Inductancia

Los inductores, generalmente en forma de bobinas, se usan comúnmente en muchas aplicaciones de circuitos. Su propósito es almacenar energía magnética cuando fluye una corriente de estado estacionario.

En un bucle que forma un circuito cerrado, el campo magnético cambiante induce una fuerza electromotriz que impulsa la corriente. Este fenómeno se llama inducción electromagnética. Un inductor es simplemente una bobina de alambre y tiene la propiedad de autoinductancia, que relaciona el voltaje a través de sus terminales con el cambio en su propio campo magnético.

Este video ilustrará los conceptos detrás de la inductancia y luego demostrará un experimento de inducción usando una barra magnética y una bobina. Por último, revisaremos algunas de las aplicaciones actuales de los inductores.

El flujo magnético puede considerarse como la cantidad de campo magnético que pasa a través de un área. Para un campo magnético uniforme B perpendicular a un área A, el flujo magnético phi es simplemente el producto de los dos. De acuerdo con la ley de inducción de Faraday, un flujo magnético cambiante en un bucle de alambre genera una fuerza electromotriz, o EMF, a lo largo del bucle. Este campo electromagnético es igual al negativo de la tasa de cambio del flujo magnético a lo largo del tiempo.

La tasa de cambio del flujo magnético determina la polaridad de la fuerza electromotriz inducida. El signo negativo en la expresión de la ley de Faraday significa que si el campo magnético disminuye con el tiempo, el campo electromagnético es positivo. Si aumenta con el tiempo, el campo electromagnético es negativo. Cuando el bucle es un circuito cerrado, los campos electromagnéticos inducidos impulsan la corriente que a su vez genera su propio campo magnético. Este campo magnético tiene una orientación dada por la Regla de la Mano Derecha. Si los dedos de la mano derecha se curvan alrededor de la dirección de la corriente en el bucle, entonces el pulgar de la mano derecha apuntaría en la dirección del campo magnético generado. La corriente inducida debe fluir en la dirección que crea un campo magnético opuesto a la tasa de cambio del campo magnético externo.

Por ejemplo, el campo magnético de este imán apunta hacia arriba a través de un solo bucle de alambre. Alejar el imán del bucle disminuye la intensidad del campo magnético a través del bucle. El cambio en el flujo magnético, representado por un vector que apunta hacia abajo, induce un campo electromagnético positivo que impulsa la corriente en sentido contrario a las agujas del reloj, como se muestra. Según la regla de la mano derecha, la corriente crea un campo magnético que apunta hacia arriba dentro del bucle para oponerse a la disminución del campo magnético o flujo. Por el contrario, mover el imán hacia el bucle aumenta el campo magnético allí. El cambio en el flujo magnético está representado por un vector que apunta hacia arriba. En este caso, induce un campo electromagnético negativo que impulsa la corriente en el sentido de las agujas del reloj. Según la regla de la mano derecha, la corriente en esta dirección crea un campo magnético que apunta hacia abajo dentro del bucle para oponerse al aumento del campo magnético o flujo.

Ahora pasemos de un bucle a un solenoide, que es simplemente múltiples bucles de alambre enrollados alrededor de un núcleo de aire o material magnético. Es un inductor comúnmente utilizado en circuitos eléctricos. Si la corriente fluye a través de un solenoide, crea un campo magnético dentro del inductor. La dirección de este campo magnético viene dada por la regla de la mano derecha. Este campo, a su vez, produce un flujo magnético en la misma dirección que el del campo, y la cantidad de este flujo es proporcional a la corriente. Por lo tanto, si la corriente cambia con el tiempo, también lo hace el flujo magnético. Siguiendo la ley de Faraday, el flujo cambiante induce un voltaje que impulsa la corriente a través de la bobina de tal manera que el campo magnético de la corriente inducida se opone al cambio en el flujo original. Este fenómeno de inducción de voltaje a través de sus propios terminales en respuesta a la corriente variable se denomina autoinducción, y el voltaje inducido total a través del solenoide es el número de vueltas N, multiplicado por la EMF de un solo bucle.

Ahora que hemos explicado lo básico, veamos cómo estudiar la inducción electromagnética en un laboratorio de física.

Todos los experimentos siguientes utilizan un amperímetro bipolar analógico, que tiene una aguja que se desvía hacia la derecha o la izquierda del punto cero, dependiendo de la dirección del flujo de corriente.

Primero, obtenga un solenoide con un núcleo hueco, un imán de varilla con polos norte y sur claramente etiquetados y el amperímetro bipolar analógico. A continuación, conecte el solenoide al amperímetro. Para la primera prueba, inserte el polo norte del imán en el extremo del solenoide conectado al terminal negativo del amperímetro. Observe el amperímetro y registre la polaridad y la magnitud aproximada de la deflexión de la aguja. Extraiga el imán del solenoide y registre la polaridad y la magnitud aproximada de la deflexión de la aguja del amperímetro.

Ahora gire el imán e inserte y retire el polo sur del extremo del solenoide conectado al terminal negativo del amperímetro. Repita este experimento insertando el polo sur del imán en la bobina y luego retirándolo, primero más lentamente y luego más rápidamente que en la primera prueba. Cuando el polo norte se acerca y entra en el solenoide, induce corriente que provoca una deflexión positiva momentánea del amperímetro. Cuando el polo norte se retira del solenoide, la deflexión es negativa. Al invertir la orientación del imán, también se invierte la respuesta del amperímetro.

Finalmente, la velocidad de movimiento afecta el cambio del campo magnético con el tiempo, lo que determina el voltaje y la corriente inducidos. Un movimiento más lento induce menos corriente y una lectura más pequeña, y un movimiento más rápido induce más corriente y una lectura más grande.

Para el experimento de autoinductancia, conecte una bombilla, una bobina inductora, el suministro de voltaje ajustado a un voltio positivo, un interruptor y el amperímetro analógico como se muestra. Ensamble el circuito con el interruptor abierto para que no fluya corriente.

Cierre el interruptor para conectar la fuente de voltaje tanto a la bombilla como a la bobina del inductor. Observa la bombilla, que parece estar tenuemente iluminada. Abra el interruptor para desconectar el suministro de voltaje del circuito. Observe la bombilla y el amperímetro en el momento en que se abre el interruptor, luego registre el resultado. La bombilla se ilumina brevemente y el amperímetro muestra una lectura positiva al mismo tiempo. Esto sucede debido a la autoinducción y varios eventos tienen lugar durante este breve período de tiempo.

Inicialmente, cuando el interruptor está cerrado, la corriente fluye tanto a través de la bobina como de la bombilla, pero fluye mucha más corriente a través de la bobina en comparación con la bombilla, ya que la bobina tiene una resistencia más baja en comparación con la bombilla. Al abrir el interruptor, se desconecta la fuente de voltaje. Esto hace que la corriente a través del inductor disminuya.

Esta corriente cambiante a través del inductor provoca un cambio en su flujo magnético, que a su vez induce una corriente transitoria que se opone a la disminución al fluir en la misma dirección que la corriente original. La combinación de los dos, la corriente original y la corriente transitoria, produce la corriente total del inductor, que ahora fluye a través de la bombilla y la enciende brevemente, y al mismo tiempo provoca una deflexión en el amperímetro para indicar una corriente positiva.

La inducción electromagnética tiene muchas aplicaciones en los dispositivos modernos y es un método fundamental para transferir energía e información sin contacto físico.

La inducción es el principio básico detrás del funcionamiento de los dispositivos llamados transformadores. Un transformador tiene un par de terminales de entrada conectados a un devanado primario, o bobina, y un par de terminales de salida conectados a un devanado secundario. Un núcleo compuesto por acero, ferrita o incluso simplemente aire, acopla magnéticamente los dos devanados. Un voltaje a través de un devanado hace que la corriente fluya a través de él, creando un campo magnético. El flujo magnético, o la densidad del campo magnético, se acopla al devanado secundario a través del núcleo, donde induce un voltaje. Este principio se llama inducción mutua.

Otra aplicación de los inductores son los motores de inducción de CA, que son los caballos de batalla de la industria moderna debido a su simplicidad, robustez y confiabilidad. Un motor de inducción tiene solo dos partes principales. La primera es la parte estacionaria, llamada estator, que consiste en bobinas estacionarias alrededor de una cavidad. Suspendido en la cavidad se encuentra el rotor, que es un par de anillos finales que cubren una disposición cilíndrica de barras. Un motor de inducción de CA trifásico utiliza energía trifásica, con cada fase conectada a su propio conjunto separado de bobinas del estator. Las bobinas están dispuestas en un patrón que genera un campo magnético para cada fase de la energía suministrada. El campo magnético neto resultante, llamado "campo magnético del estator", gira a velocidad constante.

El flujo magnético giratorio induce corriente en el rotor, de manera similar a la forma en que un transformador transfiere energía de la bobina primaria a la secundaria. La corriente a través de las barras del rotor a su vez crea su propio campo magnético, llamado "campo magnético inducido del rotor". La interacción entre estos dos campos produce una fuerza sobre el rotor, que hace que siga el campo magnético del estator, como una barra de hierro sigue a los imanes a su alrededor.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la inductancia electromagnética. Ahora debería comprender cómo un campo magnético variable en el tiempo induce una fuerza electromotriz en un conductor y cómo la corriente resultante produce su propio campo magnético. ¡Gracias por mirar!