Como Se Comporta Una Bobina En Corriente Continua Y Alterna
Raingarda Krzynowek
Cuando la corriente que circula por la bobina cambia, el campo magntico que vara en el tiempo induce una fuerza electromotriz. (f.e.m.) ( tensin) en el conductor, descrita por la ley de induccin de Faraday. Segn la ley de Lenz, la tensin inducida tiene una polaridad (direccin) que se opone al cambio de corriente que la ha creado. Como resultado, los inductores se oponen a cualquier cambio en la corriente que los atraviesa.
Un inductor se caracteriza por su inductancia, que es la relacin entre la tensin y la tasa de cambio de la corriente. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de inductancia es el henrio (H), llamada as por el cientfico estadounidense del siglo XIX Joseph Henry. En la medicin de circuitos magnticos, equivale a weber/amperio. Los inductores tienen valores que suelen oscilar entre 1 H (10-6 H) y 20 H. Muchos inductores tienen un ncleo magntico hecho de hierro o ferrita dentro de la bobina, que sirve para aumentar el campo magntico y, por tanto, la inductancia. Junto con los condensadores y las resistencias, los inductores son uno de los tres elementos pasivos lineales que componen los circuitos electrnicos. Los inductores son muy utilizados en los equipos electrnicos de corriente alterna (CA), especialmente en los equipos de radio. Se utilizan para bloquear la CA y permitir el paso de la CC; los inductores diseados para este fin se denominan bobinas. Tambin se emplean en filtro electrnicos para separar seales de diferentes frecuencias, y en combinacin con condensadores para hacer circuitos sintonizados, utilizados para sintonizar receptores de radio y televisin.
La inductancia de un circuito depende de la geometra de la trayectoria de la corriente, as como de la permeabilidad magntica de los materiales cercanos. Un inductor es un componente que consiste en un alambre u otro conductor conformado para aumentar el flujo magntico a travs del circuito, normalmente en forma de bobina o hlice, con dos terminales. Al enrollar el cable en una bobina se aumenta el nmero de veces que el flujo magntico lneas enlazan el circuito, aumentando el campo y por tanto la inductancia. Cuantas ms vueltas, mayor es la inductancia. La inductancia tambin depende de la forma de la bobina, la separacin de las espiras y muchos otros factores. Al aadir un ncleo magntico de un material ferromagntico como el hierro dentro de la bobina, el campo magnetizante de la bobina inducir la magnetizacin en el material, aumentando el flujo magntico. La alta permeabilidad de un ncleo ferromagntico puede aumentar la inductancia de una bobina en un factor de varios miles sobre lo que sera sin ella.
Un inductor est constituido normalmente por una bobina de conductor, tpicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con ncleo de aire o con ncleo hecho de material ferroso (por ejemplo, acero magntico), para incrementar su capacidad de magnetismo.
Los inductores tambin pueden estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa, comnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho ms prctico usar un circuito llamado girador que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor.
Si el flujo magntico es variable en el tiempo, se genera en cada espira, segn la Ley de Faraday, una fuerza electromotriz (f.e.m.) de autoinduccin que, segn la Ley de Lenz, tiende a oponerse a la causa que la produce, es decir, a la variacin de la corriente elctrica que genera dicho flujo magntico. Por esta razn suele llamarse fuerza contraelectromotriz. Esta tiene el valor:
La corriente por la bobina y por tanto el flujo no pueden variar bruscamente ya que si no la tensin v L ( t ) \displaystyle v_L(t) debera hacerse infinita. Por eso al abrir un circuito en donde se halle conectada una bobina, siempre saltar un arco de corriente entre los bornes del interruptor que da salida a la corriente que descarga la bobina.
Cuando el inductor no es ideal porque tiene una resistencia interna en serie, la tensin aplicada es igual a la suma de la cada de tensin sobre la resistencia interna ms la fuerza contra-electromotriz autoinducida.
Al igual que las resistencias, las bobinas pueden asociarse en serie (figura 2), paralelo (figura 3) o de forma mixta. En estos casos, y siempre que no exista acoplamiento magntico, la inductancia equivalente para la asociacin en serie vendr dada por:
Si se requiere una mayor comprensin del comportamiento reactivo de un inductor, es conveniente entonces analizar detalladamente la Ley de Lenz y comprobar de esta forma cmo se origina una reactancia de tipo inductiva, la cual nace debido a una oposicin que le presenta el inductor o bobina a la variacin de flujo magntico.
En la bobina real, habr que tener en cuenta la resistencia de su bobinado, RL, pudiendo ser su circuito equivalente o modelo, el que aparece en la figura 6b) o 6c) dependiendo del tipo de bobina o frecuencia de funcionamiento, aunque para anlisis ms precisos pueden utilizarse modelos ms complejos que los anteriores.
Examinemos el comportamiento prctico de un inductor cuando se interrumpe el circuito que lo alimenta. En el dibujo de derecha aparece un inductor que se carga a travs de una resistencia y un interruptor. El condensador dibujado en punteado representa las capacitancias parsitas del inductor. Est dibujado separado del inductor, pero en realidad forma parte de l, porque representa las capacitancias parsitas de las vueltas del devanado entre ellas mismas. Todo inductor tiene capacitancias parsitas, incluso los devanados especialmente concebidos para minimizarlas como el devanado en nido de abejas.
vemos que, para que la corriente que atraviesa el inductor se detenga instantneamente, sera necesario la aparicin de una tensin infinita, y eso no puede suceder. Por esa razn la corriente contina circulando a travs de las capacitancias parsitas de la bobina. Al principio, el nico camino que tiene es a travs las capacitancias parsitas. La corriente contina circulando a travs la capacitancia parsita, cargando negativamente el punto alto del condensador en el dibujo.
donde C \displaystyle \scriptstyle C es el valor equivalente de las capacitancias parsitas. Si los aislamientos del devanado son suficientemente resistentes a las altas tensiones, y si el interruptor interrumpe bien el circuito, la oscilacin continuar con una amplitud que se amortiguar debido a las prdidas dielctricas y resistivas de las capacitancias parsitas y del conductor del inductor. Si adems, el inductor tiene un ncleo ferromagntico, habr tambin prdidas en el ncleo.
Hay que ver que la tensin mxima (conocida como sobretensin) de la oscilacin puede ser muy grande, ya que el mximo de la tensin corresponde al momento en el cual toda la energa almacenada en la bobina 1 2 L I 2 \displaystyle \scriptstyle 1 \over 2LI^2 habr pasado a las capacitancias parsitas 1 2 C V 2 \displaystyle \scriptstyle 1 \over 2CV^2 . Si estas son pequeas, la tensin puede ser muy grande y pueden producirse arcos elctricos entre vueltas de la bobina o entre los contactos abiertos del interruptor.
Aunque los arcos elctricos sean frecuentemente perniciosos y peligrosos, otras veces son tiles y deseados. Es el caso de la soldadura al arco, lmparas a arco, alto horno elctrico y hornos a arco. En el caso de la soldadura al arco, el interruptor de nuestro diagrama es el contacto entre el metal a soldar y el electrodo.
Lo que sucede cuando el arco aparece depende de las caractersticas elctricas del arco. Y las caractersticas de un arco dependen de la corriente que lo atraviesa. Cuando la corriente es grande (decenas de amperios), el arco est formado por un camino espeso de molculas y tomos ionizados que presentan poca resistencia elctrica y una inercia trmica que lo hace durar. El arco disipa centenas de vatios y puede fundir metales y crear incendios. Si el arco se produce entre los contactos del interruptor, el circuito no estar verdaderamente abierto y la corriente continuar circulando.Los arcos no deseados constituyen un problema serio y difcil de resolver cuando se utilizan altas tensiones y grandes potencias.
Cuando las corrientes son pequeas, el arco se enfra rpidamente y deja de conducir la electricidad.En el dibujo de la derecha hemos ilustrado un caso particular que puede producirse, pero que solo es uno de los casos posibles. Hemos ampliado la escala del tiempo alrededor de la apertura del interruptor y de la formacin del arco.
Despus de la apertura del interruptor, la tensin a los bornes de la inductancia aumenta (con signo contrario). En el instante t 1 \displaystyle \scriptstyle t_1 , la tensin es suficiente para crear un arco entre dos vueltas de la bobina. El arco presenta poca resistencia elctrica y descarga rpidamente las capacidades parsitas. La corriente, en lugar de continuar cargando las capacidades parsitas, comienza a pasar por el arco. Hemos dibujado el caso en el cual la tensin del arco es relativamente constante. La corriente del inductor disminuye hasta que al instante t 2 \displaystyle \scriptstyle t_2 sea demasiado pequea para mantener el arco y este se apaga y deja de conducir. La corriente vuelve a pasar por las capacidades parsitas y esta vez la oscilacin contina amortigundose y sin crear nuevos arcos, ya que esta vez la tensin no alcanzar valores demasiado grandes. Recordemos que este es solamente un caso posible.
Se puede explicar por qu una persona puede recibir una pequea descarga elctrica al medir la resistencia de un bobinado con un simple hmetro que solo puede alimentar unos miliamperios y unos pocos voltios. La razn es que para medir la resistencia del bobinado, le hace circular unos miliamperios. Si, cuando se desconectan los cables del hmetro, se sigue tocando con los dedos los bornes de la bobina, los miliamperios que circulaban en ella continuarn hacindolo, pero pasando por los dedos.
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