El principio de funcionamiento de la inductancia es muy abstracto. Para explicar qué es la inductancia partimos del fenómeno físico básico.
1. Dos fenómenos y una ley: magnetismo inducido por electricidad, electricidad inducida por magnetismo y ley de Lenz
1.1 Fenómeno electromagnético
Hay un experimento en física de la escuela secundaria: cuando se coloca una pequeña aguja magnética al lado de un conductor con corriente, la dirección de la pequeña aguja magnética se desvía, lo que indica que hay un campo magnético alrededor de la corriente. Este fenómeno fue descubierto por el físico danés Oersted en 1820.
Si enrollamos el conductor en un círculo, los campos magnéticos generados por cada círculo del conductor pueden superponerse y el campo magnético general se volverá más fuerte, lo que puede atraer objetos pequeños. En la figura, la bobina se energiza con una corriente de 2~3A. Tenga en cuenta que el cable esmaltado tiene un límite de corriente nominal; de lo contrario, se derretirá debido a la alta temperatura.
2. Fenómeno de magnetoelectricidad
En 1831, el científico británico Faraday descubrió que cuando una parte del conductor de un circuito cerrado se mueve para cortar el campo magnético, se generará electricidad sobre el conductor. El requisito previo es que el circuito y el campo magnético se encuentren en un entorno relativamente cambiante, por lo que se denomina magnetoelectricidad "dinámica" y la corriente generada se denomina corriente inducida.
Podemos hacer un experimento con un motor. En un motor de escobillas de CC común, la parte del estator es un imán permanente y la parte del rotor es un conductor de bobina. Girar manualmente el rotor significa que el conductor se mueve para cortar las líneas de fuerza magnéticas. Usando un osciloscopio para conectar los dos electrodos del motor, se puede medir el cambio de voltaje. El generador se fabrica según este principio.
3. Ley de Lenz
Ley de Lenz: La dirección de la corriente inducida generada por el cambio de flujo magnético es la dirección que se opone al cambio de flujo magnético.
Una comprensión simple de esta oración es: cuando el campo magnético (campo magnético externo) del entorno del conductor se vuelve más fuerte, el campo magnético generado por su corriente inducida es opuesto al campo magnético externo, lo que hace que el campo magnético total sea más débil que el externo. campo magnético. Cuando el campo magnético (campo magnético externo) del entorno del conductor se debilita, el campo magnético generado por su corriente inducida es opuesto al campo magnético externo, lo que hace que el campo magnético total sea más fuerte que el campo magnético externo.
La ley de Lenz se puede utilizar para determinar la dirección de la corriente inducida en el circuito.
2. Bobina de tubo en espiral: explicación de cómo funcionan los inductores Con el conocimiento de los dos fenómenos anteriores y una ley, veamos cómo funcionan los inductores.
El inductor más simple es una bobina de tubo en espiral:
Situación durante el encendido
Cortamos un pequeño tramo del tubo espiral y podemos ver dos bobinas, bobina A y bobina B:
Durante el proceso de encendido, la situación es la siguiente:
①La bobina A pasa a través de una corriente, suponiendo que su dirección es la que muestra la línea continua azul, que se llama corriente de excitación externa;
②Según el principio del electromagnetismo, la corriente de excitación externa genera un campo magnético, que comienza a extenderse en el espacio circundante y cubre la bobina B, lo que equivale a que la bobina B corte las líneas de fuerza magnéticas, como se muestra en la línea de puntos azul;
③De acuerdo con el principio de magnetoelectricidad, se genera una corriente inducida en la bobina B, y su dirección es la que muestra la línea continua verde, que es opuesta a la corriente de excitación externa;
④Según la ley de Lenz, el campo magnético generado por la corriente inducida debe contrarrestar el campo magnético de la corriente de excitación externa, como se muestra en la línea de puntos verde;
La situación después del encendido es estable (DC)
Una vez estable el encendido, la corriente de excitación externa de la bobina A es constante y el campo magnético que genera también es constante. El campo magnético no tiene movimiento relativo con la bobina B, por lo que no hay magnetoelectricidad y no hay corriente representada por la línea continua verde. En este momento, el inductor equivale a un cortocircuito para excitación externa.
3. Características de la inductancia: la corriente no puede cambiar repentinamente
Después de entender cómo uninductorfunciona, veamos su característica más importante: la corriente en el inductor no puede cambiar repentinamente.
En la figura, el eje horizontal de la curva derecha es el tiempo y el eje vertical es la corriente en el inductor. El momento en que se cierra el interruptor se toma como origen del tiempo.
Se puede observar que: 1. En el momento en que se cierra el interruptor, la corriente en el inductor es 0A, lo que equivale a que el inductor esté en circuito abierto. Esto se debe a que la corriente instantánea cambia bruscamente, lo que generará una enorme corriente inducida (verde) para resistir la corriente de excitación externa (azul);
2. En el proceso de alcanzar un estado estable, la corriente en el inductor cambia exponencialmente;
3. Después de alcanzar un estado estable, la corriente en el inductor es I = E/R, lo que equivale a que el inductor esté en cortocircuito;
4. Correspondiente a la corriente inducida es la fuerza electromotriz inducida, que actúa para contrarrestar E, por lo que se denomina Back EMF (fuerza electromotriz inversa);
4. ¿Qué es exactamente la inductancia?
La inductancia se utiliza para describir la capacidad de un dispositivo para resistir cambios de corriente. Cuanto mayor sea la capacidad de resistir los cambios actuales, mayor será la inductancia y viceversa.
Para la excitación de CC, el inductor finalmente se encuentra en un estado de cortocircuito (el voltaje es 0). Sin embargo, durante el proceso de encendido, el voltaje y la corriente no son 0, lo que significa que hay energía. El proceso de acumulación de esta energía se llama carga. Almacena esta energía en forma de campo magnético y libera energía cuando es necesario (como cuando la excitación externa no puede mantener el tamaño de la corriente en un estado estable).
Los inductores son dispositivos inerciales en el campo electromagnético. A los dispositivos inerciales no les gustan los cambios, al igual que los volantes en la dinámica. Al principio es difícil empezar a girar y, una vez que empiezan a girar, es difícil detenerlos. Todo el proceso va acompañado de una conversión de energía.
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Hora de publicación: 29-jul-2024
