Induktivna energija

Energija induktora (W) je energija magnetskog polja koje stvara električna struja I koja teče kroz žicu ove zavojnice. Glavna karakteristika svitka je njegov induktivitet L, odnosno sposobnost stvaranja magnetskog polja kada električna struja prolazi kroz njegov vodič. Svaka zavojnica ima vlastiti induktivitet i oblik, stoga će se magnetsko polje za svaku zavojnicu razlikovati po veličini i smjeru, iako struja može biti potpuno ista.

Ovisno o geometriji određene zavojnice, o magnetskim svojstvima medija unutar i oko nje, magnetsko polje stvoreno propuštenom strujom u svakoj razmatranoj točki imat će određenu indukciju B, kao i veličinu magnetskog toka F - također će se odrediti za svako od razmatranih područja S.

Ako to pokušamo sasvim jednostavno objasniti, onda indukcija pokazuje intenzitet magnetskog djelovanja (vezano sa snagom ampera), koji je sposoban izvršiti dano magnetsko polje na vodič sa strujom koji se nalazi u tom polju, a magnetski tok znači kako je magnetska indukcija raspoređena po površini koja se razmatra.Dakle, energija magnetskog polja zavojnice sa strujom nije lokalizirana izravno u zavojima zavojnice, već u volumenu prostora u kojem postoji magnetsko polje, a koje je povezano sa strujom zavojnice.

Činjenica da magnetsko polje strujnog svitka ima stvarnu energiju može se otkriti eksperimentalno. Sastavimo strujni krug u koji spajamo žarulju sa žarnom niti paralelno sa svitkom sa željeznom jezgrom. Primijenimo konstantni napon iz izvora struje na zavojnicu žarulje. Struja će se odmah uspostaviti u krugu opterećenja, teći će kroz žarulju i kroz zavojnicu. Struja kroz žarulju bit će obrnuto proporcionalna otporu njezine žarne niti, a struja kroz zavojnicu obrnuto proporcionalna otporu žice kojom je omotana.

Ako sada iznenada otvorite prekidač između izvora napajanja i strujnog kruga opterećenja, žarulja će se uključiti nakratko, ali prilično zamjetno. To znači da kada smo isključili izvor struje, struja iz zavojnice je pojurila u lampu, što znači da je u zavojnici bila ta struja, imala je magnetsko polje oko sebe i u trenutku kada je magnetsko polje nestalo, u zavojnici se pojavio EMF.

Ovaj inducirani EMF naziva se samoinducirani EMF jer je usmjeren vlastitim magnetskim poljem zavojnice sa strujom na samoj zavojnici. Toplinski učinak Q struje u ovom slučaju može se izraziti umnoškom vrijednosti struje koja je bila ugrađena u zavojnicu u trenutku otvaranja sklopke, otpora R kruga (zavojnica i žice žarulje) i trajanje vremena nestanka struje t.Napon razvijen preko otpora kruga može se izraziti u smislu induktiviteta L, impedancije kruga R i također uzimajući u obzir vrijeme nestanka struje dt.

Primijenimo sada izraz za energiju zavojnice W na poseban slučaj - solenoid s jezgrom koja ima određenu magnetsku propusnost koja se razlikuje od magnetske propusnosti vakuuma.

Za početak izrazimo magnetski tok F kroz površinu presjeka S solenoida, broj zavoja N i magnetsku indukciju B duž cijele njegove duljine l. Zabilježimo najprije induktivitet B kroz struju petlje I, broj petlji po jedinici duljine n i magnetsku permeabilnost vakuuma.

Zamijenimo ovdje volumen solenoida V. Pronašli smo formulu za magnetsku energiju W i dopušteno nam je iz toga uzeti vrijednost w—volumensku gustoću magnetske energije unutar solenoida.

James Clerk Maxwell jednom je pokazao da je izraz za volumensku gustoću magnetske energije točan ne samo za solenoide, ali i za magnetska polja općenito.