En nuestros tutoriales sobre Electromagnetismo vimos que cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor de alambre, se desarrolla un flujo magnético alrededor de ese conductor. Este efecto produce una relación entre la dirección del flujo magnético, que circula alrededor del conductor, y la dirección de la corriente que circula por el mismo conductor. Esto da lugar a una relación entre la corriente y la dirección del flujo magnético llamada, «Regla de la mano derecha de Fleming».
Pero también existe otra propiedad importante relacionada con una bobina enrollada, que es que se induce una tensión secundaria en la misma bobina por el movimiento del flujo magnético al oponerse o resistirse a cualquier cambio en la corriente eléctrica que fluye por ella.
Un Inductor típico
En su forma más básica, un Inductor no es más que una bobina de alambre enrollada alrededor de un núcleo central. Para la mayoría de las bobinas la corriente, ( i ) que fluye a través de la bobina produce un flujo magnético, ( NΦ ) a su alrededor que es proporcional a este flujo de corriente eléctrica.
Un Inductor, también llamado estrangulador, es otro componente eléctrico de tipo pasivo que consiste en una bobina de alambre diseñada para aprovechar esta relación induciendo un campo magnético en sí mismo o dentro de su núcleo como resultado de la corriente que fluye a través de la bobina de alambre. La formación de una bobina de alambre en un inductor da como resultado un campo magnético mucho más fuerte que el que produciría una simple bobina de alambre.
Los inductores están formados con alambre fuertemente envuelto alrededor de un núcleo central sólido que puede ser una varilla cilíndrica recta o un bucle o anillo continuo para concentrar su flujo magnético.
El símbolo esquemático de un inductor es el de una bobina de alambre, por lo que una bobina de alambre también puede llamarse Inductor. Los inductores suelen clasificarse según el tipo de núcleo interno alrededor del cual se enrollan, por ejemplo, núcleo hueco (aire libre), núcleo de hierro sólido o núcleo de ferrita blanda, distinguiéndose los diferentes tipos de núcleo mediante la adición de líneas paralelas continuas o punteadas junto a la bobina de alambre, como se muestra a continuación.
Símbolo del inductor
En otras palabras, los inductores resisten o se oponen a los cambios de corriente, pero pasarán fácilmente una corriente continua de estado estable. Esta capacidad de un inductor para resistir los cambios de corriente y que también relaciona la corriente, i con su enlace de flujo magnético, NΦ como una constante de proporcionalidad se llama Inductancia a la que se le da el símbolo L con unidades de Henry, (H) en honor a Joseph Henry.
Debido a que el Henry es una unidad de inductancia relativamente grande por derecho propio, para los inductores más pequeños se utilizan subunidades del Henry para denotar su valor. Por ejemplo:
Prefijos de inductancia
| Prefijo | Símbolo | Multiplicador | Potencia de diez |
| m | 1/1,000 | 10-3 | |
| micro | 1/1.000.000 | 10-6 | |
| nano | n | 1/1.000.000000 | 10-9 |
Así que para mostrar las subunidades del Henry utilizaríamos como ejemplo:
Los inductores o bobinas son muy comunes en los circuitos eléctricos y hay muchos factores que determinan la inductancia de una bobina como la forma de la bobina, el número de vueltas del cable aislado, el número de capas del cable, la separación entre las vueltas, la permeabilidad del material del núcleo, el tamaño o área de la sección transversal del núcleo, etc, por nombrar algunos.
Una bobina inductora tiene un área de núcleo central, ( A ) con un número constante de vueltas de alambre por unidad de longitud, ( l ). Así que si una bobina de N vueltas está unida por una cantidad de flujo magnético, Φ entonces la bobina tiene un enlace de flujo de NΦ y cualquier corriente, ( i ) que fluya a través de la bobina producirá un flujo magnético inducido en la dirección opuesta al flujo de la corriente. Entonces, según la Ley de Faraday, cualquier cambio en este enlace de flujo magnético produce una tensión autoinducida en la bobina simple de:
- Donde:
- N es el número de espiras
- A es la sección transversalÁrea de la sección en m2
- Φ es la cantidad de flujo en Webers
- μ es la Permeabilidad del material del núcleo
- l es la Longitud de la bobina en metros
- di/dt es la tasa de cambio de las Corrientes en amperios/segundo
.
Un campo magnético que varía en el tiempo induce una tensión que es proporcional a la tasa de cambio de la corriente que lo produce con un valor positivo que indica un aumento de la emf y un valor negativo que indica una disminución de la emf. La ecuación que relaciona este voltaje autoinducido, la corriente y la inductancia se puede encontrar sustituyendo el μN2A / l con L denotando la constante de proporcionalidad llamada Inductancia de la bobina.
La relación entre el flujo en el inductor y la corriente que fluye a través del inductor se da como: NΦ = Li. Como un inductor consiste en una bobina de alambre conductor, esto reduce entonces la ecuación anterior para dar la emf autoinducida, a veces llamada también la emf de retorno inducida en la bobina:
La emf de retorno generada por un inductor
Donde: L es la autoinductancia y di/dt la velocidad de cambio de la corriente.
Bobina inductora
Así que a partir de esta ecuación podemos decir que la «Emf autoinducida es igual a la Inductancia por la tasa de cambio de la corriente» y un circuito tiene una inductancia de un Henry tendrá una emf de un voltio inducida en el circuito cuando la corriente que fluye por el circuito cambia a una tasa de un amperio por segundo.
Un punto importante a tener en cuenta sobre la ecuación anterior. Sólo relaciona la emf producida a través del inductor con los cambios en la corriente, porque si el flujo de la corriente del inductor es constante y no cambia, como en una corriente continua de estado estacionario, entonces el voltaje de la emf inducida será cero porque la tasa instantánea de cambio de la corriente es cero, di/dt = 0.
Con una corriente continua de estado estacionario que fluye a través del inductor y, por lo tanto, cero voltaje inducido a través de él, el inductor actúa como un cortocircuito igual a un trozo de cable, o al menos una resistencia de muy bajo valor. En otras palabras, la oposición al flujo de corriente que ofrece un inductor es muy diferente entre los circuitos de CA y CC.
La constante de tiempo de un inductor
Ahora sabemos que la corriente no puede cambiar instantáneamente en un inductor porque para que esto ocurra, la corriente tendría que cambiar en una cantidad finita en un tiempo cero, lo que daría lugar a que la tasa de cambio de la corriente fuera infinita, di/dt = ∞, lo que haría que la emf inducida fuera también infinita y que no existieran tensiones infinitas. Sin embargo, si la corriente que fluye a través de un inductor cambia muy rápidamente, como con el funcionamiento de un interruptor, se pueden inducir altas tensiones a través de la bobina del inductor.
Considere el circuito de un inductor puro de la derecha. Con el interruptor, ( S1 ) abierto, no fluye ninguna corriente a través de la bobina del inductor. Como no fluye corriente a través del inductor, la tasa de cambio de la corriente (di/dt) en la bobina será cero. Si la tasa de cambio de la corriente es cero, no hay una contrafase autoinducida, ( VL = 0 ) dentro de la bobina del inductor.
Si ahora cerramos el interruptor (t = 0), una corriente fluirá a través del circuito y aumentará lentamente hasta su valor máximo a una velocidad determinada por la inductancia del inductor. Esta tasa de la corriente que fluye a través del inductor multiplicado por la inductancia de los inductores en Henry, los resultados en algún valor fijo auto inducida emf que se produce a través de la bobina como se determina por la ecuación de Faraday anterior, VL = -Ldi/dt.
Esta emf auto inducida a través de la bobina de los inductores, ( VL ) lucha contra la tensión aplicada hasta que la corriente alcanza su valor máximo y una condición de estado estacionario se alcanza. La corriente que ahora fluye a través de la bobina está determinada únicamente por la resistencia DC o «pura» de los devanados de la bobina, ya que el valor de la reactancia de la bobina ha disminuido a cero porque la tasa de cambio de la corriente (di/dt) es cero en una condición de estado estacionario. En otras palabras, en una bobina real sólo existe la resistencia DC de las bobinas para oponerse al flujo de la corriente a través de sí misma.
De la misma manera, si se abre el interruptor (S1), la corriente que fluye a través de la bobina comenzará a caer pero el inductor volverá a luchar contra este cambio y tratará de mantener la corriente fluyendo en su valor anterior induciendo otra tensión en la otra dirección. La pendiente de la caída será negativa y estará relacionada con la inductancia de la bobina como se muestra a continuación.
Corriente y tensión en un inductor
La cantidad de tensión inducida que producirá el inductor depende de la velocidad de cambio de la corriente. En nuestro tutorial sobre Inducción Electromagnética, la Ley de Lenz establece que: «la dirección de una emf inducida es tal que siempre se opondrá al cambio que la está causando». En otras palabras, una emf inducida siempre se opondrá al movimiento o cambio que inició la emf inducida en primer lugar.
Así que con una corriente decreciente la polaridad del voltaje estará actuando como una fuente y con una corriente creciente la polaridad del voltaje estará actuando como una carga. Así que para la misma tasa de cambio de corriente a través de la bobina, ya sea aumentando o disminuyendo la magnitud de la emf inducida será la misma.
Ejemplo de inductor No1
Una corriente continua en estado estacionario de 4 amperios pasa a través de una bobina de solenoide de 0,5H. Cuál sería la tensión media de contrafase inducida en la bobina si el interruptor del circuito anterior se abriera durante 10mS y la corriente que circula por la bobina bajara a cero amperios.
Potencia en un inductor
Sabemos que un inductor en un circuito se opone al flujo de corriente, ( i ) a través de él porque el flujo de esta corriente induce una emf que se opone a ella, Ley de Lenz. Entonces, la fuente de la batería externa debe realizar un trabajo para mantener el flujo de la corriente en contra de esta emf inducida. La potencia instantánea utilizada en forzar la corriente, ( i ) contra esta emf autoinducida, ( VL ) se da desde arriba como:
La potencia en un circuito se da como, P = V*I por lo tanto:
Un inductor ideal no tiene resistencia sólo inductancia por lo que R = 0 Ω y por lo tanto no se disipa potencia dentro de la bobina, por lo que podemos decir que un inductor ideal tiene cero pérdidas de potencia.
Energía en un inductor
Cuando la potencia fluye en un inductor, la energía se almacena en su campo magnético. Cuando la corriente que circula por el inductor es creciente y di/dt se hace mayor que cero, la potencia instantánea en el circuito debe ser también mayor que cero, ( P > 0 ) es decir, positiva lo que significa que se está almacenando energía en el inductor.
De la misma manera, si la corriente a través del inductor es decreciente y di/dt es menor que cero, entonces la potencia instantánea también debe ser menor que cero, ( P < 0 ) es decir, negativa, lo que significa que el inductor está devolviendo energía al circuito. Entonces, integrando la ecuación de la potencia anterior, la energía magnética total, que siempre es positiva, que se almacena en el inductor viene dada, por tanto, como:
Energía almacenada por un inductor
Donde: W está en julios, L está en Henries e i está en Amperios
La energía se está almacenando realmente dentro del campo magnético que rodea al inductor por la corriente que fluye a través de él. En un inductor ideal que no tiene resistencia ni capacitancia, a medida que la corriente aumenta la energía fluye hacia el inductor y se almacena allí dentro de su campo magnético sin pérdida, no se libera hasta que la corriente disminuye y el campo magnético colapsa.
Entonces en un circuito de corriente alterna, AC, un inductor está constantemente almacenando y entregando energía en todos y cada uno de los ciclos. Si la corriente que fluye a través del inductor es constante, como en un circuito de corriente continua, entonces no hay ningún cambio en la energía almacenada, ya que P = Li(di/dt) = 0.
Por lo tanto, los inductores pueden definirse como componentes pasivos, ya que pueden almacenar y entregar energía al circuito, pero no pueden generar energía. Un inductor ideal se clasifica como sin pérdidas, lo que significa que puede almacenar energía indefinidamente ya que no se pierde energía.
Sin embargo, los inductores reales siempre tendrán alguna resistencia asociada a los devanados de la bobina y siempre que la corriente fluye a través de una resistencia se pierde energía en forma de calor debido a la Ley de Ohms, ( P = I2 R ) independientemente de si la corriente es alterna o constante.
Entonces el uso principal de los inductores es en circuitos de filtrado, circuitos de resonancia y para la limitación de la corriente. Un inductor puede ser utilizado en circuitos para bloquear o remodelar la corriente alterna o una gama de frecuencias sinusoidales, y en este papel un inductor puede ser utilizado para «sintonizar» un simple receptor de radio o varios tipos de osciladores. También puede proteger a los equipos sensibles de los picos de tensión destructivos y de las altas corrientes de entrada.
En el siguiente tutorial sobre Inductores, veremos que la resistencia efectiva de una bobina se denomina Inductancia, y que la inductancia que, como ahora sabemos, es la característica de un conductor eléctrico que «se opone a un cambio en la corriente», puede ser inducida internamente, llamada autoinductancia o inducida externamente, llamada inductancia mutua.
