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Solución:
Esta es una pregunta más profunda de lo que parece. Incluso los físicos no están de acuerdo sobre el significado exacto de almacenar energía en un campo, o incluso si esa es una buena descripción de lo que sucede. No ayuda que los campos magnéticos sean un efecto relativista y, por lo tanto, inherentemente extraños.
No soy un físico de estado sólido, pero intentaré responder a su pregunta sobre los electrones. Veamos este circuito:
simular este circuito: esquema creado con CircuitLab
Para empezar, no hay voltaje ni corriente a través del inductor. Cuando el interruptor se cierra, la corriente comienza a fluir. A medida que fluye la corriente, crea un campo magnético. Eso requiere energía, que proviene de los electrones. Hay dos maneras de ver esto:
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Teoría del circuito: en un inductor, una corriente cambiante crea un voltaje a través del inductor $ (V = L frac di dt) $. El voltaje multiplicado por la corriente es potencia. Por lo tanto, cambiar la corriente de un inductor requiere energía.
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Física: un campo magnético cambiante crea un campo eléctrico. Este campo eléctrico empuja hacia atrás a los electrones, absorbiendo energía en el proceso. Por lo tanto, la aceleración de electrones requiere energía, más allá de lo que cabría esperar de la masa inercial del electrón solo.
Finalmente, la corriente alcanza 1 amperio y permanece allí debido a la resistencia. Con una corriente constante, no hay voltaje en el inductor $ (V = L frac di dt = 0) $. Con un campo magnético constante, no hay campo eléctrico inducido.
Ahora, ¿qué pasa si reducimos la fuente de voltaje a 0 voltios? Los electrones pierden energía en la resistencia y comienzan a disminuir. Mientras lo hacen, el campo magnético comienza a colapsar. Esto nuevamente crea un campo eléctrico en el inductor, pero esta vez empuja a los electrones para que sigan funcionando. donación ellos energía. La corriente finalmente se detiene una vez que el campo magnético desaparece.
¿Qué pasa si intentamos abrir el interruptor mientras fluye la corriente? Todos los electrones intentan detenerse instantáneamente. Esto hace que el campo magnético colapse de una vez, lo que crea un campo eléctrico masivo. Este campo suele ser lo suficientemente grande como para expulsar los electrones del metal y atravesar el espacio de aire en el interruptor, creando una chispa. (La energía es finita pero la potencia es muy alta).
El back-EMF es el voltaje creado por el campo eléctrico inducido cuando cambia el campo magnético.
Quizás se pregunte por qué esto no sucede en una resistencia o un cable. La respuesta es que sí: cualquier flujo de corriente producirá un campo magnético. Sin embargo, la inductancia de estos componentes es pequeña; una estimación común es de 20 nH / pulgada para trazas en una PCB, por ejemplo. Esto no se convierte en un gran problema hasta que ingresa al rango de megahercios, momento en el que comienza a tener que usar técnicas de diseño especiales para minimizar la inductancia.
Esta es mi forma de visualizar el concepto de inductor y condensador. La forma es visualizar la energía potencial y la energía cinética, y comprender la interacción entre estas dos formas de energía.
- El condensador es análogo a un resorte, y
- El inductor es análogo a una rueda de agua.
Ahora mira las comparaciones. La energía del resorte es $ frac 1 2 kx ^ 2 $, mientras que la energía del capacitor es $ frac 1 2 CV ^ 2 $. Entonces, la capacitancia, $ C $ es análoga a la constante del resorte, $ k $. El voltaje de capacitancia, $ V $, es análogo al desplazamiento del resorte, $ x $. El campo eléctrico a través de la capacitancia es análogo a la fuerza generada a través del resorte. Lo que sucede es que la energía cinética de los electrones se almacena en el capacitor como energía potencial. La diferencia de energía potencial resultante es el voltaje que es una especie de presión en forma de campo eléctrico. Entonces, el capacitor siempre empuja los electrones hacia atrás debido a su energía potencial.
A continuación, la energía cinética de una rueda hidráulica se puede expresar como $ frac 1 2 I omega ^ 2 $, donde $ I $ es el momento de inercia y $ omega $ es la frecuencia angular. Considerando que, la energía almacenada en un inductor es $ frac 1 2 Li ^ 2 $, donde $ i $ es la corriente. Por lo tanto, la corriente es análoga a la velocidad, que es como $ i = frac dq dt $.
Cuando la corriente fluye a través de un cable, los electrones en movimiento crean un campo magnético alrededor del cable. Para un cable recto, el campo magnético generado no afectará a los electrones en ese cable o al menos puede ignorarse en la mayoría de los casos. Sin embargo, si enrollamos los cables varios miles de veces de manera que el campo magnético generado afecte a los propios electrones del cable, entonces cualquier cambio en la velocidad se opondrá a la fuerza del campo magnético. Por lo tanto, la fuerza total, $ F $, a los electrones se expresa mediante $ mathbf F = q mathbf E + q mathbf v times mathbf B $. La energía potencial en un capacitor se almacena en forma de campo eléctrico y la energía cinética en un inductor se almacena en forma de campo magnético.
En resumen, el inductor actúa como inercia que reacciona contra el cambio en la velocidad de los electrones, y el capacitor actúa como resorte que reacciona contra la fuerza aplicada.
Usando las analogías anteriores, puede encontrar fácilmente por qué las relaciones de fase entre voltaje y corriente son diferentes para inductores y capacitores. Esta analogía también ayuda a comprender el mecanismo de intercambio de energía entre un condensador y un inductor, como en un oscilador LC.
Para pensar más a fondo, haga las siguientes preguntas. ¿Cómo se almacena la energía cinética en un sistema mecánico? Cuando estamos corriendo, ¿dónde y cómo se almacena la energía cinética? Cuando estamos corriendo, ¿estamos creando un campo que interactúa con nuestro cuerpo en movimiento?
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 una bomba de ariete hidráulica:
En una bomba de ariete hidráulico, el agua fluye a través de una tubería grande hacia una válvula de acción rápida. Cuando la válvula se cierra, la inercia de la pesada masa de agua que fluye provoca un gran aumento repentino de la presión del agua en la válvula. Esta presión empuja el agua hacia arriba a través de una válvula unidireccional. A medida que la energía del pistón de agua se disipa, la válvula principal de acción rápida se abre y el agua acumula algo de impulso en la tubería principal y el ciclo se repite nuevamente. Consulte la página wiki para ver una ilustración.
Así es exactamente como funcionan los convertidores impulsores, solo con electricidad en lugar de agua. El agua que fluye a través de la tubería es equivalente a un inductor. Al igual que el agua de la tubería resiste los cambios de flujo, el inductor resiste los cambios de corriente.
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