Tại sao cuộn cảm tạo ra điện áp cao mà không phải là dòng điện cao?

Khi cuộn cảm sụp đổ (ví dụ, khi công tắc trong mạch cuộn cảm đột ngột mở), nó tạo ra điện áp cao thay vì dòng điện lớn. Điều này có thể được giải thích bằng các tính chất cơ bản của cuộn cảm và cơ chế lưu trữ năng lượng của nó. Dưới đây là một giải thích chi tiết:

Các Tính Chất Cơ Bản của Cuộn Cảm

Tính chất cơ bản của cuộn cảm có thể được biểu diễn bởi công thức sau:

trong đó:

V là điện áp trên cuộn cảm.

L là độ tự cảm của cuộn cảm. dI/dt là tốc độ thay đổi dòng điện theo thời gian.

Công thức này cho thấy điện áp trên cuộn cảm tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi dòng điện. Nói cách khác, cuộn cảm chống lại sự thay đổi nhanh chóng của dòng điện.

Lưu Trữ Năng Lượng

Cuộn cảm lưu trữ năng lượng khi dòng điện chảy qua nó, và năng lượng này được lưu trữ trong trường từ. Năng lượng E lưu trữ trong cuộn cảm có thể được biểu diễn bởi công thức sau:

trong đó:

• E là năng lượng được lưu trữ.

• L là độ tự cảm.

• I là dòng điện chảy qua cuộn cảm.

Khi Công Tắc Mở

Khi công tắc trong mạch cuộn cảm đột ngột mở, dòng điện không thể giảm xuống zero ngay lập tức vì trường từ trong cuộn cảm cần thời gian để giải phóng năng lượng đã lưu trữ. Vì dòng điện không thể thay đổi ngay lập tức, cuộn cảm cố gắng duy trì dòng điện đang chảy.

Tuy nhiên, vì công tắc đã mở, đường đi cho dòng điện bị cắt đứt. Cuộn cảm không thể tiếp tục duy trì dòng điện, nên nó tạo ra điện áp rất cao ở hai đầu của nó. Điện áp cao này cố gắng ép dòng điện tiếp tục chảy, nhưng do mạch đã bị đứt, dòng điện không thể qua, và cuộn cảm giải phóng năng lượng đã lưu trữ thông qua điện áp cao.

Giải Thích Toán Học

Theo mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện của cuộn cảm V=L(dI/dt) khi công tắc đột ngột mở, dòng điện I phải giảm xuống zero rất nhanh. Điều này có nghĩa là tốc độ thay đổi dòng điện dI/dt trở nên rất lớn, dẫn đến điện áp V rất cao.

Hiện Tượng Thực Tế

Trong các mạch thực tế, điện áp cao này có thể gây ra hiện tượng tia lửa hoặc làm hỏng các thành phần khác trong mạch. Để ngăn chặn điều này, thường có một điôt (được gọi là điôt hồi tiếp hoặc điôt tự do) được kết nối song song với cuộn cảm. Điều này cho phép dòng điện tiếp tục chảy qua điôt khi công tắc mở, do đó tránh việc tạo ra điện áp quá cao.

Tóm Tắt

Khi công tắc trong mạch cuộn cảm đột ngột mở, điện áp cao được tạo ra thay vì dòng điện lớn vì cuộn cảm cố gắng duy trì dòng điện đang chảy. Tuy nhiên, do mạch bị đứt, dòng điện không thể tiếp tục chảy, và cuộn cảm giải phóng năng lượng đã lưu trữ bằng cách tạo ra điện áp cao. Điện áp cao này là do tốc độ thay đổi dòng điện dI/dt rất lớn.