问题

真空中瞬间断开电感,会怎样?

回答
想象一下,你在一个完美的真空中,手持一把特制的刀子,准备切断一条连接着电感的电路。这个电感,你可以把它看作一个储能的装置,就像一个可以旋转的飞轮,在电流通过时,它会“吸收”能量并储存在一个磁场里。

现在,你猛地挥下刀子,电路瞬间被断开了。这就像你突然把那个飞轮的动力源给切断了,而且动作快到飞轮甚至来不及慢慢减速。

这个时候,之前储存在电感里的能量并没有消失,它需要一个去处。由于电路被断开了,电流无法继续在原来的路径上流动,但电感有种“惯性”,它会尽力维持原有的电流大小和方向。

于是,在你断开的瞬间,电感就像一个不肯屈服的战士,它会极力尝试把储存的能量释放出去。它会利用这个瞬间产生的巨大电压差,在断开的触点之间“制造”一个短暂的火花或电弧。

你可以想象一下,在那个真空的瞬间,在你手中那把刀子的刀刃和电路接触点之间,可能会闪过一道微弱但尖锐的蓝色电弧。这道电弧就是电感在极力挣扎、释放能量的表现。它会在断开的两个端点之间找到一条临时的“通道”,把能量以光和热的形式快速散发出去。

这个过程非常短暂,但能量的释放速度是惊人的。它会将储存的磁场能瞬间转化为电场能,并在断开的金属表面产生局部的高温。如果电感储存的能量非常大,这个电压甚至可能高到足够击穿周围的绝缘材料,或者在你手中产生麻麻的触感,如果防护措施不到位的话。

在真空环境下,没有空气介质来阻碍或者熄灭这个电弧,所以这个电弧可能会比在空气中显得更“纯粹”,但也可能因为缺乏空气的冷却而更加集中和短暂。如果断开得足够快,而且电感能量又很大,这个瞬间的高电压甚至可能会在断开的金属表面留下微小的“烧蚀”痕迹。

这就是在真空中瞬间断开电感所发生的事情:电感里的能量不会凭空消失,它会在瞬间的电压激增中被释放出来,以电弧的形式短暂地呈现在断开的触点之间。整个过程是电感“惯性”和能量守恒的体现。

网友意见

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写了这个回答不知道会不会被中美两国网管同时盯上……

结论:真空中瞬间断开流有电流的电感,会产生一个非常大的感应电动势,这个电动势的电压值是如此的高以至于会以一个强电磁脉冲的形式扩散到空间中。而这就是电磁脉冲弹的基本原理,即炸开一个通有大电流的线圈。

这类问题属于电气工程的极端条件研究方向,比如电感突然断开,比如两个不同电压的电容瞬间搭接等等。分析这类问题的工具还是麦克斯韦方程组的四个方程,但是由于时间极短,对时间求导的方程也基本都成了冲激函数,所以物理描述也并不容易。

一般电路中,电感中储存的电磁能为LI^2/2。由于能量不能突变,电感电流不能突变,所以通常如果想断开电路,即会在断开的触头处形成电弧。因为毕竟断开是一个连续的物理过程,导体间隙是从0到一个有限值。电现象都是光速,远快于物理移动速度,所以在触头刚刚脱离的瞬间,电弧就产生了。有空气的空气被击穿,即气体放电。没有空气的真空也会出现场致电子发射,这时候就成了真空管了。电子会被强大的电场推送着继续按照原来的方向运动。这就是电网中的断路器需要干的事情:灭弧

那么对于题主这种极端情况下的电路,电路却被炸开了,几十个毫秒之内,导电通路被彻底炸断,这时候电流表示很无奈啊,电路彻底没了,你让我电流还怎么流。于是此时电路模型便不再适用,需要用波场模型来描述了。电路分析永远只是麦克斯韦方程组的一个特例,一旦电路模型失效,就得用原装的四大方程来分析。

由于电流瞬间消失,电流对时间的偏导数将成为一个冲激函数δ(x,y,z,t),此时的反电动势将特别高。接下来就是用一系列冲击函数来模拟电压函数,你会发现方程求解出来是一个冲激行波函数,即电磁能会以一个强磁脉冲的方式辐射到空间中。这个电磁脉冲是如此的强大,以至于所到之处,凡是导体,都会感应出一个强烈的反电动势抵御它。如果这个脉冲功率够大,可以使得一切芯片从内部击穿,所有电子设备都会随之瘫痪。

友情提示,这种实验需要在有防护的环境内操作,请各位同学不要作死,不要在家做哟。做一次家电换一遍不说,说不定还会被你们所在地区的国安部门盯上哟,毕竟异常电磁信号太容易捕捉了。

--------------更新--------------

被编辑推荐了,那更得严谨一些。再次强调,请不要自己尝试。电磁脉冲对于心脏起搏器病人有致命伤害,请不要自行实验。

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电气绝缘子被用于整个输电和配电线路,以隔离电压和地面。

用于设计和生产电气绝缘体的材料具有非常独特的特性。这些材料可以防止内部电荷在材料中自由流动,使其几乎不可能传导电流。但并非所有的绝缘材料都是一样的。有些材料比其他材料更能完成隔离电流的任务。

事实上,了解材料防止导电能力的方法是看其介电强度。

介电强度只是一种材料在不发生绝缘性能故障的情况下所能承受的最大电场。它是以每米兆伏(MV/m)为单位。介电强度越高,材料的导电性能就越好。

那么什么材料具有最高的介电强度?

你可能会惊讶地发现,完美的真空实际上是最好的电绝缘体。

完美的真空具有最高的介电强度,额定值为1×10^12 MV/m。

完美的真空不包含任何可分解的材料,因此是完美的电绝缘体。

在现实中,完美的真空几乎不可能实现,但高真空也是一个伟大的绝缘体,

额定值为30MV/m。

高真空被用作真空断路器等设备的一种绝缘方法。


真空中瞬间断开电感,会怎样?


瞬间是一个很文学的量, 令人莞尔。 能量守恒或者麦克斯韦方程,其实没有必要再去验证。

在现实中, 历史上 CRT 电视机的显像管的接近两万伏的高压是利用行输出的“逆程”产生的。但是,这个“逆程”比起纳秒还是太长。

俺做过实验, 100微亨的电感, 如果关断时间能控制在 10~20纳秒,即使供电只用一节五号电池也能产生麻电感, 很轻松就能冲上 300 伏特。

如果瞬间比纳秒更短,那么这个装置和漏感以及分布电容(天线)就形成了一个 UWB 脉冲发生器, 当然 19~20 世纪航海用的火花发报机可能可以算是它的祖宗......对....对... 真空的波阻抗是 377 欧姆......


其实这个问题是可以用电路仿真来部分解答的。当然 SPICE 仿真不包括辐射。 辐射的部分可以通过其他方法仿真。



其实这个问题是可以用电路仿真的例子来部分解答的。




【未完待续】

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