Preguntas sobre los inductores

Sí, una especie de inductor resiste los cambios de corriente, al igual que un capacitor resiste los cambios de voltaje. De hecho, los inductores y los condensadores son espejos de corriente / voltaje entre sí. La forma en que me gusta pensar en los inductores en los circuitos es que dan inercia a la corriente. Por supuesto que no, pero parece una técnica de conceptualización útil.

En el esquema sin el diodo, si todo comienza en 0 y el interruptor está cerrado, la corriente será una disminución exponencial hacia Vs / R. Inicialmente, todo el voltaje está en el inductor, y en el estado estable hay 0 voltaje a través de él.

Lo interesante sucede cuando se abre el interruptor. En cualquier caso, el inductor mantendrá su constante actual. Esto incluye la instancia en la que se abre el interruptor. Sin el diodo, no hay un camino obvio para la corriente. El voltaje del inductor aumentará a lo que mantenga la corriente a través de él.

Un interruptor mecánico funciona al tocar juntos dos conductores. Cuando el interruptor se abre, los conductores se alejan uno del otro. Esto no puede suceder instantáneamente, por lo que cuando el interruptor primero intenta detener la corriente actual, los contactos estarán muy juntos. No tomará mucho voltaje para provocar el arco. Una vez que se inicia el arco, el gas entre los contactos se convierte en un plasma, que tiene una alta conductividad. Por lo tanto, el arco puede continuar por un tiempo a medida que los contactos se alejan. Durante este tiempo, el voltaje a través del interruptor no es cero, por lo que la corriente del inductor disminuye. A medida que los contactos se alejan, el voltaje del arco aumenta, disminuyendo la corriente del inductor más rápidamente.

Finalmente, la corriente es lo suficientemente baja como para que no pueda sostener el arco y el interruptor finalmente se abre de verdad. En ese punto queda poca energía en el inductor. El único lugar para que pase esa corriente es sobre la inevitable capacitancia parásita a través del inductor y otras partes del circuito. Cada dos conductores en el universo tienen alguna capacitancia distinta de cero entre ellos. Esta capacitancia es pequeña y, por lo tanto, el voltaje aumentará rápidamente. Esto también disminuye la corriente en el inductor rápidamente. Finalmente, se alcanza un pico donde la tensión en la capacitancia realmente comienza a empujar la corriente del inductor de la otra manera. En un sistema perfecto, toda la energía en la capacitancia se transferiría al inductor como corriente, pero esta vez en la dirección opuesta. Luego, volvería a cargar la capacitancia en la dirección opuesta, y todo el ciclo se repetiría indefinidamente. En el mundo real hay alguna pérdida, por lo que cada oscilación hacia adelante y hacia atrás tendrá una amplitud un poco menor a medida que la energía se pierde a medida que se desplaza hacia adelante y hacia atrás entre el inductor y la capacitancia. El voltaje graficado como una función del tiempo (como lo hace un osciloscopio) mostrará una onda sinusoidal con una amplitud decreciente exponencialmente hacia Vs.

(1) Sí, los inductores resisten el cambio en el flujo de electrones. La ley de Lenz, las leyes de Maxwell y las ecuaciones de cualquier libro de texto electrónico o de física. a b c d e funciona muy bien para calcular la relación entre la corriente, el voltaje, la inductancia, la intensidad del campo magnético, etc. Al igual que la ley de Ohm, funciona muy bien para calcular la relación entre la corriente, el voltaje y la resistencia.

Como cualquiera de esos libros de texto te dirá, por un corto periodo de tiempo dt, el cambio en la corriente a través de un inductor será muy pequeño (di), y se puede calcular exactamente como

di = v dt / L

donde v es el voltaje promedio en el inductor durante ese corto período de tiempo y L es la inductancia.

Cuanto mayor sea el voltaje inverso a través del inductor, más rápidamente descenderá la corriente a cero.

(Esto sigue siendo cierto si estamos forzando que el voltaje a través del inductor sea un voltaje particular al poner una batería a través de él, o si tenemos alguna resistencia de carga a través del inductor y la tensión es causada de alguna manera por el propio inductor).

Cuando aplicamos un voltaje a través de un inductor, la corriente aumenta lentamente y la energía ingresa al inductor, almacenada en un campo magnético creciente dentro y fuera del inductor.

Cuando desconectamos el inductor de la fuente de energía, dejando algo de resistencia conectada entre los extremos del inductor, la corriente cae lentamente. Mientras tanto, y la energía sale del misterioso campo magnético invisible (g) y en todo lo que esté conectado al inductor.

(2) Olin da una excelente respuesta.

(3) Como cualquiera de esos libros de texto le dirá, la energía e almacenada en un inductor en cualquier momento es

e = (1/2) L i ^ 2,

donde i es la corriente en ese instante. Esta energía (energía del campo magnético) es la misma que la cantidad de energía eléctrica que saldría de una batería (no importa qué voltaje) se conecte a ese inductor durante el tiempo que se tarda en aumentar la corriente de 0 a la misma. i.

Con cualquier inductor físico dado (por lo que se nos da una L fija), la cantidad de energía que puedo almacenar en ese inductor generalmente está limitada por la calificación de corriente máxima de ese inductor. Los inductores de alta potencia generalmente usan cables más gruesos y mejores formas de eliminar el calor de los cables, pero al exceder la clasificación de corriente, los cables se derriten y fallan. Esta es una calificación máxima de energía , no máxima de potencia . Muchos diseñadores llenan los inductores (y también los transformadores, por las mismas razones) con energía y luego los vuelven a descargar miles. o millones de veces por segundo, para obtener más poder a través del sistema que si solo lo hicieran 60 veces por segundo.

Los o'scopes me parecen excelentes para "ver" lo que sucede en los circuitos con inductores. Quizás podrías disfrutar construyendo algún tipo de regulador de voltaje en modo de conmutación tales como el Roman Black + 5v to + 13v boost Converter .

Esta es una pregunta muy interesante. Sólo para aclarar, lo reformularé. Para una inductancia ideal con corriente no nula, capacitancia cero y componentes óhmicos, ¿qué sucede cuando se destruye la ruta de CC con un interruptor sin pérdidas? No hay disipación térmica, no se permite el timbre, tampoco DC, ya que no hay interruptor. La ley de conservación de energía debe cumplirse por completo.

Ciertamente entiendo que incluso con todas las cosas ideales, existe un espacio físico medible materialmente que permitirá que la corriente continúe fluyendo incluso a través del vacío. Pero, ¿y si el vacío es un aislante perfecto?

No hay una respuesta correcta real, ya que incluso los infinitos aritméticos y los tiempos de propagación cero, la velocidad infinita de la luz, etc. no ayudarán.

Pero digamos, si toda la abstracción aún permite la participación de partículas de carga material, el conductor violará la electroneutralidad y perderá la nube de electrones, que continuará viajando con cierta inercia lejos del conductor. El campo magnético pasará momentáneamente de ser toroide a cilindro, luego la fuerza del culón devolverá las partículas al conductor. Repitiendo para siempre, estará sonando, pero con capacitancia volumétrica (o como desee electrostática) del cuerpo de la bobina (no la capacitancia parásita).

Hmm. Todavía hay problemas con tener la no idealidad. Si el cable es infinitamente cosa, entonces no hay capacitancia, la frecuencia será infinita, más alta que la gamma. Es como una gran explosión de nuevo pero con una energía total limitada.

La respuesta : con todo lo ideal que produce el pulso magnético será Función Delta de Dirac , pulso infinitamente alto e infinitamente estrecho con una integral de 1. (o cualquier total en particular integral dependiendo de la energía total inicial).

El dispositivo práctico más cercano se estudia en Los Alamos enlace