Куда девается энергия?

В физике существует ряд вопросов, на которые ответить не так просто, и у меня раз от разу возвращаясь к этому вопросу возникает все большее и большее убеждение в том, что сам я на этот вопрос ответить не могу. Но для понимания самого вопроса нужно провести некую аналогию с вполне известным результатом.

И так, существуют две электрические системы. Первая система, это обычный дроссель, или как его еще можно назвать индуктивная емкость. Вторая, это соленоид, или как еще говорят электромагнитный клапан. В качестве примера можно рассматривать обычное втягивающее реле стартера автомобиля. Что же здесь общего и в чем существенные различия между двумя этими системами?

Для индуктивности справедливо утверждение, скорость роста тока через индуктивность пропорциональна приложенному к нему напряжению и обратно пропорциональна величине самой индуктивности:

dI/dt= U/L

В случае если напряжение на дросселе постоянно ток возрастает по линейному закону:

I(t)=U/L*t

В общем смысле график нарастания и убывания тока на индуктивности показан на рисунке ниже.

Энергия, запасенная в нашем дросселе, будет выражаться по формуле:

W = L I²/ 2

Как вы понимаете соленоид мы так же можем рассматривать в качестве катушки индуктивности, которая будет иметь несколько иные характеристики. Первично индуктивность соленоида будет низкая и по мере втягивания магнитного сердечника внутрь соленоида его индуктивность будет возрастать, значит мы должны ввести такой параметр как ∆L, а не просто L как в предыдущем случае. Для соленоида справедливо утверждение, скорость роста тока через соленоид пропорциональна приложенному к нему напряжению и обратно пропорциональна величине изменения индуктивности:

dI/dt = U/∆L

В случае если напряжение на соленоиде постоянно, ток до определенного уровня возрастает по линейному закону, а дальше с ростом индуктивности, его рост затормаживается и потом опять начинает возрастать. Но в некоторых случаях возможно найти такую точку системы, при которой ток будет возрастать на ряду с ростом индуктивности, и мы сможем применить ту же формулу что и для дросселя, I ( t )= U / L * t .

В таком случае возникает вопрос, а какая часть энергии останется в соленоиде, при условии, мы будем использовать силу втягивания сердечника, как полезную энергию? Где будут наблюдаться потери энергии при приложении различных механических нагрузок к нашему соленоиду и каково будет их соотношение?

Между дросселем и соленоидом есть разница.   Дроссель всю энергию отдает в контур (ну почти всю).  

А соленоид большую часть энергии отдает на втягивание сердечника (механическая энергия, трение).  Во время движения сердечника внури соленоида — меняется индуктивность соленоида.  

Вот Вы показали график. Но практика просмотра графиков от индуктивностей показывает то что у Вас график сильно упрощен — нет всплесков характерных для включения индуктивностей. 

Вообще включение индуктивности  — это целый раздел электромеханики.  И детальный график Вам как раз покажет куда девается энергия.

Charge   что конкретно Вы хотите узнать ?

Система в которой электрическая энергия переходит в механическую — любой электродвигатель, соленоид.

Энергия — это возможность совершить работу.  Нет частиц энергии вообще. Есть отдельные частицы на разные виды энергии. Фотон — частица световой энергии.

Да информация — это некоторая неоднородность, а неоднородность потом станет равномерностью и будет выделена энергия. 

При чем здесь формула Эйнштейна о энергии и скорости света ?

У Вас простейшая схема через резистор ограничивающий ток пуска запускаем дросель.  Да посчитать график тока в дроселе и напряжение на дроселе не так уж и просто.  Но мы же сейчас не считаем данный контур.  Вон берем MicroCAP да запускаем — смотрим.

Charge  давайте попробуем сформулировать Ваш вопрос. Вам что-то не понятно или Вы не согласны с каким-то постулатом ? 

#53822 givigudze :

Charge   что конкретно Вы хотите узнать ?

Система в которой электрическая энергия переходит в механическую — любой электродвигатель, соленоид.

Энергия — это возможность совершить работу.  Нет частиц энергии вообще. Есть отдельные частицы на разные виды энергии. Фотон — частица световой энергии.

Да информация — это некоторая неоднородность, а неоднородность потом станет равномерностью и будет выделена энергия. 

При чем здесь формула Эйнштейна о энергии и скорости света ?

У Вас простейшая схема через резистор ограничивающий ток пуска запускаем дросель.  Да посчитать график тока в дроселе и напряжение на дроселе не так уж и просто.  Но мы же сейчас не считаем данный контур.  Вон берем MicroCAP да запускаем — смотрим.

Charge  давайте попробуем сформулировать Ваш вопрос. Вам что-то не понятно или Вы не согласны с каким-то постулатом ? 

Узнать я хочу очень простую вещь, как или каким образом и по каким законам электрическая энергия превращается в механическую! Я знаю одну простую вещь IU (ток умноженный на напряжение) = FV (механическая сила на скорость) * N (КПД системы).

Но у меня в данной системе есть не только вопрос но и некая теория по какому принцепу все это происходит, но это только теория. Хотя об этом не здесь, мне интересно в первую очередь мнение форума!  

#53820 givigudze :

Между дросселем и соленоидом есть разница.   Дроссель всю энергию отдает в контур (ну почти всю). 

Ерунда.

А соленоид большую часть энергии отдает на втягивание сердечника (механическая энергия, трение). 

Ерунда.

Вот Вы показали график. Но практика просмотра графиков от индуктивностей показывает то что у Вас график сильно упрощен — нет всплесков характерных для включения индуктивностей. 

Ерунда.

#53822 givigudze :

Нет частиц энергии вообще.

Да.

Есть отдельные частицы на разные виды энергии.

Нет.

Фотон — частица световой энергии.

Нет.

Да информация — это некоторая неоднородность, а неоднородность потом станет равномерностью и будет выделена энергия. 

Ерунда.

При чем здесь формула Эйнштейна о энергии и скорости света ?

При том. Эта формула про связь энергии покоя и массы.

У Вас простейшая схема через резистор ограничивающий ток пуска запускаем дросель.  Да посчитать график тока в дроселе и напряжение на дроселе не так уж и просто.  Но мы же сейчас не считаем данный контур.  Вон берем MicroCAP да запускаем — смотрим.

Посчитать — просто.

Запускаем, смотрим — то же самое, что посчитали.

Катушка индуктивности — любая катушка без сердечника.

Дроссель — катушка индуктивности с сердечником, который плотно сидит в вдросселе и не двигается в процессе работы. Но есть подстроечные дроссели.  Дроссели бывают разной формы и разных видов намотки.

Соленоид — это катушка индуктивности, у которой внутри находится подвижный сердечник.   Некоторые называют соленоидом  катушку индуктивности  цилиндрическую без сердечника.  Естественно соленлоид не может быть любой формы.

В расчетах используют упрощенные формулы, коэффициенты, — довольно упрощенные методы, но это не значит что они простые в понимании.  Ну кому интересно посчитайте, проверьте.   Я когда доработочный чертеж к сердечнику для трансформатора делал, читал документы на сердечник — в документации на сердечник столько параметров, что жуть.  Пробуйте, разбирайтесь — ничего невозможного нет. 

Как расчитать соленоид — я лично не знаю.  Очень много процессов. ANSYS — точно расчитает.  Даже не представляю как делать установку для проверки характеристик соленоида. 

#53849 givigudze :

Любой электрический процесс имеет объяснение в квантовом мире. 

Скажем аккуратнее — почти любой.

Там уже всё по-другому.

Другая там математика.

И скорее всего все хитрости по Максвеллу не работают в квантовой электродинамике Фейнмана. 

Квантовая электродинамика (КЭД) полностью совместима с классической (уравнениями Максвелла). Принцип соответствия Бора.

Другое дело, что КЭД объясеяет (описывает математически) явления, классической электродинамике недоступные, типа фотоэффекта или эффекта Комптона.

Данная статья появилась не на пустом месте, и ей предшествовала однажды мною прочитанная заметка, о том, знает ли Бог нашу с вами судьбу. В данной статье говорилось о том, что Бог знает все и видит все, но в чем тогда смысл нашего с вами бытия, когда все вроде как предрешено. Ответ на этот вопрос перекликается как с религией, так и философией одновременно, но сейчас давайте взглянем на это, с точки зрения обычной физики.

Многие слышали и возможно убеждены в том, что наш мир трехмерен, на самом деле он четырехмерен, четвертое измерение – это время. Время — это измерение которое не возможно увидеть или потрогать, но оно является определяющим в нашем с вами мире.

Прежде чем рассматривать время с физической точки зрения, давайте немного подумаем, пофилософствуем и вспомним что говорит нам Библия. Если помните, то Библия нам пророчит вечную жизнь после смерти, а значит в том мире нет времени как такового, значит не только Бог, а любой «другой» или «другое», возможно существо или сущность, может с легкостью посмотреть, что будет с нами здесь на земле в будущем, или что было с нами в прошлом. В том мире нет такого измерения как время. Разумеется, все эти умозаключения носят сугубо личностный характер, и мы не можем с уверенность утверждать так ли это или нет, но кто знает, возможно мы сейчас познаем истину, а может это только плод некой фантазии. Допустим, мы рассуждаем правильно, но что в таком случае получается? В каком-то смысле наша с вами судьба все равно завит только от нас и наших с вами поступков. Другое дело, все это уже предрешено и наглядно понятно, но не нам с вами, а где-то там, куда доступ нам до поры закрыт.

Если принять за основу такой философский подход, о том, что наши предки могут наблюдать за нами и знают, что с нами будет и что было, возможно многие вещи которые иногда происходят с людьми встанут на свои места. Я не раз слышал от других людей истории о том, что их иногда предупреждают, что, что-то делать нельзя. Но в таком случае и мы должны вести себя подобающим образом, чтобы нашим предкам не было за нас стыдно. Принимая подобную философию, становятся понятны многие библейские истины и многие морально этические принципы нашего с вами бытия.

Давайте предположим, у каждого из нас есть не только наша собственная судьба, но и некоторое, Богом данное предназначение. Судьба, в таком случае, есть некоторое стечение случайных обстоятельств и наших с вами поступков, которые заранее предрешены и известны, но наверняка есть и некоторый Божий Промысел в некоторых наших действиях и поступках, заранее прогнозируемых высшим разумом. И наверняка, так как мы все дети божии, мы действительно как дети можем слушать то, что нам говорят, а можем не слушать, выбор всегда остается за нами, в этом и есть наша собственная судьба, которая является нашими осознанными действиями и решениями. По этой причине основная масса религий проповедует богобоязненность действий человека и тем самым пытается действовать не только в угоду Бога, а больше, как инстинкт самосохранения личности — в угоду самого человека. До какой-то степени богобоязненность человека больше подходит в неосознанном восприятии божественных истин. Если же рассматривать Бога как отца и высший разум, стремящийся своих детей вразумить и наставить на путь истинный, то стоит учиться слышать и чувствовать его наставления и волю. Все это происходит через молитву или медитацию в зависимости от религиозного убеждения. Человек в силу ограниченности своего знания и мышления не способен осознавать все возможные последствия своих, кажущимися безобидными действиями. По этой причине, прежде чем начать какое либо, особенно очень важное для вас дело, помолитесь и попросите Господа помочь в ваших начинаниях! Сделайте это не только за себя, но и за других, особенно за близких вам людей!

Исходя из вышесказанного, не стоит опускать вопросы веры. Вера — а кому необходима вера — с одной стороны, вера в Бога как бы нужна самому Богу, но на самом деле вера больше нужна человеку. Человек слаб, ему нужна некая опора в сложных жизненных ситуациях. Но если посмотреть с точки зрения того, что Бог — это наш небесный отец и покровитель. Подумайте, как часто вы обращаетесь к своим родителям? Да, да, когда вам нужна помощь! Но в отличие от живых родителей, Бог всегда рядом, он всегда с вами! И самым действенным механизмом общения с Богом является вера. Веры дух и есть спасение, а еще помощь и опора в вашей судьбе и жизни!  

В Библии, очень много времени уделяется вопросам греха. Давайте предположим, когда придет время, человек сам попадет в тот мир, где нет времени. И вот вы стоите рядом со своими близкими и смотрите как вы много лет назад ругались, и не дай бог, поднимали руку, на своего, близкого вам человека, как вы себя будете чувствовать в этот момент? При этом не забывайте, вам жить придется с этим целую вечность. Как вам такое, вот вам рай, а вот вам — ад. Покаяние, это избавление от чувства вины или стыда, но только покаяние должно идти от сердца и души, а не ради красивого словца! Странно, но когда начинаешь мыслить такими мерками, то и некоторые проблемы в жизни начинают казаться мелочными и никчёмными.

Дальнейшие философские измышления я оставлю на суд читателя, а сейчас хочется вернуться к прагматичной физике. И начну я с такого понятия как скорость. Если помните, скорость есть пройденное расстояние за единицу времени. Напомню, расстояние это отрезок между двумя точками в пространстве. Тогда, если времени, как физической величины нет, то и скорости нет, а это значит, что и пространства в привычном нам понимании не существует. Согласитесь, на сколько сейчас выражение о том, что Бог вездесущ, приобретает более понятное не только с философской, но и с физической точки зрения объяснение. Получается, что в том мире нет не только времени, но пространства как такового, а что же там есть? Информация: да, тот мир и есть, то самое информационное биополе, о котором иногда говорят некоторые ученые. Если помните Библия начинается со слов, “В начале было слово и слово было Бог”. А что такое слово, это и есть информация. Таким образом получается, все мироздание появилось именно из информационного пространства, а не из элементарных частиц, как нас пытаются убедить некоторые физики. Причем, данное информационное поле сформировано вне измерения времени, и могло формироваться как мгновенное явление, так и бесконечно долгое явление, т.к. время определить невозможно.

Рассуждая далее, я пришел к одному выводу:

Наш материальный мир состоит из энергии или энергий различного порядка. Иными словами, материя состоит из энергии, а энергия состоит именно из информации. Информационное поле так или иначе будет вызывать энергетические всплески различных порядков и уровней. Процессы в данной энергетической системе будут протекать уже с конечной скоростью, близкой к скорости света. Соответственно, энергия и энергетические поля будут формировать материю и далее наш материальный мир. Вот такая философия у меня получилась. Я не знаю, насколько я близок к истине, или мои философские измышления являются только плодом моей фантазии. Но как говорится «сказка ложь, да в ней намек, добрым молодцам урок».

На всякий случай, хочу принести извинения людям Веры, если вдруг каким-то случайным образом моя статья задевает их религиозные взгляды.         

#53921 givigudze :

Charge   Может для начала осцилограф, соленоид и резистор с блоком питания ?    Нужен цифровой осцилограф на 1 ГГц  частотой выборки.   Если нет — можно в ВУЗе ближайшем напросится  или на завод какой-нить на практику устроится.   Просто повключать катушку и посмотреть на ток через катушку и напряжение на ней, вроде же не сложно. 

Вы не поняли сам смысл того, что мне нужно. Я знаю, как поведет себя катушка на соленоиде и осциллограф есть, мне нужно понять сам механизм превращения электрического тока в механику. А вообще я собираю стенд на базе ардуины (подумываю на счет ПЛИС) с выводом на комп. и обработкой через python с фиксацией всех параметров в реальном времени. Ток, мощность и напряжение, как при импульсе включения питания и механическую нагрузку, так и обратную ЭДС с соленоида на короткое замыкание или на известную нагрузку после снятия напряжения.

#53961 givigudze :

Давайте начнем с резистора.  Вот подключили мы резистор к батарейке  и U*I   — становится тепловой энергией.

А теперь предположим что мы включаем не  резистор, а  другой прибор в котором  U*I  — становится в большей частью механической кинетической энергией. 

Для катушки есть формула внутренней магнитной энергии.  Вот эта энергия и может перейти в механическую если у катушки внутри будет подвижный сердечник.

ТО есть сначала энергия электрического тока (от разделения зарядов)  переходит в магнитную, магнитная энергия действует на элементы тока  и превращается в кинетическую.  Как видите, одной формулой не обойдешься. 

Нет, так не пойдет. Давайте для начала разберем разницу между соленоидом и дросселем, а то меня тут выспрашивали откуда ∆L взялась, хотя, наверное, математически правильнее будет dL/dt. У дросселя индуктивность всегда постоянная, а у соленоида она меняется в зависимости от положения сердечника, это легко проверить при измерении индуктивности L C – метром, он у меня хоть и китайский, но показывает вроде бы точно, разница видна однозначно.

Теперь мы подключаем наш соленоид к источнику постоянного тока. Да, действительно будет небольшой всплеск как у Вас на осциллограмме. Это происходит из-за обратного ЭДС катушки в соседних витках катушки. Обычно она принципиальна в катушках без сердечников, вернее это и есть характеристика катушки индуктивности без сердечника, туда же добротность катушки и т.д. Для катушек или дросселей с сердечником и тем более для трансформаторов этот всплеск не учитывается, так как не оказывает существенного влияния на КПД.

Ну что же, включаем соленоид ток начинает нарастать dI/dt, при определенном значении тока начинает втягиваться сердечник и здесь ток из-за увеличения индуктивности dL/dt как бы на некоторое время замирает на месте, далее после втягивания сердечника ток дальше начинает нарастать но только до определенного предела, катушка соленоида рассчитана на постоянное напряжение и может его выдерживать достаточно длительное время, хотя есть катушки не рассчитанные на постоянное включение и поэтому ПВ (продолжительность включения) у них менее 100%. Я этот эксперимент проделывал не раз и за точность происходящего ручаюсь. Но мы не собираемся длительное время оставлять нашу катушку соленоида включенной и по достижению максимального тока, выключаем ее и ЭДС накопленное в катушке переводим на нагрузка. И ведь поверьте мне на слово ЭДС в соленоиде есть. Отсюда вопрос, мы затратили определенную энергию на механическое втягивание катушки и мы можем вернуть часть энергии из соленоида назад, но какую энергию и где и когда она теряется, как посчитать и где найти нужные формулы а главный вопрос как физически происходит переход из электрической энергии в механическую?    

Чего-то много вопросов.

1. Чем более ферритный феррит в катушке — тем ярче первый всплеск.   А вы еще отключите резко катушку и посмотрите что будет на осцилографе ... 

2. Токовые возможности, защиты от DC и прочее не рассматриваем.  У  меня есть пример соленоидов, которые работают 24 часа в сутки годами. 

3. Почему бы в соленоиде не быть ЭДС. Вот к примеру когда поезд тормозит — он не тормозит трением, там перекидывают обмотки (делают двигатель — генератором) и поезд отдает энергию в сеть — этим и тормозит.   Возьмите катушку от соленоида, подключите к осцилограву и кидайте неодимовый магнит внутрь катушки, и при этом внимательно смотрите на осцилограф. 

4. Что бы использовать энергию магнитного поля катушки, какая бы природа у неё не была — нужна соответсвующая схема, согласование сопротивления и прочее.,  что бы схема могла взять  эту энергию. 

5. Как только начинается движение сердечника в соленоиде — тогда и начинается главная потеря энергии.   Ну как потеря. Если Вы сделаете резонансную схему, которая сможет в определенные циклы забирать энергию из катушки, а потом в другие циклы выдавать — у Вас стержень будет вечно колебаться  — такой электродинамический резонатор получится.  В таком случае энергия никуда уходить не будет, надо только обмотку катушки сделать из сверхпроводника и охлажадать все жидким азотом. 

6. Ну блин,  подключите соленоид к переменному току...  только сердечник чем нибудь утяжелите или на пружинку его пределайте.   Надо довольно низкую частоту — Герц этак 5-6, больше соленоиду не съесть.

7. Формулы есть в технической электродинамике Петрова. Методики как раотать с формулами нет.   Дроссель расчитать — задача довольно сложная.  В практике считают упрощенными, абстрактными методами.

8. Как электрическая энергия переходит в механическую.  — Пьезоэлектрическим эфектом.  Как магнитная энергия переходит в механическу — за счет силы Лоренца.   Переменное электрическое поле и так в себе содережит переменное магнитное — так что опять сила Лоренца.    Ну возьмите два подвижных электромагнита. Магниты друг к дружке жмутся — тратят энергию  из проводов.

Вы ставите себе сложную задачу, простых  ответов не будет.

Добротность катушки без феррита много меньше катушки с ферритом.   Про феррит  думаю Вы все правильно понимаете.  Ну только надо еще про насыщение почитать.   + Магнитострикция — для общего развития.

Что Вам дает ваша схема накопления энергии ?  

Куда тратится энергия. Сердечник трётся о каркас катушки.   Энергия тратися на намагничивание феррита, он ведь не идеальный (+ читаем про магнитострикцию)  Провода не идеальные — пока ЭДС туда сюда — провода нагреваются — получается тепло — оно излучается в окружающую среду.

Формула, где формула ?  Берем книжку на ней написано «Техническая электродинамика», автор Петров. Там формул  — на всю жизнь хватит.  Или берем справочник Анурьева, Варламова — там большинство кратких основных формул есть.

Если мы сделаем резонатор из катушки из трубки в котрой ртуть  и обмотка охлаждается жидким азотом. Внутри у нас колеблется стержень из иделаьного феррита, то тогда энергия никуда тратится не будет. Опять же все должно быть идеально согласованно,  иначе будем тратиь энергию на излучение электромагнитных волн.

Пьезоэффект бывает прямой и обратный. Очень внимательно читаем про кварцевые резонаторы, генераторы, ПАВ-фильтры, пьезоизлучатели и так далее.

Сила Лоренца описывает силу, а так же может описывать изменение силы во времени.   Сила * Расстояние = Работа. то бишь энергия.   Чем не формула  ?

1. Не читать лишнего.

2. Основные  направления я Вам дал.

3. Не стараться решить задачу здесь и сейчас, разрешить себе решить задачу потом, но доступно для себя и понятно для себя.

4. Взять задачу по плечам.   В одной из тем я показал расчет силовых линий от двух зарядов. Попробуйте повторить, разобраться. Если кажется сильно легким — расчитайте магнетрон. 

5. Написать себе план изучения. Электростатика, Электродинамика, Радиофизика, Магнитные материалы, Дроссели Индуктивности Трансформаторы.

6. Паралельно заниматься математикой.    Научится составлять интеграллы, решать матрицы, рисовать векторы, проводить афинные преобразования, ряды Фурье, полином Чебышева, цилиндрические функции Ямеля Бесселя,   Изучить роторы векторы, дивергенции и других неведомых существ. 

7. Паралельно изучать ANSYS, PTC Creo, SolidWorks.

8. Паралельно изучать программирование в языке, в котором можно рисовать графику.

9. Заниматься схематехникой — MicroCAP, AVR-Studio  и прочее.

У всех разные пути.