インダクタはどのようにエネルギーを保存しますか？

コンデンサは、プレートに電荷を蓄積することでエネルギーを蓄積することを知っています。同様に、インダクタは磁場にエネルギーを蓄積すると言われています。私はこの声明を理解できません。インダクタが磁場にエネルギーをどのように保存するのかわかりません。つまり、それを視覚化することはできません。
一般的に、電子がインダクタを横切って移動するとき、電子はどうなりますか？磁場によってどのようにブロックされますか？誰かがこれを概念的に説明できますか？

また、これらを説明してください：

1. 電子がワイヤを流れる場合、磁場内のエネルギーにどのように変換されますか？

2. 逆起電力はどのように生成されますか？

これは思ったよりも深い質問です。物理学者でさえ、フィールドにエネルギーを保存することの正確な意味について、またはそれが何が起こるかについての良い説明であるかどうかについても意見が分かれています。磁場が相対論的効果であり、したがって本質的に奇妙であることは役に立ちません。

私は固体物理学者ではありませんが、電子に関するあなたの質問に答えようとします。この回路を見てみましょう：

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

そもそも、インダクタに電圧や電流はありません。スイッチが閉じると、電流が流れ始めます。電流が流れると、磁場が発生します。それにはエネルギーが必要で、それは電子から来ます。これを見るには2つの方法があります。

1. 回路理論：インダクタでは、電流の変化によりインダクタ両端に電圧が発生します。電圧×電流が電力です。したがって、インダクタ電流を変更するにはエネルギーが必要です。$(V = L\frac{di}{dt})$

2. 物理学：変化する磁場は電場を作成します。この電界は電子を押し戻し、プロセスのエネルギーを吸収します。したがって、電子の加速には、電子の慣性質量だけから予想される以上のエネルギーが必要です。

最終的に、電流は1アンペアに達し、抵抗によりそこに留まります。定電流では、インダクタの両端に電圧はありません。一定の磁場では、誘導電界はありません。$(V = L\frac{di}{dt} = 0)$

ここで、電圧源を0ボルトに下げるとどうなりますか？電子は抵抗器のエネルギーを失い、減速し始めます。そうすると、磁場は崩壊し始めます。これは再びインダクター内に電界を作成しますが、今回は電子を押してそれらを動かし続け、エネルギーを与えます。磁場がなくなると、電流は最終的に停止します。

電流が流れている間にスイッチを開いてみたらどうなりますか？電子はすべて瞬時に停止しようとします。これにより、磁場が一度に崩壊し、巨大な電場が発生します。多くの場合、この電界は、電子を金属から押し出してスイッチのエアギャップを通過させるのに十分な大きさであり、火花を発生させます。（エネルギーは有限ですが、パワーは非常に高いです。）

逆起電力は、磁場が変化したときに誘導電場によって生成される電圧です。

このようなことが抵抗器やワイヤーで起こらないのはなぜだろうと思うかもしれません。答えはそうです-どんな電流が流れても磁場が発生します。ただし、これらのコンポーネントのインダクタンスは小さく、たとえばPCB上のトレースの一般的な推定値は20 nH /インチです。これは、メガヘルツの範囲に入るまで大きな問題にはなりません。メガヘルツの範囲に入ると、インダクタンスを最小限に抑えるために特別な設計手法を使用する必要があります。

これは、インダクタとコンデンサの概念を視覚化する私の方法です。方法は、ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーを視覚化し、これら2つの形式のエネルギー間の相互作用を理解することです。

1. コンデンサはバネに似ており、
2. インダクタは水車に似ています。

今、比較を見てください。春のエネルギーは、一方、コンデンサのエネルギーは$\frac{1}{2}kx^2$$\frac{1}{2}CV^2$$C$$k$$V$$x$

$\frac{1}{2}I\omega^2$$I$$\omega$$\frac{1}{2}Li^2$$i$$i = \frac{dq}{dt}$

$F$$\mathbf{F} = q\mathbf{E} + q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$

要約すると、インダクタは電子の速度の変化に反応する慣性として機能し、コンデンサは加えられた力に反応するバネとして機能します。
上記の類推を使用すると、インダクタとコンデンサで電圧と電流の位相関係が異なる理由を簡単に見つけることができます。この類推は、LC発振器などのコンデンサとインダクタ間のエネルギー交換メカニズムの理解にも役立ちます。

さらに考えるには、次の質問をしてください。機械システムの運動エネルギーはどのように保存されますか？私たちが走っているとき、運動エネルギーはどこにどのように保存されますか？私たちが走っているとき、私たちは動いている身体で相互作用するフィールドを作成していますか？

それを概念化する1つの方法は、インダクタを流れる電流の慣性に似ていると想像することです。それを説明する良い方法は、油圧ラムポンプのアイデアです：

油圧ラムポンプでは、水は大きなパイプを通って高速作動バルブに流れます。バルブが閉じると、重い水流の慣性により、バルブの水圧が突然大きくなります。次に、この圧力により、一方向バルブを介して水が押し上げられます。水圧ラムからのエネルギーが消散すると、メインの高速作動バルブが開き、水がメインパイプにある程度の勢いを作り、サイクルが再び繰り返されます。図については、Wikiページを参照してください。

これは、水ではなく電気のみでブーストコンバーターが機能する方法です。パイプを流れる水は、インダクタと同等です。パイプ内の水が流れの変化に抵抗するように、インダクタは電流の変化に抵抗します。

コンデンサはエネルギーを蓄積できます：-

$\dfrac{C\cdot V^2}{2}$ここで、Vは印加電圧、Cは静電容量です。

インダクタの場合、これは次のとおりです。-

$\dfrac{L\cdot I^2}{2}$ここで、Lはインダクタンス、Iは流れる電流です。

特に、私は常に電荷と電圧を視覚化するのに苦労していますが、電流を視覚化するのに苦労することはありません（電流が電荷の流れであることを認識する場合を除きます）。私は電圧がそれが何であるかを受け入れ、ただそれと共に生きます。たぶん私は難しいと思います。たぶんあなたもやる？

私は物理学者ではないので、基本に戻り、これは私が戻りたい限りです。基本：-

$\dfrac{dQ}{dt} = C\cdot\dfrac{dV}{dt}$ =電流、I

これが私に伝えることは、コンデンサの両端の電圧の変化率に対して電流が存在することです。コンデンサに電流を流した場合、ランプ電圧が発生します。

インダクタにも同様の公式があり、基本的には、端子間に与えられた電圧に対して、電流が比例的に増加することを示しています。-

$L\dfrac{di}{dt}$Vが端子に印加されるときの

$-L\dfrac{di}{dt}$

これらの2つの式は、何が起こっているのかを説明しています。

理想的なコンデンサC、理想的なインダクタL、およびスイッチで構成される直列回路を想像してください。インダクタは、その磁場の強さが流れる電流に比例するように、軟磁性コアを備えています。コンデンサの誘電体は完全であるため、損失はありません。

最初に、スイッチが開いていて、すべての初期条件がゼロであると仮定しましょう。つまり、コンデンサの電荷がゼロで、インダクタを流れる電流がゼロであるため、コアの磁場はゼロです。バッテリーを使用して、コンデンサーにVボルトの初期充電を行います。

スイッチはt = 0で閉じられ、LとCは単純な直列回路を形成します。スイッチが閉じた後の時間のすべての値で、コンデンサの電圧はインダクタの電圧に等しくなければなりません（キルヒホフの電圧の法則）。それでどうなりますか????

1. t = oでは、Cの両端の電圧はVであるため、Lの両端の電圧もVでなければなりません。したがって、CからLへの電流の変化率di / dtは、Ldi / dt = Vである必要があります。 、電流の変化率は非常に大きいが、瞬間t = 0における電流自体はi = 0であり、di / dt = V / L

2. 時間が経過すると、Cの両端の電圧が低下し（電荷が流出するため）、インダクタ電圧をコンデンサ電圧と同じレベルに維持するために必要な電流の変化率が低下します。電流はまだ増加していますが、その勾配は減少しています。

3. 電流が増加すると、インダクタコアの磁場の強度が増加します（磁場の強度は電流に比例します）。

4. コンデンサがすべての電荷を失った時点で、コンデンサの電圧はゼロになり、電流は最大値になります（t = 0から増加しています）が、変化率di / dtはインダクタは、コンデンサ電圧のバランスを取るために電圧を生成する必要がありません。また、この時点で磁場は最大強度になります（実際、保存されるエネルギーはLI ^ 2/2です。ここで、Iは最大電流であり、これはC = CV ^ 2/2の元のエネルギーに相当します。

5. コンデンサにはエネルギーが残っていないため、電流を供給してインダクタの磁場を維持することはできません。磁場は崩壊し始めますが、そうすることで、崩壊する磁場に対抗する傾向のある電流を作り出します（レンツの法則）。この電流は、回路を流れる元の電流と同じ方向ですが、コンデンサを反対方向に充電するように作用します（つまり、上部プレートが元々正であったのに対し、下部プレートは正に充電されます）。

6. インダクタは運転席にあります。崩壊する磁場に応じて電流iを生成します。この電流は元の値（I）から減少しているため、電圧は大きさLdi / dt（前とは逆の極性）で生成されます。

7. この体制は、磁場が完全に消散し、反対の極性であるにもかかわらずコンデンサにエネルギーを戻すまで続き、動作全体が再び開始されますが、今回はコンデンサが回路の周りの電流を前とは逆方向に強制します。

8. 上記は電流波形の正の半サイクルを表し、ステップ7は負の半サイクルの始まりです。1つの完全な放電-充電波形は、正弦波の1サイクルです。LおよびC成分が完全または「理想」であれば、エネルギー損失はなく、電圧と電流の正弦波は無限に続きます。

磁場にはエネルギーを蓄える能力があることは明らかだと思います。しかし、エネルギー漏れの機会とメカニズムは多種多様であるため、コンデンサほど長期保存できません。興味深いことに、初期のコンピューターメモリはフェライトトロイダルコア（1ビットあたり1トロイド）に巻かれたインダクタで構成されていましたが、保存されたデータを保持するために頻繁に電子更新が必要でした。

この方法で視覚化できるかもしれません。インダクタは、磁気コアまたは単なる空気の上で導体を回すことによって作成されます。誘電体が導体プレートの間に挟まれているコンデンサとは異なります。すべての原子は電流搬送ループとして機能します。これは、電子が円形の経路で回転するためです。これにより、物質内部に磁気双極子（原子）が発生します。最初は、すべての磁気双極子が物質内でランダムに方向付けられ、磁力線の結果の方向がヌルになります。電子の流れにより電流が流れます。インダクタで構成される回路では、インダクタを流れる特定の方向の電流（または電子の流れ）があります。そのため、この電流は磁気双極子を特定の方向に揃えようとします。

磁気双極子が特定の方向に整列することに対する抵抗は、電流の反対の原因となります。野党は逆起電力と呼ぶことができます。

この異議申し立ては、素材によって異なります。したがって、リラクタンス値は異なります。インダクタは、すべての磁気双極子がフレミングの右手の親指の規則 によって与えられる特定の方向に整列しているときに飽和していると言われます。反対の方向はレンツの法則（逆起電力の方向）によって与えられます。

これらの磁気双極子は、磁気エネルギーの貯蔵にのみ関与します。このインダクタが電流供給なしで閉回路に接続されていると仮定します。現在、電流がないため、整列した磁気双極子は初期位置を維持しようとします。これにより、電流が流れます。インダクタに蓄積されたエネルギーは、これらの双極子の一時的な整列によるものであると言えます。しかし、ほとんどの磁気双極子は初期構成に到達できません。したがって、純粋なインダクタは実際には存在しないと言います。

科学者は、電場と磁場が相互に関連していることを知っています。これはエルステッドが磁気コンパスを使った実験で初めて確認されました。科学者でさえ、自身の軸の周りのスピンのために、磁気的挙動は個々の電子によっても示されると信じています。

フィールドについてはまったく話さないでください。代わりに、電圧とは何かを最初に話しましょう。電子は本当に近くにいるのが好きではありません。電気力は信じられないほど強いです。この例を挙げましょう。1アンペアの電流がワイヤに流れた場合、これは1クーロンの電荷が1秒でそのワイヤに流れたことを意味します。1秒で通過したこれらの電子をすべて、電気的に分離された金属球に保存できたと仮定します。その後、もう1秒間待って、同じ量の電子を別の孤立した金属球に保存しました。これで、1つの球に1クーロンの電子があり、もう1つの球に1クーロンの電子があります。ご存じのように、同様の請求は互いに反発します。これらの2つの球体を1メートル離して保持すると、クーロンの反発により一方が他方に適用されると考える力はどれくらいあると思いますか？答えはクーロンの定数で、9 x 10 ^ 9 N /（m ^ 2C ^ 2）です。1メートル離れているため、1クーロンなので、力は9 x 10 ^ 9ニュートンです。これは、地球の重力で9 x 10 ^ 8 kgをサポートすることを意味します。これは非常に大きな建物の重量です。これは、過剰な電子が互いに近づきたくないことを示しています。電圧は、オブジェクトに追加されたときに過剰な電子が持つエネルギーです。電圧を実質的に増加させるために、多くの電子をまったく必要としません。これは、金属線を含むオブジェクトの過剰電子に対する容量が非常に低いことを意味します。それではコンデンサは何ですか？コンデンサーは電子の容量が大きいため、バッテリーが最後にコンデンサーを備えたワイヤーに電子を追加しても、各電子ごとに電圧が大きくなることはありません。これは、コンデンサがプレートを持っているという事実によるものではありません（どんなに大きくても）：単一のプレートは余分な電子に対して非常に低い容量を持っています。コンデンサのセクトレットは、それに非常に近い反対側のプレートです。起こるのは、プレート上の余分な電子が、バッテリーによって電子が除去された反対側のプレートに引き付けられることです。これは、過剰な電子あたりの全体的なエネルギーが減少し、単位電圧の増加ごとにより多くの電子を収めることができることを意味します。そのため、力が非常に大きいため、Capcitorsの間に空隙を作ることはできません。プレートが互いに崩壊するのを防ぐために、それらの間に固体が必要です。今、私たちはインダクタに来ます。これはクレイジーなことです。磁場のようなものはありません。クーロンの魅力です。ただし、このクーロン引力は、この場合に正しい電流が流れているときにのみ発生します。これはどのように起こりますか？クーロン力は信じられないほど強いので、その効果は、見られない電子密度のかなり急激な変化から見ることができます。そして今、核心のために。微妙な変化は、実際には、Einstienの相対性によるものです。電子はワイヤ内の平均間隔を持ち、この平均間隔は正電荷の平均間隔と同じです。電流が流れると、平均間隔は変わらないと思うかもしれませんが、今度はLENGHT CONTRACTIONを考慮する必要があります。追放者にとっては、動く物体はより短く見えるようになり、これが電子（の間にある空間）に起こります。ワイヤのコイルでは、円の反対側で電子が反対方向に流れています。一方は、相対性のために正電荷よりも電子の密度が大きいと、もう一方を見る。これにより、反対方向の電流方向を持つワイヤ内の電子間に反発が生じ、そのエネルギー（電圧）が増加します。したがって、電圧は通常のワイヤよりもはるかに速く上昇します。したがって、人々はインダクタを反対の電流と考えています。しかし、実際に起こっているのは、より大きな電流が流れると電圧が非常に速く増加することです。あなたは、すべての教科書が磁気を数学的な方法で扱っており、実際の粒子の原因を決して指摘していないことに気づいたかもしれません。さて、その電子と力は相対性理論によるものであり、その力は間違いなくクーロン力です。これは永久に磁化された材料にも当てはまります（しかし、それは別の議論です）。フィールドを忘れて、それらは世界を理解したくない人々のための数学的構造です。

これらの答えはすべて素晴らしいですが、逆起電力に関する質問に答えるために、留意すべき重要なポイントは次のとおりです。

1. 変化するBフィールドはEフィールドを誘発します。

2. Eはε（emf）に関連しています：ε= W / q-> W =∮F⋅ds-> W / q =-∮（F / q）⋅ds-> E = F / q-> W / q =-∮E⋅ds（ここで、sは運動方向の微小距離）

したがって、変化する磁場がある場合、誘導されたE場があり、したがって誘導電圧（emf）があります。

3. ε=-∮（E_ind）⋅ds=-∂（Φ_B）/∂t=-（d / dt）（∫Β⋅dA）ここでBフィールドが変化していることを忘れないでください：=-（∂Β/∂t ）A

定電圧源（バッテリーなど）に対抗する理由は、単にF（Eに比例）がBとIに垂直に向いているためです。

4. F = Ids×B。（現在の時間ds、Iの方向のワイヤの極小片—電流はワイヤのみを流れることができます）

（右手の規則によって与えられる方向）

この力は、Fの方向の電流の電荷に速度成分を追加します。次に、この新しい速度成分は、新しい成分とBフィールドに対して相互に直交する力成分を作成します。電流、または元の供給電圧に対抗するため、「逆起電力」と呼ばれる理由。

充電を遅くするのは、この逆起電力です（ブロックしません）。