Когда говорят о накоплении энергии, сразу приходят в голову разнообразные аккумуляторы, конденсаторы, батареи и даже гравитационные (подъём веса на высоту, а потом медленное опускание), и гидравлические (плотина с резервуаром воды как пример) накопители энергии.

При этом, человеку, далёкому от электроники, даже в голову не придёт, что энергию можно запасать… в проволоке! А точнее, — в проволочных катушках.

Ниже мы поговорим более подробно, что это такое, зачем это надо и как полезным образом можно использовать.

Это статья не будет каким-то откровением для тех, кто глубоко в теме, но, тем не менее, для всех остальных, надеюсь, что, будет интересно!

Итак: «за-па-сать энер-гию в про-во-ло-ке». Звучит, как какой-то бред, не так ли? :-D

Ведь мы привыкли, что проволока является проводником электричества, и уж никак не накопителем! Тем более, что, на первый взгляд, такие решения особо нельзя наблюдать вокруг…

Но это глубокое заблуждение — дело в том, что подобные решения в неисчислимом множестве окружают нас со всех сторон, в составе разнообразных электронных устройств: всевозможные катушки, дроссели и т.д.

Но давайте, начнём, всё же, с самого начала…

*В заголовке говорится о «хранении» и здесь нет никакой ошибки: такое хранение действительно возможно, только оно ограничивается короткими промежутками времени: от нано/микросекунд — до даже десятков минут (магнитные замки, с замыканием магнитного потока внутри магнитопровода, что позволяет держать дверь закрытой, даже при выключенном питании). Тем не менее, даже самое короткое время хранения имеет важное значение и широко используется в технике.

Для простоты, возьмём обычный прямой проводник, то бишь кусок проволоки и, допустим, что на его концах (не важно по какой причине и каким способом) возникла разница потенциалов — благодаря чему один конец проводника стал заряжен отрицательно (другими словами на этом конце наблюдается избыток электронов), а другой конец стал заряжен положительно (то есть, здесь наблюдается недостаток электронов).

И вот тут возникает любопытный момент: если мы в обычных рассуждениях говорим о недостатке и избытке электронов, то получается, что внутри этого проводника что-то движется?

В обыденных рассуждениях и мышлении, мы за аксиому берём утверждение, что «ну как же, там ведь движутся электроны!» — нисколько не задумываясь о сути этого процесса.

И, частично это правда: электроны действительно движутся, так как в металлах присутствует всегда некоторое количество свободных электронов, так называемый «электронный газ», но движутся они, когда ток течёт по проводнику, не в том смысле, в котором мы ожидали бы это увидеть, как, например, вода вытекает из крана и наполняет ведро, физически перемещаясь с места на место, — а, как бы «толкая» друг друга, где этот толчок происходит между соседями, таким образом, происходит «передача импульса», а не физическое движение электронов по всей длине проводника — из одного конца в другой.

При этом, вот эта передача импульса как раз и происходит очень быстро — со скоростью света.

Чем-то это похоже на сувенирную физическую игрушку — ну, знаете, где висят на леске, подвешенные металлические шарики друг рядом с другом, в виде линии, и толкают друг друга...

Причём, любопытным моментом является тот, что электроны не толкают друг друга, в буквальном смысле — а происходит взаимодействие их полей, наподобие того, как магниты отталкиваются, если их поднести к друг другу, одинаковым полюсом — вот этот момент (взаимодействие полей) мы запомним — он нам ещё пригодится ниже.

Ещё одна любопытная деталь: когда внешний потенциал не приложен, электроны, можно сказать, как бы «хаотично вибрируют» на своём месте, а при приложении потенциала — эта вибрация становится как бы направленной, из одной стороны — в другую (передали импульс-вернулись обратно, передали импульс-вернулись обратно и т.д.).

Сразу возникает ещё один логичный вопрос: а как они вообще могут двигаться, внутри существующей структуры?

Дело здесь в том, что самое простое понимание происходящего будет, если мы представим губку для мытья посуды, которая смачивается водой — точно так же и свободные электроны, тот самый «электронный газ», свободно движется внутри существующей структуры кристаллической решётки, наподобие того, как вода смачивает губку.

При этом, не сказать, чтобы они могли совсем свободно двигаться — кристаллическая структура всё-таки мешает: в процессе своего движения они очень часто ( раз в секунду) сталкиваются с ионами кристаллической решётки, или с другими электронами — за счёт чего теряют свою энергию, и, при этом, наблюдается два параллельных явления:

• Столкновение с ионами кристаллической решётки приводит к усилению их колебаний (так то, они в любом случае колеблются, из-за тепла), и, как вы могли бы догадаться, — усиление колебаний приводит к чему? Верно — к увеличению нагрева!
  
  Вот откуда берётся нагрев проводника — если сказать совсем по-простому, то температура — это мера колебания частиц (если рассматривать на микроуровне)!
• При этом, наблюдаются ещё столкновения и с другими свободными электронами (не только с ионами кристаллической решётки) — что, в свою очередь, заставляет их чаще сталкиваться с ионами кристаллической решётки — таким образом, столкновения с другими электронами только косвенно влияют на нагрев, но, в конечном итоге, тоже приводят к нему (при этом такие столкновения происходят в любом случае — что при наличии потенциала на концах проводника, что без него, но хаотичное движение во время отсутствия потенциала мешает проводнику самопроизвольно неограниченно нагреваться и он только как бы поддерживает температуру на уровне окружающей среды).

Оба этих процесса (перечисленные выше), и идущие параллельно, и приводят, в конечном итоге, к повышению температуры проводника!

И вот, наконец, мы и подошли к самому интересному :-) — выше мы сделали пометку, что «надо бы запомнить, что движущиеся электроны сталкиваются не непосредственно друг с другом, а происходит взаимодействие их полей».

А откуда вообще берётся это поле? Дело тут в том, что любой движущийся заряд, согласно законам Максвелла, создаёт вокруг себя магнитное поле: если потенциала на концах проводника нет, то электроны колеблются хаотично, и их поля взаимно компенсируют друг друга, поэтому и вокруг проводника тоже поля нет; если же потенциал на концах проводника присутствует, то электроны колеблются согласованно, и их поля складываются, образуя вокруг вокруг пути их колебаний концентрическое магнитное поле.

Здесь и далее повсеместно будет использоваться термин «магнитное поле», вместо (по идее) более логичного «электромагнитное поле». Это сделано умышленно, для простоты чтения.

Обратите внимание: я сказал не «проводник», а сказал «путь колебаний электронов» — так как не всегда электроны могут колебаться внутри проводника, выглядящего как кусок стержня, разного профиля.

Яркий пример этого — токи Фуко — замкнутые, О-образные пути токов (так называемые «вихревые токи», хотя, возможно, было бы сказать корректнее — «пути колебаний») — в толще токопроводящего вещества, располагающиеся тем ближе к поверхности, чем выше частота тока (называется это «скин-эффект»).

Теперь представим, самый простой вариант, что у нас прямой проводник, в виде отрезка провода, через который проходит ток, и, соответственно, он окружён магнитным полем.

Предположим, что на концах этого проводника пропал потенциал, то есть ток был выключен — в таком случае произойдёт следующее: поле, которое окружает проводник не пропадёт моментально — оно будет стремиться восстановить ток, другими словами, оно начнёт резкое сжатие (коллапс поля), которое произойдёт в один импульс, и один раз «толкнёт» электроны.

То есть, другими словами, здесь мы видим, что электроны и их поле выступят как своего рода «обратимая машина» — как обычно говорят про электродвигатель, который, с одной стороны, может крутиться, если на него подать питание, а может и вырабатывать ток, если крутить его вал механически (например, рукой).

Проводя подобную аналогию (для упрощения понимания), можно сказать, что изначальный ток сквозь проводник, как бы «раскрутил вал», и после того, как мы перестали его раскручивать (т.е. выключили питание) — точно так же, как и электродвигатель не остановится моментально, так и существующее поле, ещё раз, напоследок, толкнёт электроны, сгенерировав импульс тока сквозь проводник!

В качестве небольшого отвлечения: подобный момент хорошо наблюдается в электродвигателях, и вообще, в любых электромагнитных устройствах, даже поступательного движения (как поршень) или просто электромагнитах (как, например, мощные электромагниты на свалках, которые поднимают металлический лом), и является негативным явлением, так как, после выключения питания — это устройство, начинает вырабатывать само ток, хотя от него этого никто не ждал и не хотел!

И, если не защититься от этого выброса тока, то это может привести к повреждению управляющей электроники, и для борьбы с этим, специально проектируют схемы питания таким образом, чтобы они были защищены от этого обратного импульса тока.

Насколько мощным будет этот импульс, если проводник представляет собой единый прямолинейный электрод, то есть, отрезок провода?

Сразу можно сказать, что этот импульс будет очень слабеньким, и, к примеру, для провода длиной в 1 м, диаметром 1 мм, при токе 1 А — составит всего лишь порядка 0,75 мкДж.

И при коллапсе поля, предположительно происходящему, в течение 1 мкс, сможет сгенерировать порядка 1,5 В, с током в 1,5 А.

Но, всё кардинально изменится, если мы этот провод свернем в катушку!

Предположим, что тот же самый провод свернут в катушку, состоящую из 100 витков — в таком случае, выходная энергия подпрыгнет аж до 24,6 мкДж, что позволит сгенерировать за ту же 1 мкс — уже 49,3 В, с током 49,3 А!

Почему же так получается?
Дело в том, что катушка существенно выигрывает перед линейным единым проводником, так как каждый её виток излучает магнитное поле и эти поля складываются, концентрируясь в середине катушки.

В дальнейшем, если выключить питание катушки, то она излучит эту энергию магнитного поля в виде импульса электрического тока.

Этот эффект накопления энергии, можно даже усилить, если в центре катушки расположить ферромагнитный сердечник; тогда, в момент прохождения тока через катушку, поле катушки будет воздействовать на ферромагнитный сердечник таким образом, что магнитные моменты неспаренных электронов* в атомах внутри него временно выстроятся вдоль линий поля, и быстро вернутся обратно, в момент отключения питания и ещё больше усилят генерацию тока.

*Под «неспаренными» электронами понимаются такие электроны, у которых нет партнёра, имеющего противоположную направленность (спин), и благодаря чему их магнитные моменты могли бы быть уравновешены и суммарно равны нулю; наш же «красавец» выступает как своего рода микромагнит, реагирующий на внешнее поле таким образом, что может выравнивать свой спин относительно поля (спин – это квантовая характеристика электрона и означает, направлен ли его магнитный момент по внешнему полю или против него).

Сила генерации будет зависеть от того, какой ферромагнетик использован — то есть, будет ли остаточная намагниченность.

Говоря по-простому: насколько быстро он сможет, как своеобразная «пружина», — выпрямиться и отдать энергию?

Поэтому, в зависимости от частоты, могут применяться разные материалы:

• например, мягкая трансформаторная сталь, относительно медленно размагничивается, поэтому диапазон её частот использования находится в пределах до килогерц;
• в свою очередь, ферромагнитная керамика (ферриты) быстро намагничивается и также быстро размагничивается при пропадании поля – поэтому генерирует очень мощный импульс (и быстро) – благодаря чему может быть использована вплоть до частот в мегагерцы, генерируя наносекундные импульсы.

Где вообще может понадобиться накопление энергии в катушках?

Про линейные проводники мы почти не говорим, так как их эффект слишком слабенький, и используют, поэтому, в основном, катушечные конструкции.

Катушечные конструкции для накопления энергии используют:

• например, для передачи радиоволн, в антеннах, где катушка, совместно с конденсатором, формируют колебательный контур, излучая радиоволны;
• в источниках питания импульсного типа, где катушка постоянно накачивается импульсами и плавно отдаёт генерируемую энергию потребителю, что позволяет (как вариант) поднять напряжение;
• для беспроводной передачи энергии, например, в беспроводных зарядках, где катушки связаны магнитным полем;
• и т.д.

Но, на мой взгляд, одним из самых интересных способов применения катушки (поэтому я даже не включил его в список выше, и вынес отдельным объяснением) является использование катушек для торможения электрического тока! О_о

«Как такое может быть?» — спросите вы. А вот как: мы уже знаем, что в антеннах приёмников и передатчиков могут использоваться катушки.

Предположим, что на антенну приёмника неожиданно приходит мощный импульс излучения, который преобразуется антенной в мощный импульс электрического тока, который может сжечь приёмник.

Но, мы же не забываем, что любое прохождение тока через катушку, вызывает генерацию магнитного поля, и при этом возникает очень интересный эффект: это поле начинает тормозить прохождение электронных импульсов сквозь катушку, заставляя их течь согласно характеристикам катушки! :-)

Они бы и рады двигаться быстрее — но нет: дверка то узенькая! «Хотелось бы бежать, но придётся идти пешком» — то есть, катушка сопротивляется слишком быстрому нарастанию тока и гасит мощные приходящие импульсы. Магнитное торможение, как оно есть…

Итак, подытоживая весь этот рассказ, хочется сказать, что катушка весьма интересная сущность, и, в широком смысле, — «накопление энергии в проводах» более чем реально, и повсеместно используется. :-)