Inductancia

Inductores, típicamente en forma de bobinas, se utilizan en muchas aplicaciones de circuitos. Su propósito es almacenar energía magnética cuando los flujos actuales de un estado estacionario.

En un bucle que se 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 se ilustran los conceptos de inductancia y luego demostrar un experimento de inducción usando una barra de imán y una bobina. Por último, vamos a revisar algunas de las aplicaciones actuales para los inductores.

Flujo magnético se puede pensar como la cantidad de campo magnético 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. Conforme a la ley de Faraday de la inducción, un flujo magnético cambiante en un lazo del alambre genera una fuerza electromotriz, o FEM, a lo largo del bucle. Esta FEM es igual a la negativa de la tasa de cambio del flujo magnético con el tiempo.

Tasa de flujo magnético de cambio determina la polaridad de la fuerza electromotriz inducida. El signo negativo en la expresión para la ley de Faraday significa que si el campo magnético disminuye con el tiempo, el EMF es positiva. Si aumenta con el tiempo, la FEM es negativa. Cuando el circuito es un circuito cerrado, las unidades EMF inducidos actual que a su vez genera su propio campo magnético. Este campo magnético tiene una orientación dada por la regla de la mano derecha. Si el enrollamiento de los dedos de la mano derecha alrededor de la dirección de la corriente en el lazo, 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, velocidad del campo magnético externo de cambio de oposición.

Por ejemplo, el campo magnético de este imán apunta hacia arriba a través de un solo lazo del alambre. Moviendo el imán lejos del circuito disminuye la fuerza del campo magnético a través del lazo. El cambio de flujo magnético-representado por un vector apuntando hacia abajo-induce una FEM positiva que conduce corriente en sentido antihorario como se muestra. Por la regla de la mano derecha, la corriente crea un campo magnético que señala para arriba dentro del bucle para oponerse a la disminución de campo magnético o flujo. Por el contrario, mover el imán hacia el bucle aumenta el campo magnético. El cambio de flujo magnético se representa por un vector apuntando hacia arriba. En este caso induce una FEM negativa que conduce actual hacia la derecha. Por la regla de la mano derecha, la corriente en este sentido crea un campo magnético que apunta hacia abajo dentro del bucle para oponerse a la cada vez mayor campo magnético o flujo.

Ahora vamos a pasar de un lazo a un solenoide, que es simplemente varios bucles de hilo enrollado a un núcleo de aire o material magnético. Es un inductor utilizado en circuitos eléctricos. Si la corriente fluye a través de un solenoide, crea un campo magnético en el inductor. La dirección de este campo magnético está dada por la regla de la mano derecha. Este campo a su vez produce un flujo magnético en la dirección 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 conduce corriente por la bobina que campo de magnético de la corriente inducida se opone a los cambios en el flujo original. Este fenómeno de inducción de voltaje en sus terminales en respuesta a la corriente variable se llama autoinducción y el voltaje inducido total a través del solenoide es el número de vueltas N, multiplicado por la EMF de un solo lazo.

Ahora que hemos explicado los conceptos básicos, vamos a ver cómo estudiar la inducción electromagnética en un laboratorio de física.

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

En primer lugar, obtener un solenoide con un núcleo hueco, un imán de barra con polos claramente marcadas hacia el norte y sur y el amperímetro analógico bipolar. Luego conectar el solenoide para el amperímetro. Para la primera prueba, inserte el polo norte del imán en el extremo del solenoide conectado a la terminal negativa del amperímetro. Observar el amperímetro y registrar la polaridad y la magnitud aproximada de la desviación de la aguja. Tire el imán en el solenoide y registrar la polaridad y la magnitud aproximada de la desviación de la aguja del amperimetro.

Ahora gire el imán e insertar y retirar el polo sur desde el extremo del solenoide conectado a la terminal negativa del amperímetro. Repite este experimento introduciendo el polo sur del imán en la bobina y luego quitar lo primero más lentamente y luego más rápidamente que en el primer ensayo. Cuando el polo norte se mueve cerca y entra en el solenoide, induce corriente que provoca una momentánea desviación positiva del amperímetro. Cuando se quita el polo norte del solenoide, la desviación es negativa. Invierte la orientación del imán también invierte la respuesta de amperímetro.

Por último, la velocidad de movimiento afecta el cambio del campo magnético con el tiempo, que determina el voltaje inducido y la corriente. Lento movimiento induce menos corriente y una lectura más pequeño y más rápido movimiento induce más corriente y una lectura más grande.

Para el experimento de la autoinductancia, conecte una bombilla, bobina del inductor, fuente de tensión fijada en un volt positivo, interruptor y el amperímetro analógico como se muestra. Montar el circuito con el interruptor abierto flujos tan no actuales.

Cerrar el interruptor para conectar la fuente de tensión a la bombilla y la bobina del inductor. Observar la bombilla, que parece ser tenuemente iluminado. Abrir el interruptor para desconectar la tensión de alimentación del circuito. Observar la bombilla y el amperímetro en el momento que se abran luego grabar el resultado. El foco de luz 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 periodo de tiempo.

Inicialmente, cuando el interruptor está cerrado, flujo de corriente a través de la bobina y la bombilla, pero mucho más corriente atraviesa la bobina en comparación con la bombilla de luz, desde la bobina ha una resistencia más baja comparada con la bombilla. Abrir el interruptor desconecta la fuente de tensión. Esto hace que la corriente por el inductor para disminuir.

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

Inducción electromagnética tiene muchas aplicaciones en los dispositivos modernos y es un método fundamental de la transferencia de energía y la información sin contacto físico.

La inducción es el principio fundamental detrás del funcionamiento de dispositivos llamados transformadores. Un transformador tiene un par de terminales de entrada conectado a una bobina primaria- o bobina- y un par de terminales de salida conectado a una bobina secundaria. Un núcleo de acero, ferrita o incluso simplemente aire, magnéticamente parejas los dos devanados. Un voltaje en una bobina produce corriente fluir a través de él, creando un campo magnético. Flujo magnético o la densidad del campo magnético, entonces está acoplada a la bobina secundaria a través del núcleo, donde induce un voltaje. Este principio se denomina inducción mutua.

Otra aplicación de los inductores es motores de inducción AC, que son los workhorses de la industria moderna debido a su simplicidad, robustez y confiabilidad. Un motor de inducción tiene dos partes principales. La primera es la parte fija, llamada estator, que consta de bobinas estacionarias alrededor de una cavidad. Suspendido en la cavidad es el rotor, que es un par de anillos de extremo tapado un arreglo cilíndrico de bares. Un motor de inducción de CA trifásica utiliza potencia de tres fases, cada fase conectada a su el propios, sistema separado de las bobinas del estator. Las bobinas están dispuestas en un patrón que genera un campo magnético de cada fase de la alimentación. Campo magnético neto resultante, llamado “campo magnético del estator” gira con velocidad constante.

El flujo magnético giratorio induce corriente en el rotor, de la misma forma 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 plancha de bar siguiendo los imanes alrededor de él.

Sólo ha visto introducción de Zeus a inductancia electromagnética. Ahora debería entender cómo un campo magnético variable de tiempo induce una fuerza electromotriz en un conductor, y cómo la corriente resultante produce su propio campo magnético. ¡Gracias por ver!