\dfrac{C\cdot V^2}{2}\$ donde V es la tensión aplicada y C es la capacidad.

Para un inductor es esto: -

Energía = \$\dfrac{L\cdot I^2}{2}\$ donde L es la inductancia e I es la corriente que circula.

Yo, en particular, siempre tengo problemas para visualizar la carga y el voltaje, pero nunca tengo problemas para visualizar la corriente (excepto cuando se trata de darme cuenta de que la corriente es flujo de carga). Acepto que el voltaje es lo que es y simplemente vivo con ello. Tal vez pienso demasiado. ¿Quizás tú también?

Acabo volviendo a lo básico y esto para mí, es lo más lejos que quiero volver porque no soy físico. Básico: -

Q = CV o \$\dfrac{dQ}{dt} = C\cdot\dfrac{dV}{dt}\$ = corriente, I

Lo que esto me dice es que para una tasa dada de cambio de voltaje a través de un condensador, hay una corriente O, si se fuerza una corriente a través de un condensador habrá un voltaje de rampa.

Existe una fórmula similar para un inductor, que básicamente indica que para una tensión dada en los terminales, la corriente aumentará proporcionalmente: -

V = \$L\dfrac{di}{dt}\$ cuando se aplica V a los terminales y

V = \$-L\dfrac{di}{dt}\$ al calcular la contrafase debida al colapso del flujo externo o al cambio del flujo de otra bobina.

Estas dos fórmulas me explican lo que ocurre.

Answer 5

Tal vez podamos visualizarlo de esta manera. Los inductores se fabrican haciendo girar un conductor sobre un núcleo magnético o simplemente aire. A diferencia de un condensador, en el que una sustancia dieléctrica se intercala entre placas conductoras. cada átomo actúa como un bucle conductor de corriente. Es así porque, los electrones giran en una trayectoria circular. Esto da lugar a dipolos magnéticos (átomos) en el interior de las sustancias. Inicialmente todos los dipolos magnéticos están dirigidos al azar dentro de una sustancia, haciendo que la dirección resultante de las líneas de campo magnético sea nula. La corriente fluye debido al flujo de electrones. En un circuito formado por un inductor, hay una dirección específica de flujo de corriente (o flujo de electrones) a través del inductor. como tal, esta corriente trata de alinear los dipolos magnéticos en una dirección específica.

La reticencia de los dipolos magnéticos a alinearse en una dirección específica es responsable de la oposición de la corriente.

Esta oposición ofrecida es diferente para diferentes materiales. por lo tanto, tenemos diferentes valores de reluctancia. se dice que el inductor está saturado cuando todos los dipolos magnéticos están alineados en la dirección específica que viene dada por Regla del pulgar derecho de Fleming. la dirección de la oposición viene dada por la Ley de Lenz (la dirección de la contrafase).

Estos dipolos magnéticos sólo son responsables del almacenamiento de energía magnética. Supongamos este inductor conectado a un circuito cerrado sin suministro de corriente. ahora los dipolos magnéticos alineados intentan mantener su posición inicial, debido a la ausencia de corriente. Esto da lugar al flujo de corriente. se puede decir que la energía almacenada en el inductor se debe a la alineación temporal de estos dipolos. pero pocos dipolos magnéticos no pueden alcanzar su configuración inicial. por lo tanto, decimos que el inductor puro no está presente en la práctica.

Los científicos saben que los campos eléctricos y magnéticos están relacionados . Esto fue confirmado por primera vez por Oersted mediante su experimento con una brújula magnética. Incluso los científicos creen que los electrones individuales también muestran un comportamiento magnético, debido a su giro sobre su propio eje.