¿Qué le sucede a un inductor si la energía almacenada no encuentra un camino para descargarse?

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

Respuesta corta: Encontrará una forma/camino para descargar esta energía.

Respuesta más larga:

Tengamos este circuito eléctrico simple que consta de una batería (voltaje$V_0$), un interruptor, una resistencia (resistencia$R$), y un inductor (inductancia$L$).

_{(imagen de circuitos electrónicos de construcción - ¿Qué es un inductor? , ligeramente modificado por mí)}

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

Al abrir el interruptor obviamente interrumpes la corriente$I$de repente. La ecuación diferencial entre voltaje$V_L$y actual$I$a través del inductor es

Cuando el voltaje 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 empieza a descomponerse a 3000 V/mm. De hecho, verá y escuchará una chispa en el interruptor.

_{(imagen de circuitos electrónicos de construcción - ¿Qué es un inductor? , ligeramente modificado por mí)}

¿Qué sucederá con la energía almacenada, la corriente y el voltaje del inductor en este caso?

Durante algunos milisegundos, la corriente continúa 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 se interrumpa la corriente y, por lo tanto, induce un voltaje lo suficientemente alto 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 agregando un diodo flyback al circuito. Sin embargo, en algunas aplicaciones (como el encendido eléctrico en motores de gasolina) la chispa inductiva es la característica buscada.

Eso depende.

No puede desconectar un inductor ideal de una fuente de voltaje ideal con un interruptor ideal. Estas cosas ideales romperán sus cálculos y obtendrá un voltaje infinito al desconectarse.

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

Si logra 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. El voltaje sobre el inductor aumentará a un valor alto, determinado por sus capacitancias parásitas. Si el voltaje es lo suficientemente alto, el aislamiento entre las bobinas se romperá y la oscilación decaerá mucho más rápido. En este punto, puede considerar que la mayoría de los inductores están rotos.

El primer punto siempre ocurre, sin importar si considera algún objeto conductor como inductor o no. Si tiene la mala suerte de tener alguna inductancia de conmutación alrededor de algún equipo de comunicación por radio que use una frecuencia cercana a la oscilación parásita del inductor, es posible que tenga una interferencia.

El segundo sucede a veces. Es un modo de falla común para un relé o bobinas de motor.

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

En ese caso, hace su propio circuito con su propio camino a tierra. A menudo, eso se debe a una ruptura dieléctrica en el propio interruptor, pero los detalles son muy impredecibles y dependen mucho de las condiciones ambientales. Así que la avería puede ocurrir en otro lugar.

Un inductor tiene un voltaje que es proporcional a la tasa de cambio en su corriente. Una tasa de cambio de corriente arbitrariamente alta produce un voltaje arbitrariamente alto. Ese alto voltaje puede superar el aislamiento y crear un camino peligroso a tierra donde no debería haberlo. Los interruptores automáticos que están diseñados para operar con altas corrientes y cargas inductivas deben diseñarse con mucho cuidado.

Por lo general, esta energía extra crea una chispa debido a la alta fuerza electromotriz producida. Pero no siempre es posible que una bobina genere chispas. Está claro si probamos el experimento.

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

en primer lugar, el apagado repentino crearía un potencial. diferencia entre los extremos de la bobina. Esto significa que las cargas negativas en el cable ahora están en un extremo y las cargas positivas en el otro extremo. Esta no es una configuración de equilibrio y luego, dado que los electrones en el metal pueden moverse libremente, las cargas se redistribuyen en el cable, anulando la diferencia de potencial. Ahora la bobina no almacena energía.

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

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

Un punto importante que otros abordan de alguna manera, pero quizás no con la suficiente claridad, es (citando a Scotty) "No puedes romper las leyes de la física".
Puede hacer que todo sea ideal: cable semiconductor, interruptor de acción instantánea perfecto, aislamiento infinito, y las "reglas" básicas que rigen un inductor aún se aplican.

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 se necesita un voltaje infinito para que esto se satisfaga, que así sea.

En la práctica, hay suficientes no-idealidades disponibles para 'arreglar las cosas'.
Fraxinus menciona el área de recurso final: almacenamiento de energía en capacitancia parásita o entrelazada. Incluso un inductor ideal tiene capacitancias asociadas y verá 1/2.Li ^ 2 de energía redistribuida en 1/2.CV ^ 2 de energía. Si hay poca o ninguna resistencia, verá oscilaciones a medida 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, por lo general verá algunas o todas las chispas, ruptura del aislamiento, disipación resistiva, radiación electromagnética y resonancia.

Donde la topografía del circuito lo permite, es común agregar un diodo a través del inductor para permitir que la corriente "circule" y disipe energía en la resistencia del devanado. A menudo se logra una disipación más rápida agregando una resistencia en serie con el diodo: el voltaje inicial a través de la resistencia es V = IR e inmediatamente obtiene pérdidas I ^ 2R en descomposición. Otros medios de disipación incluyen un diodo zener (similar a agregar una resistencia, un circuito de "amortiguador" RC en serie (que permite la disipación resistiva de CA pero no la ruta de CC) o el retorno de energía a un riel de suministro de energía.

El inductor se convierte en un inductor activo. La energía todavía está almacenada en él y el flujo total que produce sigue siendo el mismo.

Si lo conecta a otro circuito (digamos, con solo una resistencia), actuará momentáneamente como una fuente de corriente, es decir, la primera corriente que fluya a través del circuito será la misma que la última que voló a través de él (para mantener el flujo)

Un inductor contiene un circuito magnético. Cambiar el flujo magnético a través de él induce voltaje en las bobinas que, si se permite que se convierta en una corriente, se acumula hasta que la corriente producida compensa el cambio de flujo. La separación del circuito bloquea este proceso. Sin la liberación regular de energía magnética a través de las bobinas, el circuito magnético actuará como un oscilador que convierte la energía de su campo magnético en un campo eléctrico que contiene la misma cantidad de energía, y luego vuelve a convertirlo en un campo magnético con polaridad opuesta. etcétera. Entonces, en lugar de desviar la energía a través de las conexiones eléctricas, se irradiará como radiación electromagnética.

¿Entonces, dónde está el problema? El problema es que el campo eléctrico alrededor de un inductor es mucho menos eficiente para contener grandes cantidades de energía que el campo magnético. Eso significa que cuando la energía se convierte de magnética a eléctrica, se acumularán enormes voltajes en las bobinas que, en general, las bobinas no están diseñadas para soportar sin formar arcos y que el resto del circuito no está feliz de soportar. tratar con.

En resumen, la física no se rompe, pero los ideales de un inductor ideal se rompen. Emite energía de una manera para la que no ha sido diseñado (radiación electromagnética) y lo hace mientras crea voltajes monstruosos.

Los voltajes no son infinitos: simplemente aumentan hasta el nivel en el que la energía almacenada en el campo magnético de un inductor se convierte de forma intermedia en la energía de un campo eléctrico. Pero un inductor es pésimo al confiar energía a un campo eléctrico: preferiría entregarla eléctricamente. Entonces, ese campo eléctrico va a estar mucho más allá de lo que el inductor ha sido diseñado para manejar en operaciones normales. ¿Lo que sucederá?

Física en lugar de ingeniería eléctrica. Coloque un diodo flyback y volverá a la ingeniería.

La corriente fluirá de un lado a otro entre los puntos finales del cable después de eliminar la diferencia de potencial. Es como una onda que viaja de un lado a otro en una cuerda. Esto se debe a que todos los electrones se comportan como una sola onda (función de onda) en el régimen superconductor. Si no hay pérdida de calor, esto continuará. para siempre. En realidad, la onda estacionaria de electrones en la cuerda eventualmente se apagará. Se comportará como una antena e irradiará su energía inicial como una onda EM.

Si la bobina está en un vacío perfecto, entonces el voltaje no inducido puede volverse tan alto que las emisiones de electrones "fríos" de los extremos metálicos de la bobina crearán un arco para la descarga.

Un buen ejemplo de la energía almacenada de un inductor utilizado para generar un voltaje útil es la bobina de encendido en los motores de gasolina. Cuando los puntos abren la corriente en el cct primario. de la bobina de encendido, el flujo magnético colapsa rápidamente a medida que la energía magnética se convierte en energía de campo eléctrico en la capacitancia intrínseca del devanado primario. Para evitar que el rápido aumento de voltaje en los puntos cree una chispa, se agrega una capacitancia en los puntos. Esta capacitancia se elige para reducir la resonancia sinusoidal natural en la bobina a una frecuencia tal que la tasa de acumulación de voltaje a través de la bobina aumente lo suficientemente lento como para permitir que los puntos se abran lo suficiente para evitar la formación de arcos. La elección de la capacitancia también limita el pico de la sinusoide a aprox. 400 voltios El devanado secundario de la bobina tiene unas 60 veces más vueltas que el primario. el flujo sinusoidal en el primario es compartido por el secundario, por lo que el secundario tendrá 60 veces el voltaje primario desarrollado a través de él, lo que equivale a 24 mil voltios. El resultado es una forma de onda oscilatoria amortiguada en el rango de varias decenas de kilohercios. Una vez que se forma un arco en la bujía, toda la energía se descarga en la chispa.