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El inductor

Un inductor es un componente eléctrico pasivo que consiste en una bobina de alambre que está diseñada para aprovechar la relación entre el magnetismo y la electricidad como resultado de una corriente eléctrica que pasa a través de la bobina.

En nuestros tutoriales sobre electromagnetismo, vimos que cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor de alambre, se genera un flujo magnético alrededor del conductor. Esto genera una relación entre la dirección de este flujo magnético que circula alrededor del conductor y la dirección de la corriente que fluye por él, lo que resulta en una conocida relación entre la corriente y la dirección del flujo magnético, denominada "Regla de la Mano Derecha de Fleming".

Pero también existe otra propiedad importante relacionada con una bobina enrollada, que es que se induce un voltaje secundario en la misma bobina por el movimiento del flujo magnético ya que se opone o resiste cualquier cambio en la corriente eléctrica que fluye por ella.

Un inductor típico

En su forma más básica, unInductorNo 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.

ElInductorTambién llamado estrangulador, es otro componente eléctrico pasivo que consiste simplemente en una bobina de alambre diseñada para aprovechar esta relación induciendo un campo magnético en sí mismo o en el núcleo como resultado de la corriente que pasa por la bobina. Esto resulta en un campo magnético mucho más intenso que el que produciría una simple bobina de alambre.

Los inductores están formados por un alambre enrollado firmemente 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 tanto, una bobina de alambre también se puede llamarInductorLos inductores generalmente se clasifican según el tipo de núcleo interno alrededor del cual están enrollados, por ejemplo, núcleo hueco (aire libre), núcleo de hierro sólido o núcleo de ferrita blanda. Los diferentes tipos de núcleo se distinguen agregando líneas paralelas continuas o punteadas junto a la bobina de alambre, como se muestra a continuación.

Símbolo de inductor

La corriente,iLa corriente que fluye a través de un inductor produce un flujo magnético proporcional a este. Sin embargo, a diferencia de un condensador, que se opone a un cambio de voltaje a través de sus placas, un inductor se opone a la tasa de cambio de la corriente que fluye a través de él debido a la acumulación de energía autoinducida dentro de su campo magnético.

En otras palabras, los inductores resisten u oponen cambios de corriente, pero dejarán pasar fácilmente una corriente continua en estado estacionario. Esta capacidad de un inductor para resistir cambios de corriente, que también se relaciona con la corriente,icon su enlace de flujo magnético,NΦcomo una constante de proporcionalidad se llamaInductanciaal que se le da el símboloYocon unidades deEnrique, (H) en honor a Joseph Henry.

Dado que el henry es una unidad de inductancia relativamente grande, para los inductores más pequeños se utilizan subunidades del henry para indicar su valor. Por ejemplo:

Prefijos de inductancia

Entonces, para mostrar las subunidades de Henry, usaríamos como ejemplo:

• 1 mH = 1 mili-Henry– que es igual a una milésima (1/1000) de un Henry.

• 100 μH = 100 micro-Henries– lo que equivale a 100 millonésimas (1/1.000.000) de un Henry.

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 de cable, el espaciado entre las vueltas, la permeabilidad del material del núcleo, el tamaño o el 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, (yo). Así que si una bobina denorteLas vueltas están unidas por una cantidad de flujo magnético,FEntonces la bobina tiene un enlace de flujo deNΦy cualquier corriente, (i) que fluye a través de la bobina producirá un flujo magnético inducido en dirección opuesta al flujo de corriente. Entonces, según la Ley de Faraday, cualquier cambio en esta conexión de flujo magnético produce un voltaje autoinducido en la bobina individual de:

• Dónde:

• nortees el número de vueltas

• Aes el área de la sección transversal en m2

• Fes la cantidad de flujo en Webers

• metroes la permeabilidad del material del núcleo

• yoes la longitud de la bobina en metros

• di/dtes la tasa de cambio de corriente en amperios/segundo

Un campo magnético variable en el tiempo induce un voltaje proporcional a la tasa de variación de la corriente que lo produce. Un valor positivo indica un aumento de la fem y un valor negativo, una disminución de la fem. La ecuación que relaciona este voltaje, corriente e inductancia autoinducidos se puede obtener sustituyendoμN2A/lconYoque denota la constante de proporcionalidad llamadaInductanciade la bobina.

La relación entre el flujo en el inductor y la corriente que fluye a través del inductor se da como:NΦ = LiComo un inductor consiste en una bobina de alambre conductor, esto reduce la ecuación anterior para dar la fem autoinducida, a veces llamadafuerza contraelectromotrizInducido también en la bobina:

Fem trasera generada por un inductor

Dónde:Yoes la autoinducción ydi/dtla tasa de cambio actual.

Bobina inductora

Entonces, a partir de esta ecuación podemos decir que la “fem autoinducida = inductancia x tasa de cambio de corriente” y un circuito que tiene una inductancia de un Henry tendrá una fem de un voltio inducida en el circuito cuando la corriente que fluye a través del circuito cambia a una tasa de un amperio por segundo.

Un punto importante a tener en cuenta sobre la ecuación anterior es que solo relaciona la fem producida a través del inductor con los cambios de corriente, ya que si el flujo de corriente del inductor es constante y no cambia, como en una corriente continua en estado estacionario, entonces el voltaje de la fem inducida será cero porque la tasa instantánea de cambio de corriente es cero.di/dt = 0.

Con una corriente continua en estado estacionario fluyendo a través del inductor y, por lo tanto, con una tensión inducida cero, el inductor actúa como un cortocircuito equivalente a un cable, o al menos a una resistencia de muy bajo valor. En otras palabras, la oposición al flujo de corriente que ofrece un inductor es muy diferente entre 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 necesitaría cambiar en una cantidad finita en tiempo cero, lo que daría como resultado que la tasa de cambio de la corriente fuera infinita.di/dt =∞Esto hace que la fem inducida sea infinita y que no existan voltajes infinitos. Sin embargo, si la corriente que fluye a través de un inductor cambia muy rápidamente, como al accionar un interruptor, se pueden inducir altos voltajes en la bobina del inductor.

Considere el circuito del inductor de la derecha. Con el interruptor, (S1) abierto, no fluye 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 variación de la corriente es cero, no hay fem autoinducida.EnYo= 0) dentro de la bobina inductora.

Si cerramos el interruptor (t = 0), una corriente circulará por el circuito y aumentará lentamente hasta su valor máximo a una velocidad determinada por la inductancia del inductor. Esta velocidad de corriente, multiplicada por su inductancia en Henrys, da como resultado una fem autoinducida de valor fijo en la bobina, según la ecuación de Faraday anterior.EnYo= Ldi/dt.

Esta fem autoinducida a través de la bobina del inductor, (EnYo) lucha contra la tensión aplicada hasta que la corriente alcanza su valor máximo y se alcanza un estado estable. La corriente que fluye ahora a través de la bobina está determinada únicamente por la CC o resistencia pura de los devanados de la bobina, ya que el valor de la reactancia de la bobina ha disminuido a cero debido a la tasa de variación de la corriente (di/dt) es cero en estado estacionario. En otras palabras, ahora solo existe la resistencia de CC de las bobinas para oponerse al flujo de corriente.

Del mismo modo, si se abre el interruptor (S1), la corriente que fluye por la bobina comenzará a disminuir, pero el inductor luchará contra este cambio e intentará mantener la corriente en su valor anterior induciendo un voltaje en la dirección opuesta. La pendiente de la caída será negativa y estará relacionada con la inductancia de la bobina, como se muestra a continuación.

Corriente y voltaje en un inductor

La cantidad de voltaje inducido que producirá el inductor depende de la tasa de variación de la corriente. En nuestro tutorial sobre inducción electromagnética,Ley de Lenzdeclaró que:“la dirección de una fem inducida es tal que siempre se opondrá al cambio que la causa”En otras palabras, una fem inducida siempre se OPONDRÁ al movimiento o cambio que inició la fem inducida en primer lugar.

Así, con una corriente decreciente, la polaridad del voltaje actuará como fuente, y con una corriente creciente, como carga. Por lo tanto, para la misma tasa de variación de la corriente a través de la bobina, tanto el aumento como la disminución de la magnitud de la fem inducida serán los mismos.

Ejemplo de inductor n.º 1

Una corriente continua en estado estacionario de 4 amperios circula por una bobina de solenoide de 0,5 H. ¿Cuál sería la tensión de fuerza contraelectromotriz inducida en la bobina si el interruptor del circuito anterior se abriera durante 10 ms y la corriente que circula por la bobina descendiera a cero amperios?

Potencia en un inductor

Sabemos que un inductor en un circuito se opone al flujo de corriente, (i) a través de ella porque el flujo de esta corriente induce una fem que se opone a ella (Ley de Lenz). Entonces, la fuente externa de la batería debe realizar trabajo para mantener la corriente fluyendo en contra de esta fem inducida. La potencia instantánea utilizada para forzar la corriente, (i) contra esta fem autoinducida, (EnYo) se da desde arriba como:

La potencia en un circuito se expresa como:P = V*Ipor lo tanto:

Un inductor ideal no tiene resistencia, solo 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 pérdida de potencia cero.

Energía en un inductor

Cuando la potencia fluye hacia un inductor, la energía se almacena en su campo magnético. Cuando la corriente que fluye a través del inductor aumenta ydi/dtse vuelve mayor que cero, la potencia instantánea en el circuito también debe ser mayor que cero, (P > 0) es decir, positivo, lo que significa que se está almacenando energía en el inductor.

De la misma manera, si la corriente a través del inductor está disminuyendo ydi/dtes menor que cero, entonces la potencia instantánea también debe ser menor que cero, (PAG< 0) es decir, negativo, lo que significa que el inductor devuelve energía al circuito. Al integrar la ecuación de potencia anterior, la energía magnética total, siempre positiva, almacenada en el inductor, se expresa como:

Energía almacenada por un inductor

Dónde:ENestá en julios,Yoestá en Henries yiestá en amperios

La energía se almacena dentro del campo magnético que rodea al inductor gracias a la corriente que lo atraviesa. En un inductor ideal sin resistencia ni capacitancia, al aumentar la corriente, la energía fluye hacia el inductor y se almacena dentro de su campo magnético sin pérdidas. No se libera hasta que la corriente disminuye y el campo magnético colapsa.

En un circuito de corriente alterna (CA), un inductor almacena y entrega energía constantemente en cada ciclo. Si la corriente que fluye a través del inductor es constante, como en un circuito de CC, la energía almacenada no cambia.P = Li(di/dt) = 0.

Por lo tanto, los inductores pueden definirse como componentes pasivos, ya que pueden almacenar y suministrar energía al circuito, pero no pueden generarla. Un inductor ideal se clasifica como sin pérdidas, lo que significa que puede almacenar energía indefinidamente, ya que no se pierde.

Sin embargo, los inductores reales siempre tendrán cierta resistencia asociada con 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 Ohm, (P = yo2R) independientemente de si la corriente es alterna o constante.

El uso principal de los inductores es en circuitos de filtrado, circuitos de resonancia y limitación de corriente. Un inductor puede utilizarse en circuitos para bloquear o reconfigurar la corriente alterna o un rango de frecuencias sinusoidales, y en esta función, un inductor puede utilizarse para sintonizar un receptor de radio simple o diversos tipos de osciladores. También puede proteger equipos sensibles de picos de tensión destructivos y altas corrientes de entrada.

En el próximo tutorial sobre Inductores, veremos que la resistencia efectiva de una bobina se llama Inductancia, y esa 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.

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