La inductancia es una medida de la capacidad de los componentes de un circuito eléctrico para recoger la energía del campo magnético. También es una medida de la relación entre la corriente y el campo magnético. También se compara con la inercia de la electricidad, como ocurre con la masa como medida de la inercia de los cuerpos mecánicos.
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El fenómeno de la autoinducción
El fenómeno de la autoinducción se produce cuando la corriente que circula por un circuito conductor varía de magnitud. En este caso, el flujo magnético que atraviesa el circuito cambia, y un EMF llamado EMF de autoinducción surge en las derivaciones del marco conductor de la corriente. Este CEM es opuesto a la dirección de la corriente y es igual a:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Obviamente, el EMF de autoinducción es igual a la tasa de cambio del flujo magnético causado por el cambio de la corriente que fluye a través del circuito, y también es proporcional a la tasa de cambio de la corriente. El coeficiente de proporcionalidad entre el EMF de autoinducción y la tasa de cambio de la corriente se llama inductancia y se denota por L. Este valor es siempre positivo y tiene una unidad SI de 1 Henry (1 Gn). También se utilizan fracciones fraccionarias -miligéneros y microgéneros-. Se puede decir que hay una inductancia de 1 Henry si un cambio en la corriente de 1 amperio provoca un EMF de 1 voltio de autoinducción. No es sólo un circuito que tiene inductancia, sino también un conductor único y una bobina, que puede imaginarse como una multitud de circuitos en serie.
La energía se almacena en la inductancia, que puede calcularse como W=L*I2/2, donde:
- W - energía, J;
- L - inductancia, Gn;
- I es la corriente en la bobina, A.
Aquí la energía es directamente proporcional a la inductancia de la bobina.
¡Importante! En ingeniería, la inductancia también se refiere al dispositivo en el que se almacena el campo eléctrico. El elemento que más se acerca a esta definición es la bobina inductora.
La fórmula general para calcular la inductancia de una bobina física es compleja y para los cálculos prácticos resulta inconveniente. Es útil recordar que la inductancia es proporcional al número de espiras, al diámetro de la bobina y depende de la forma geométrica. La inductancia también se ve afectada por la permeabilidad magnética del núcleo sobre el que se coloca la bobina, pero no se ve afectada por la corriente que circula por las bobinas. Para calcular la inductancia, hay que consultar cada vez las fórmulas dadas para el diseño específico. Por ejemplo, para una bobina cilíndrica su característica básica se calcula según la fórmula
L=μ*μ*(N2*S/l),
donde:
- μ es la permeabilidad magnética relativa del núcleo de la bobina;
- μ - es la constante magnética, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - número de vueltas;
- S - área de la bobina
- l - Longitud geométrica de la bobina.
Para calcular la inductancia de las bobinas cilíndricas y de otras formas de bobina, lo mejor es utilizar calculadoras, incluso en línea.
Conexión de inductores en serie y en paralelo
Las inductancias pueden conectarse en serie o en paralelo, creando un conjunto con nuevas características.
Conexión en paralelo
Cuando las bobinas están conectadas en paralelo, las tensiones de todos los elementos son iguales y las corrientes (alternando) son inversamente proporcionales a las inductancias de los elementos.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
La inductancia total de un circuito se define como 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. La fórmula es válida para cualquier número de elementos, y para dos bobinas se simplifica a L=L1*L2/(L1+L2). Es obvio que la inductancia resultante es menor que la inductancia del elemento con la menor
Conexión en serie
Con este tipo de conexión, la misma corriente fluye a través de un circuito formado por bobinas, y la tensión (AC) en cada componente del circuito se distribuye en proporción a la inductancia de cada elemento:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
La inductancia total es igual a la suma de todas las inductancias, y será mayor que la inductancia del elemento de mayor valor. Por lo tanto, esta conexión se utiliza cuando es necesario aumentar la inductancia.
¡Importante! Cuando se conectan bobinas en serie o en paralelo, las fórmulas de cálculo sólo son correctas para los casos en que se elimina la influencia mutua de los campos magnéticos de los elementos entre sí (por apantallamiento, grandes distancias, etc.). Si la influencia existe, el valor total de la inductancia dependerá de la disposición mutua de las bobinas.
Algunas cuestiones prácticas y diseños de bobinas inductoras
En la práctica se utilizan varios diseños de bobinas inductoras. Dependiendo de la finalidad y la aplicación, los dispositivos pueden fabricarse de diversas maneras, pero hay que tener en cuenta los efectos de las bobinas reales.
Factor de calidad de una bobina inductora
Una bobina real tiene varios parámetros además de la inductancia, y uno de los más importantes es el factor de calidad. Este valor determina las pérdidas en la bobina y depende de:
- las pérdidas óhmicas en el hilo del bobinado (cuanto mayor sea la resistencia, menor será el factor de calidad);
- Pérdidas dieléctricas en el aislamiento del cable y el armazón del bobinado;
- pérdidas de escudo;
- Pérdidas en el núcleo.
Todas estas cantidades definen la resistencia a las pérdidas, y el factor de calidad es un valor adimensional igual a Q=ωL/R pérdida, donde:
- ω = 2*π*F - frecuencia circular;
- L - inductancia;
- ωL - reactancia de la bobina.
A grandes rasgos, se puede decir que el factor de calidad es igual a la relación entre la resistencia reactiva (inductiva) y la resistencia activa. Por un lado, el numerador crece con el aumento de la frecuencia, pero al mismo tiempo, debido al efecto piel, la resistencia a las pérdidas también crece al reducirse la sección efectiva del cable.
Efecto piel
Para reducir la influencia de los cuerpos extraños, así como los campos eléctricos y magnéticos y la influencia mutua de los elementos a través de estos campos, las bobinas (especialmente las de alta frecuencia) suelen colocarse en un escudo. Además de su efecto beneficioso, el apantallamiento provoca una disminución del valor Q de la bobina, una disminución de la inductancia y un aumento de la capacidad parásita. Además, cuanto más cerca estén las paredes de la pantalla de los devanados de la bobina, mayor será el efecto perjudicial. Por ello, las bobinas apantalladas están casi siempre diseñadas para ser ajustables.
Inductancia ajustable
En algunos casos es necesario ajustar con precisión el valor de la inductancia en el lugar después de conectar la bobina a otros elementos del circuito, compensando las desviaciones de sintonía. Para ello se utilizan diferentes métodos (cambiando de giro, etc.), pero el método más preciso y suave es el ajuste del núcleo. Se fabrica en forma de varilla roscada que puede girar hacia dentro y hacia fuera dentro del marco, ajustando la inductancia de la bobina.
Inductancia variable (variómetro)
Cuando se requiere un ajuste operativo de la inductancia o del acoplamiento inductivo, se utilizan bobinas de un diseño diferente. Contienen dos devanados, uno móvil y otro estacionario. La inductancia total es igual a la suma de las inductancias de las dos bobinas y la inductancia mutua entre ellas.
Cambiando la posición relativa de una bobina con respecto a la otra, se ajusta el valor total de la inductancia. Este dispositivo se denomina variómetro y suele utilizarse en los equipos de comunicación para sintonizar los circuitos resonantes en los casos en los que, por alguna razón, no se pueden utilizar condensadores variables. El variómetro es bastante engorroso, lo que limita su uso.
Inductancia en forma de bobina impresa
Las bobinas con baja inductancia pueden hacerse como una espiral de conductores impresos. Las ventajas de este diseño son:
- fabricabilidad;
- alta repetibilidad.
Las desventajas son la imposibilidad de realizar una sintonía fina durante el ajuste y la dificultad para obtener inductancias elevadas: cuanto mayor es la inductancia, más espacio ocupa la bobina en la placa.
Bobina con devanado seccional
La inductancia sin capacitancia sólo existe sobre el papel. Con cualquier implementación física de una bobina, existe inmediatamente una capacitancia parásita entre bobinas. Este es un fenómeno perjudicial en muchos casos. La capacitancia perdida se suma a la capacitancia del circuito LC, reduciendo la frecuencia de resonancia y el factor de calidad del sistema oscilante. La bobina también tiene su propia frecuencia de resonancia, que provoca fenómenos indeseables.
Para reducir la capacitancia parásita, se utilizan varios métodos, el más sencillo de los cuales es enrollar el inductor en varias secciones conectadas en serie. Con este tipo de conexión, las inductancias se suman y la capacitancia total se reduce.
Bobina de inductancia en un núcleo toroidal
Las líneas de campo magnético de una bobina inductora cilíndrica pasan por el interior de la bobina (si hay un núcleo, entonces lo atraviesan) y se cortocircuitan hacia el exterior a través del aire. Este hecho conlleva varios inconvenientes
- la inductancia se reduce;
- las características de la bobina son menos calculables;
- Cualquier objeto introducido en el campo magnético externo modifica los parámetros de la bobina (inductancia, capacitancia parásita, pérdidas, etc.), por lo que en muchos casos es necesario el apantallamiento.
Las bobinas enrolladas en núcleos toroidales (en forma de anillo o "bagel") están en gran medida libres de estos inconvenientes. Las líneas magnéticas discurren por el interior del núcleo en forma de bucles cerrados. Esto significa que los objetos externos no tienen prácticamente ningún efecto sobre los parámetros de una bobina enrollada en un núcleo de este tipo, y el blindaje no es necesario para este diseño. La inductancia también aumenta, en igualdad de condiciones, y las características son más fáciles de calcular.
Una de las desventajas de las bobinas enrolladas en toros es la imposibilidad de ajustar suavemente la inductancia in situ. Otro problema es la alta intensidad de mano de obra y la baja tecnología de bobinado. Sin embargo, esto se aplica a todos los elementos inductivos en general, en mayor o menor medida.
También una desventaja común de la implementación física de la inductancia son las altas dimensiones de la masa, la relativamente baja fiabilidad y la baja mantenibilidad.
Por ello, en la tecnología se intenta prescindir de los componentes inductivos. Pero esto no siempre es posible, por lo que los componentes bobinados se utilizarán en el futuro inmediato y a medio plazo.
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