Induktivna energija

Energija induktorja (W) je energija magnetnega polja, ki ga ustvari električni tok I, ki teče skozi žico te tuljave. Glavna značilnost tuljave je njena induktivnost L, to je sposobnost ustvarjanja magnetnega polja, ko električni tok teče skozi njen prevodnik. Vsaka tuljava ima svojo induktivnost in obliko, zato se bo magnetno polje za vsako tuljavo razlikovalo po velikosti in smeri, čeprav je lahko tok popolnoma enak.

Odvisno od geometrije določene tuljave, od magnetnih lastnosti medija znotraj in okoli nje, bo imelo magnetno polje, ki ga ustvari oddani tok na vsaki obravnavani točki, določeno indukcijo B, pa tudi velikost magnetnega pretoka Ф - bodo določeni tudi za vsako od obravnavanih področij S.

Če poskušamo razložiti povsem preprosto, potem indukcija kaže intenzivnost magnetnega delovanja (povezano z močjo ampera), ki je sposoben izvajati dano magnetno polje na vodnik s tokom, nameščen v to polje, in magnetni tok pomeni, kako je magnetna indukcija porazdeljena po obravnavani površini.Tako je energija magnetnega polja tuljave s tokom lokalizirana ne neposredno v zavojih tuljave, temveč v prostornini prostora, v katerem obstaja magnetno polje, ki je povezano s tokom tuljave.

Dejstvo, da ima magnetno polje tokovne tuljave resnično energijo, je mogoče odkriti eksperimentalno. Sestavimo vezje, v katerem žarnico z žarilno nitko povežemo vzporedno s tuljavo z železnim jedrom. Uporabimo konstantno napetost iz vira energije na tuljavo žarnice. V tokokrogu bremena se bo takoj vzpostavil tok, ki bo tekel skozi žarnico in skozi tuljavo. Tok skozi žarnico bo obratno sorazmeren z uporom njene žarilne nitke, tok skozi tuljavo pa bo obratno sorazmeren z uporom žice, s katero je navita.

Če zdaj nenadoma odprete stikalo med virom napajanja in obremenitvenim krogom, bo žarnica preklopila na kratko, a precej opazno. To pomeni, da ko smo izklopili vir energije, je tok iz tuljave stekel v svetilko, kar pomeni, da je bil v tuljavi ta tok, okoli sebe je imela magnetno polje in v trenutku, ko je magnetno polje izginilo, v tuljavi se je pojavil EMF.

Ta inducirani EMF se imenuje samoinduciran EMF, ker ga usmerja lastno magnetno polje tuljave s tokom na sami tuljavi. Toplotni učinek Q toka v tem primeru lahko izrazimo s produktom vrednosti toka, ki je bil nameščen v tuljavi v trenutku odpiranja stikala, upora R vezja (tuljava in žice žarnice) in trajanje časa izginotja toka t.Napetost, ki se razvije na uporu vezja, se lahko izrazi z induktivnostjo L, impedanco vezja R in ob upoštevanju tudi časa izginotja toka dt.

Uporabimo zdaj izraz za energijo tuljave W na posebnem primeru - solenoid z jedrom, ki ima določeno magnetno prepustnost, ki se razlikuje od magnetne prepustnosti vakuuma.

Za začetek izrazimo magnetni pretok F skozi prerez solenoida S, število ovojev N in magnetno indukcijo B po celotni dolžini l. Najprej zabeležimo induktivnost B skozi tok zanke I, število zank na enoto dolžine n in magnetno prepustnost vakuuma.

Nato tukaj nadomestimo prostornino solenoida V. Našli smo formulo za magnetno energijo W in iz nje lahko vzamemo vrednost w—volumensko gostoto magnetne energije znotraj solenoida.

James Clerk Maxwell je nekoč pokazal, da je izraz za prostorninsko gostoto magnetne energije resničen ne samo za solenoide, temveč tudi za magnetna polja na splošno.