Inductor

En nuestros tutoriales sobre electromagnetismo vimos que cuando una corriente 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 fluye por el mismo conductor. Esto da como resultado una relación entre la dirección del flujo magnético y la corriente 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 cuando se opone o resiste cualquier cambio en la corriente eléctrica que lo fluye.

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 al inducir 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 se forman con alambre envuelto 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 llamar inductor. Los 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, distinguiéndose los diferentes tipos de núcleos mediante la adición de líneas paralelas continuas o punteadas junto al bobina de alambre como se muestra a continuación.

Símbolo del inductor

La corriente i que fluye a través de un inductor produce un flujo magnético que es proporcional a él. Pero 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 o se oponen a los cambios de corriente, pero pasarán fácilmente una corriente continua de estado estable. Esta capacidad de un inductor para resistir cambios en la corriente y que también relaciona la corriente, i con su enlace de flujo magnético, NΦ como una constante de proporcionalidad se llama inductancia, que recibe el símbolo L con unidades de Henry, (H) a causa de Joseph Henry.

Debido a que Henry es una unidad de inductancia relativamente grande por derecho propio, para los inductores más pequeños, las subunidades de Henry se utilizan para denotar su valor. Por ejemplo:

Inductancia Prefijos

Prefijo	Símbolo	Multiplicador	Potencia de Diez
milli	m	1 / 1.000	10-3
micro	μ	1 / 1.000.000	10-6
nano	n	1/1000000000	10-9

Así que para mostrar las subunidades de los Henry nos sirve como ejemplo:

• 1mH = 1 mili-Henry  , que es igual a milésimas de Henry (1/1000).
• 100μH = 100 micro-Henries  , que es igual a 100 millonésimas de Henry (1 / 1.000.000).

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 espacio 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 cable por unidad de longitud, ( l ). Entonces, 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 a la flujo de corriente. Luego, de acuerdo con la Ley de Faraday, cualquier cambio en este enlace de flujo magnético produce un voltaje autoinducido en la bobina simple de:

• Donde:
•     N es el número de vueltas
•     A es el área de la sección transversal 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 variable en el tiempo induce un voltaje que es proporcional a la tasa de cambio de la corriente que lo produce con un valor positivo que indica un aumento en la fem y un valor negativo que indica una disminución en fem. La ecuación que relaciona este voltaje, corriente e inductancia autoinducidos se puede encontrar sustituyendo el μN2A / l con L que denota 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 consta de una bobina de cable conductor, esto reduce la ecuación anterior para dar la fem autoinducida, a veces también llamada fem trasera inducida en la bobina:

Fem trasera generada por un inductor

Donde: L es la autoinductancia y di / dt la tasa de cambio actual.

A partir de esta ecuación, podemos decir que la «fem autoinducida es igual a la inductancia multiplicada por la tasa de cambio de corriente» y un circuito tiene una inductancia de uno Henry tendrá una fem de un voltio inducida en el circuito cuando la corriente fluya a través el circuito cambia a razón de un amperio por segundo.

Bobina del inductor 

Un punto importante a tener en cuenta sobre la ecuación anterior. Solo relaciona la fem 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 estable, entonces la tensión de fem inducida será cero porque la tasa instantánea de cambio de corriente es cero, di / dt = 0.

Con una corriente continua de estado estable que fluye a través del inductor y, por lo tanto, un voltaje inducido cero a través de él, el inductor actúa como un cortocircuito igual a un trozo de cable, o al menos una resistencia de valor muy bajo. 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 necesitaría cambiar en una cantidad finita en tiempo cero, lo que resultaría en que la tasa de cambio de corriente sea infinita di / dt = ∞, lo que hace que la fem inducida también sea infinita y que no existan voltajes infinitos. 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 altos voltajes a través de la bobina del inductor.

Considere el circuito de un inductor puro a 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 corriente (di / dt) en la bobina será cero. Si la tasa de cambio de la corriente es cero, no hay una fuerza contra electromotriz 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 corriente que fluye a través del inductor multiplicada por la inductancia de los inductores en Henry, da como resultado que se produzca una fem autoinducida de valor fijo a través de la bobina según lo determinado por la ecuación de Faraday anterior, VL = -Ldi / dt.

Esta fem autoinducida a través de la bobina de los inductores ( VL ) lucha contra el voltaje aplicado hasta que la corriente alcanza su valor máximo y se alcanza una condición de estado estable. La corriente que ahora fluye a través de la bobina está determinada sólo por la CC o la resistencia «pura» de los devanados de las bobinas, ya que el valor de reactancia de la bobina ha disminuido a cero porque la tasa de cambio de la corriente (di / dt) es cero en un condición de estado estacionario. En otras palabras, en una bobina real solo existe la resistencia de CC de las bobinas para oponerse al flujo de corriente a través de sí misma.

Del mismo modo, 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 e intentará mantener la corriente fluyendo en su valor anterior induciendo otro voltaje 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 voltaje en un inductor

La cantidad de voltaje inducido que producirá el inductor depende de la tasa de cambio de corriente. En nuestro tutorial sobre Inducción Electromagnética, la Ley de Lenz afirma que: “la dirección de una fem inducida es tal que siempre se opondrá al cambio que la está provocando”. En otras palabras, una fem inducida siempre se opondrá al movimiento o cambio que inició la fem inducida en primer lugar.

Entonces, con una corriente decreciente, la polaridad del voltaje actuará como una fuente y con una corriente creciente, la polaridad del voltaje actuará como una carga. Entonces, para la misma tasa de cambio de corriente a través de la bobina, la magnitud de la fem inducida aumentará o disminuirá será la misma.

Ejemplo de inductor No.1

Una corriente continua de estado estable de 4 amperios pasa a través de una bobina de solenoide de 0.5H. ¿Cuál sería el voltaje de fem inverso promedio inducido en la bobina si el interruptor en el circuito anterior se abriera durante 10 mS y la corriente que fluye a través de la bobina cayera 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 fem que se opone a él, la ley de Lenz. Luego, la fuente de batería externa debe trabajar para mantener la corriente fluyendo contra esta fem inducida. La potencia instantánea utilizada para forzar la corriente, ( i ) contra esta fem 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, 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 cero pérdida de potencia. 

Energía en un inductor

Cuando la energía fluye hacia un inductor, la energía se almacena en su campo magnético. Cuando la corriente que fluye a través del inductor aumenta y di / dt se 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.

Del mismo modo, si la corriente a través del inductor está disminuyendo y di / dt es menor que cero, entonces la potencia instantánea también debe ser menor que cero, ( P <0 ) es decir, negativo, lo que significa que el inductor está devolviendo energía al circuito. Luego, al integrar la ecuación de potencia anterior, la energía magnética total que siempre es positiva, que se almacena en el inductor se da como:

Energía almacenada por un inductor

Donde:  W está en julios, L está en Henries y i está en amperios

En realidad, la energía se almacena 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 aumenta la corriente, 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.

Luego, en un circuito de CA de corriente alterna, un inductor almacena y entrega energía constantemente en todos y cada uno de los ciclos. Si la corriente que fluye a través del inductor es constante como en un circuito de CC, entonces no hay cambio en la energía almacenada cuando P = Li (di / dt) = 0.

Por lo tanto, los inductores se pueden definir como componentes pasivos, ya que pueden almacenar y entregar energía al circuito, pero no pueden generar energía. Un inductor ideal se clasifica como sin pérdida, lo que significa que puede almacenar energía indefinidamente ya que no se pierde energía.

Sin embargo, los inductores reales siempre tendrán alguna resistencia asociada con los devanados de la bobina y siempre que la corriente fluya a través de una resistencia, la energía se pierde en forma de calor debido a la Ley de Ohm, ( 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 corriente. Un inductor se puede usar en circuitos para bloquear o remodelar la corriente alterna o un rango de frecuencias sinusoidales, y en esta función, un inductor se puede usar para «sintonizar» un receptor de radio simple o varios tipos de osciladores. También puede proteger equipos sensibles de picos de voltaje destructivos y altas corrientes de irrupción.

En el próximo tutorial sobre Inductores, veremos que la resistencia efectiva de una bobina se llama 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 internamente inducida, llamada autoinductancia o inducida externamente, llamada inductancia mutua.