Indutor

Para as moléculas indutoras da expresión xénica bacteriana ver indutor (bioloxía).

dereita|200px|miniatura|Indutores. Escala en cm.

Un indutor, habitualmente chamado bobina, é un compoñente eléctrico pasivo de dous terminais que almacena enerxía nun campo magnético cando unha corrente eléctrica flúe a través del.  Un indutor consiste normalmente nun fío illado enrolado nunha bobina.

Por comparación, un condensador almacena enerxía debido á súa interacción cun campo eléctrico, e un resistor non almacena enerxía, senón que a disipa por medio de calor.

Calquera condutor ten indutancia.  Un indutor está feito en xeral dun cable ou outro corpo condutor enrolado nunha bobina, para incrementar o seu campo magnético.

Cando varía o fluxo de corrente a través dun indutor, aparece un campo magnético asemade función do tempo no interior da bobina, inducindo unha voltaxe, de acordo coa Lei de Faraday-Lenz, que asemade fai que se opoña ó cambio na corrente que creou o campo magnético. Os indutores son un dos compoñentes básicos usados en electrónica cando a corrente e a voltaxe cambian co tempo, debido á característica dos indutores de retardar e reformar a evolución das correntes alternas. 

Un inductor caracterízase pola súa indutancia, que é a relación entre a tensión e a taxa de cambio da corrente. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de inductancia é o henrio (H), chamada así polo científico estadounidense do século XIX Joseph Henry. Na medición de circuítos magnéticos, equivale a .. Os inductores teñen valores que adoitan oscilar entre 1µH (10-6H) e 20H.  Moitos inductores teñen un núcleo magnético feito de ferro ou ferrita dentro da bobina, que serve para aumentar o campo magnético e, por tanto, a inductancia. Xunto cos condensadores e as  resistencias, os inductores son un dos tres elementos pasivos lineais  que compoñen os circuítos electrónicos. Os inductores son moi utilizados nos equipos electrónicos de corrente alterna (CA), especialmente nos equipos de radio.  Utilízanse para bloquear a corrente continua (CA) e permitir o paso do CC; os inductores deseñados para este fin denomínanse bobinas.  Tamén se empregan en filtro electrónicos para separar sinais de diferentes frecuencias, e en combinación con condensadores para facer circuítos sintonizados, utilizados para sintonizar receptores de radio e televisión.

dereita|150px|miniatura|Símbolo empregado en electrónica para os indutores.

Descrición
miniatura|upright|Unha corrente eléctrica  crea un campo magnético  ao seu ao redor.
Unha corrente eléctrica que flúe por un condutor xera un campo magnético que o rodea. O enlace de fluxo magnético  xerado por unha corrente determinada  depende da forma xeométrica do circuíto. A súa relación define a inductancia
. Así,
.

A inductancia dun circuíto depende da xeometría da traxectoria da corrente, así como da permeabilidade magnética dos materiais próximos. Un inductor é un compoñente que consiste nun arame ou outro condutor conformado para aumentar o fluxo magnético a través do circuíto, normalmente en forma de bobina ou  hélice, con dous terminais. Ao enrolar o cable nunha bobina auméntase o número de veces que as liñas de fluxo magnético  enlazan o circuíto, aumentando o campo e por tanto a inductancia.  Cantas máis voltas, maior é a inductancia.  A inductancia tamén depende da forma da bobina, a separación das voltas e moitos outros factores.  Ao engadir un "núcleo magnético" dun material ferromagnético como o ferro dentro da bobina, o campo magnetizante da bobina inducirá a magnetización no material, aumentando o fluxo magnético.  A alta permeabilidade dun núcleo ferromagnético pode aumentar a inductancia dunha bobina nun factor de varios miles sobre o que sería sen ela.
Ecuación constitutiva
Calquera cambio na corrente que atravesa un indutor crea un fluxo cambiante, o que induce unha voltaxe a través do indutor. Segundo a lei de indución de Faraday, a voltaxe  inducida por calquera cambio no fluxo magnético a través do circuíto vén dado por: 
.

Reformulando a definición de  anterior, obtemos
.
Diso dedúcese que


se  é independente do tempo, a corrente e o fluxo magnético. Por tanto, a inductancia é tamén unha medida da cantidade de forza electromotriz (voltaxe) xerada para unha taxa determinada de cambio de corrente. Isto adóitase considerar como a relación constitutiva (ecuación definitoria) do indutor.
miniatura|upright|Esquema que utiliza o terminal de saída de corrente como referencia para a voltaxe.
Dado que a tensión inducida é positiva no terminal de entrada da corrente, a relación entre a corrente e a tensión do inductor exprésase a miúdo sen signo negativo, utilizando o terminal de saída da corrente como punto de referencia para a tensión  no terminal de entrada da corrente (tal e como se indica no esquema). A relación entre a corrente e a tensión é entón:
que se pode reescribir como:
Do mesmo xeito que con calquera antiderivada, engádese unha constante de integración para representar a corrente inicial I (t0). O dual do indutor é o condensador, que almacena enerxía nun campo eléctrico en lugar dun campo magnético. A súa relación corrente-voltaxe substitúe  pola capacitancia  e intercambia a corrente e a voltaxe destas ecuacións.

 Construción 
Un indutor está constituído normalmente por unha bobina de condutor, tipicamente arame ou fío de cobre esmaltado. Existen indutores con núcleo de aire ou con núcleo feito de material ferroso (por exemplo, aceiro magnético), para incrementar a súa capacidade de magnetismo.

Os indutores tamén poden estar construídos en circuítos integrados, usando o mesmo proceso utilizado para realizar microprocesadores. Nestes casos úsase, comunmente, o aluminio como material condutor. Con todo, é raro que se constrúan indutores dentro dos circuítos integrados; é moito máis práctico usar un circuíto chamado "xirador" que, mediante un amplificador operacional, fai que un condensador se comporte coma se fose un indutor.

O indutor consta das seguintes partes:

 Devanado indutor: É o conxunto de espiras destinado a producir o fluxo magnético, ao ser percorrido pola corrente eléctrica.
 Culata: É unha peza de substancia ferromagnética, non rodeada por espiras, e destinada a unir os polos da máquina.
 Peza polar: É a parte do circuíto magnético situada entre a culata e o entreferro, incluíndo o núcleo e a expansión polar.
 Núcleo: É a parte do circuíto magnético rodeada polas espiras do indutor.
 Expansión polar: É a parte da peza polar próxima ao inducido e que bordea ao entreferro.
 Polo auxiliar ou de conmutación: É un polo magnético suplementario, provisto ou non, de espiras e destinado a mellorar a conmutación. Adoitan empregarse nas máquinas de mediana e gran potencia.

Tamén poden fabricarse pequenos indutores, que se usan para frecuencias moi altas, cun condutor pasando a través dun cilindro de ferrita ou granulado.

 Funcionamento dunha bobina 
Sexa unha bobina ou solenoide de lonxitude l, sección S e dun número de espiras N, polo que circula unha corrente eléctrica i(t).

Aplicando a Lei de Biot-Savart que relaciona a indución magnética, B(t), coa causa que a produce, é dicir, a corrente i(t) que circula polo solenoide, obtense que o fluxo magnético Φ(t) que abarca é igual a:

Se o fluxo magnético é variable no tempo, xérase en cada expira, segundo a Lei de Faraday, unha forza electromotriz (f.e.m.) de autoindución que, segundo a Lei de Lenz, tende a oporse á causa que a produce, é dicir, á variación da corrente eléctrica que xera devandito fluxo magnético. Por esta razón adoita chamarse forza contraelectromotriz. Esta ten o valor:

Á expresión  noméase como coeficiente de autoindución, L, o cal relaciona a variación de corrente coa f.e.m. inducida e, como se pode ver, depende da xeometría da bobina e do núcleo na que está enrolada. Mídese en henrios.

 Enerxía almacenada 
A bobina almacena enerxía eléctrica en forma de campo magnético cando aumenta a intensidade de corrente, devolvéndoa cando esta diminúe. Matematicamente pódese demostrar que a enerxía , almacenada por unha bobina con indutancia , que é percorrida por unha corrente de intensidade , vén dada por:

 En circuítos 
miniatura|600px|Figura 1: Circuíto con indutancia.
Da formulación física da bobina extraeuse a expresión:

Supoñendo unha bobina ideal, (figura 1), sen perdas de carga, aplicando a segunda Lei de Kirchhoff, tense que:

É dicir, en toda bobina eléctrica dentro dun circuíto prodúcese nela unha caída de tensión:

Despexando a intensidade:


Se no instante t = 0, a bobina está cargada cunha corrente I, esta pódese substituír por unha bobina descargada e unha fonte de intensidade de valor i(0) = I en paralelo.

A corrente pola bobina, e por tanto o fluxo, non poden variar bruscamente xa que se non a tensión  debería facerse infinita. Por iso ao abrir un circuíto onde se atope conectada unha bobina, sempre saltará un arco de corrente entre os bornes do interruptor que dá saída á corrente que descarga a bobina.

Cando o indutor non é ideal porque ten unha resistencia interna en serie, a tensión aplicada é igual á suma da caída de tensión sobre a resistencia interna máis a forza contra-electromotriz autoinducida.

 En corrente alterna 

En corrente alterna, unha bobina ideal ofrece unha resistencia ao paso da corrente eléctrica que recibe o nome de reactancia indutiva, , cuxo valor vén dado polo produto da pulsación () pola indutancia, L:

Se o pulso está en radiáns por segundo (rad/s) e a indutancia en henrios (H) a reactancia resultará en ohmios.

De acordo coa lei de Ohm circulará unha corrente alterna que se verá atrasada 90° () respecto da tensión aplicada.

 Asociacións comúns 
miniatura|370px|Figura 2. Asociación serie xeral.
miniatura|370px|Figura 3. Asociación paralelo xeral.

Do mesmo xeito que as resistencias, as bobinas poden asociarse en serie (figura 2), paralelo (figura 3) ou de forma mixta. Nestes casos, e sempre que non exista axuste magnético, a indutancia equivalente para a asociación en serie virá dada por:

Para a asociación en paralelo temos:

Para a asociación mixta procederase de forma análoga que coas resistencias.

Se se require unha maior comprensión do comportamento reactivo dun indutor, é conveniente entón analizar detalladamente a Lei de Lenz e comprobar desta forma como se orixina unha reactancia de tipo indutiva, a cal nace debido a unha oposición que lle presenta o indutor, ou bobina, á variación de fluxo magnético.

 Comportamentos ideal e real 
 En corrente continua 
Unha bobina ideal en corrente continua compórtase como un curtocircuíto (condutor ideal), xa que ao ser i(t) constante, é dicir, non varía co tempo, non hai autoindución de ningunha f.e.m.


Unha bobina real en réxime permanente compórtase como unha resistencia cuxo valor  (figura 6a) será o do seu enrolado.

En réxime transitorio, isto é, ao conectar ou desconectar un circuíto con bobina, suceden fenómenos electromagnéticos que inciden sobre a corrente (ver circuítos serie RL e RC).

 En corrente alterna 
miniatura|esquerda|200px|Figura 4. Diagrama cartesiano das tensións e corrente nunha bobina.

Ao conectar unha CA sinusoidal v(t) a unha bobina aparecerá unha corrente i(t), tamén sinusoidal, isto é, variable, polo que, como se comentou máis arriba, aparecerá unha forza contraelectromotriz, -e(t), cuxo valor absoluto pode demostrase que é igual ao de v(t). Por tanto, cando a corrente i(t) aumenta, e (t) diminúe para dificultar o devandito aumento; analogamente, cando i(t) diminúe, e(t) aumenta para oporse á devandita diminución. Isto pode apreciarse no diagrama da figura 4. Entre 0° e 90° a curva i(t) é negativa, diminuíndo desde o seu valor máximo negativo ata cero, observándose que e(t) vai aumentando ata alcanzar o seu máximo negativo. Entre 90° e 180°, a corrente aumenta desde cero ata o seu valor máximo positivo, mentres e(t) diminúe ata ser cero. Desde 180° ata os 360° o razoamento é similar ao anterior.

miniatura|200px|Figura 5. Diagrama fasorial.
Dado que a tensión aplicada, v(t) é igual a -e(t), ou o que é o mesmo, está desfasada 180° respecto de e(t), resulta que a corrente i(t) queda atrasada 90° respecto da tensión aplicada. Consideremos por tanto, unha bobina L, como a da figura 1, á que se aplica unha tensión alterna de valor:

miniatura|300px|Figura 6.: Circuítos equivalentes dunha bobina real en CC, a), e en CA, b) e c).

De acordo coa lei de Ohm circulará unha corrente alterna, atrasada 90° () respecto da tensión aplicada (figura 5), de valor:

onde . Se se representa o valor eficaz da corrente obtida en forma polar:

E operando matematicamente:

Por tanto, nos circuítos de CA, unha bobina ideal pódese asimilar a unha magnitude complexa sen parte real e parte imaxinaria positiva:

Na bobina real, haberá que ter en conta a resistencia do seu bobinado, RL, podendo ser o seu circuíto equivalente ou modelo, o que aparece na figura 6b) ou 6c) dependendo do tipo de bobina ou frecuencia de funcionamento, aínda que para análises máis precisas poden utilizarse modelos máis complexos que os anteriores.

 Comportamento á interrupción do circuíto 
miniatura|A alimentación carga o indutor a través a resistencia.

Examinemos o comportamento práctico dun indutor cando se interrompe o circuíto que o alimenta. No debuxo da dereita aparece un indutor que se carga a través unha resistencia e un interruptor. O condensador debuxado en punteado representa as capacidade parásita do indutor. Está debuxado separado do indutor, pero en realidade forma parte del, porque representa as capacidade parásita das voltas do cable enrolado entre elas mesmas. Todo indutor ten capacidades parásitas, incluso as bobinas especialmente concibidas para minimizalas como as bobinas en "niño de abellas".

miniatura|O interruptor ábrese. A corrente só pode circular cargando as capacidades parásitas.

A un certo momento  o interruptor ábrese. Se miramos a definición de indutancia:

vemos que, para que a corrente que atravesa o indutor se deteña instantaneamente, sería necesario a aparición dunha tensión infinita, e iso non pode suceder. Por esa razón a corrente continúa circulando a través das capacidades parásitas da bobina. Ao principio, o único camiño que ten é a través as capacidades parásitas. A corrente continúa circulando a través a capacidade parásita, cargando negativamente o punto alto do condensador no debuxo. miniatura|No instante  o interruptor de abre deixando ó indutor oscilar coas capacidades parásitas.
Atopámonos cun circuíto LC que oscilará a unha pulsación:

onde  é o valor equivalente das capacidades parásitas. Se os illamentos da bobina son suficientemente resistentes ás altas tensións, e se o interruptor interrompe ben o circuíto, a oscilación continuará cunha amplitude que se amortecerá debido ás perdas dieléctricas e resistivas das capacidades parásitas e do condutor do indutor. Se ademais, o indutor ten un núcleo ferromagnético, haberá tamén perdas no núcleo.

Hai que ver que a tensión máxima (coñecida como "sobretensión") da oscilación pode ser moi grande, xa que o máximo da tensión corresponde ao momento no cal toda a enerxía almacenada na bobina  pasaría ás capacidades parásitas . Se estas son pequenas, a tensión pode ser moi grande e poden producirse arcos eléctricos entre voltas da bobina ou entre os contactos abertos do interruptor.

Aínda que os arcos eléctricos sexan frecuentemente perniciosos e perigosos, outras veces son útiles e desexados. É o caso da soldadura por arco, lámpadas a arco, alto forno eléctrico e fornos a arco. No caso da soldadura por arco, o interruptor do noso diagrama é o contacto entre o metal a soldar e o eléctrodo.

miniatura|Se a tensión é grande poden producirse arcos no interruptor ou na bobina.

O que sucede cando o arco aparece depende das características eléctricas do arco. E as características dun arco dependen da corrente que o atravesa. Cando a corrente é grande (decenas de amperios), o arco está formado por un camiño espeso de moléculas e átomos ionizados que presentan pouca resistencia eléctrica e unha inercia térmica que o fai durar. O arco disipa centenas de watts e pode fundir metais e crear incendios. Se o arco se produce entre os contactos do interruptor, o circuíto non estará verdadeiramente aberto e a corrente continuará circulando.
Os arcos non desexados constitúen un problema serio e difícil de resolver cando se utilizan altas tensións e grandes potencias.

miniatura|No instante   prodúcese un arco que dura ata o instante . A partir dese momento, a indutancia oscila coas capacidades parásitas. En punteado a corrente e a tensión que habería se o arco non se producise.

Cando as correntes son pequenas, o arco arrefríase rapidamente e deixa de conducir a electricidade.
No debuxo da dereita ilustramos un caso particular que pode producirse, pero que só é un dos casos posibles. Ampliamos a escala do tempo ao redor da apertura do interruptor e da formación do arco.

Despois da apertura do interruptor, a tensión nos bornes da indutancia aumenta (con signo contrario). No instante , a tensión é suficiente para crear un arco entre dúas voltas da bobina. O arco presenta pouca resistencia eléctrica e descarga rapidamente as capacidades parásitas. A corrente, en lugar de continuar cargando as capacidades parásitas, comeza a pasar polo arco. Debuxamos o caso no cal a tensión do arco é relativamente constante. A corrente do indutor diminúe ata que ao instante  sexa demasiado pequena para manter o arco e este se apague e deixa de conducir. A corrente volve pasar polas capacidades parásitas e esta vez a oscilación continúa amortecéndose e sen crear novos arcos, xa que esta vez a tensión non alcanzará valores demasiado grandes. Lembremos que este é soamente un caso posible.

Pódese explicar por que unha persoa pode recibir unha pequena descarga eléctrica ao medir a resistencia dun bobinado cun simple óhmetro que só pode alimentar uns miliamperios e uns poucos voltios. A razón é que para medir a resistencia do bobinado, faise circular uns miliamperios. Se, cando se desconectan os cables do óhmetro, séguese tocando cos dedos os bornes da bobina, os miliamperios que circulaban nela continuarán facéndoo, pero pasando polos dedos.

 Análise de transitorios 
miniatura|O díodo serve de camiño á corrente do indutor cando o transistor se bloquea. Isto evita a aparición de altas tensións entre o colector e a base do transistor.

A regra é que, para evitar os arcos ou as sobretensións, hai que protexer os circuítos prevendo unha pasaxe para a corrente do indutor cando o circuíto se interrompe. No diagrama da dereita hai un exemplo dun transistor que controla a corrente nunha bobina (a dun relé, por exemplo). Cando o transistor se bloquea, a corrente que circula na bobina carga as capacidades parásitas e a tensión do colector aumenta e pode exceder facilmente a tensión máxima da unión colector-base e destruír o transistor. Colocando un díodo como no diagrama, a corrente atopa un camiño no díodo e a tensión do colector estará limitada á tensión de alimentación máis o 0,6 V do díodo. O prezo funcional desta protección é que a corrente da bobina tarda máis en diminuír e iso, nalgúns casos, pode ser un inconveniente. Pódese diminuír o tempo se, en lugar dun díodo rectificador, colócase un díodo zéner ou Transil. Non hai que esquecer que o dispositivo de protección deberá ser capaz de absorber case toda a enerxía almacenada no indutor.

 Aplicacións 
Os indutores son moi utilizados nos circuítos analóxicos e no procesamiento de sinais. En combinación cos condensadores e outros compoñentes forman circuítos que poden potenciar ou filtrar un sinal dunhas frecuencias específicas. As aplicacións van desde os grandes indutores que se utilizan nas fontes de alimentación en combinación con filtros de condensadores para eliminar as oscilacións habituais na corrente alterna a 50 ou 60 Hz, ou outros tipos de flutuacións, ata os pequenos indutores de ferrita ou toroidais instalados ao redor dun cable para evitar que as interferencias electromagnéticas se transmitan ao cable. Tamén se utilizan combinacións de pequenos indutores e condensadores para construír circuítos resonantes de sintonización de radiodifusión.

Os indutores tamén se utilizan nos sistemas de transmisión para diminuír as voltaxes procedentes das descargas dos raios ou para limitar os correntes de escape. No campo desta última aplicación son coñecidos como reactores (indutores con reactancia).

As bobinas das máquinas eléctricas poden ir tanto no rotor como no estator e conforman o circuíto eléctrico da máquina. Segundo como se queira que traballe o motor, as bobinas pódense colocar de dúas maneiras: nos polos (saída con saída, entrada con entrada, saída con saída...) ou nos polos consecuentes (saída con entrada, saída con entrada, saída con entrada...). Tamén se poden facer en series paralelas nas cales temos que manter as espirais conectadas na rede eléctrica.

 Tipos de indutor 
 Bobinas cunha indutancia fixa 
As bobinas de inducancia fixa poden ser construídas sobre un núcleo de aire, habitualmente utilizadas en frecuencias altas, ou tamén sobre núcleos sólidos (habitualmente de material ferromagnético), estes indutores terán indutancias superiores ás de núcleo de aire debido ao seu elevado nivel de permeabilidade magnética

Este tipo de bobinas están presentes, entre outras aplicacións, nos transformadores, os electroimáns, as bombas dosificadoras, os relés, os contactors, nos altofalantes electrodinámicos e electromagnéticos, nos micrófonos, nos transformadores de corrente, nas bobinas de desviación do tubos de raios catódicos dos televisores, nos galvanómetros, motores eléctricos e nos reloxos de cuarzo analóxicos. Nos circuítos electrónicos, entre outras cousas, utilízanse cunha determinada frecuencia como o caso das bobinas de choque que fan de filtro dunha determinada frecuencia.

As bobinas con núcleo toroidal caracterízanse polo feito que a súa forma crea un fluxo magnético cercado e isto fai que o fluxo non se disperse cara ao exterior, isto fai que este tipo de indutor teña un gran rendemento e precisión.

As aplicacións de fío condutor enrolado en espiral que se atopa nalgúns tipos de resistencias, as antenas helicoidais, os tubos de ondas progresivas ou as lámpadas non son considerados bobinas.

 Bobina de acendido 
miniatura|A bobina de acendido dun coche antigo.
A bobina de acendido é un cuadripolo que aproveita o fenómeno da indución electromagnética para xerar unha corrente eléctrica a moi alta tensión. Este tipo de bobinas son unha parte indispensable dos motores de gasolina dado que  son as encargadas de arrincalos.

Trátase dun sistema de alimentación conmutado de tipo Flyback, formado por un par de circuítos magnéticos axustados. O primeiro, o bobinado de baixa tensión está formado por poucas espiras e está conectado á alimentación mentres que o segundo, o bobinado de alta tensión, e está formado por moitas máis espiras e conéctase ao dispositivo que hai que accionar.

O funcionamento presenta dúas etapas:
 Fase de acumulación: Nun primeiro momento a enerxía magnética acumúlase no bobinado de baixa tensión ata o momento en que a súa cantidade logra un valor óptimo que dependerá do número de espiras do circuíto magnético.
 Fase de restitución: Cando o interruptor abre o circuíto e a enerxía acumulada provoca a aparición dunha corrente no segundo bobinado dunha tensión igual ao produto da tensión primaria polo número de espiras.

 Indutores variables 
miniatura|Un antigo sintonizador de FM cun variómetro e un triodo dobre.
Os indutores variables permiten variar a indutancia por diferentes mecanismos como o desprazamento do núcleo magnético (a indutancia está relacionada coa permeabilidade magnética do núcleo) ou dispondo de diferentes contactos que permiten seleccionar o número de espiras da bobina.

O variómetro foi un tipo de indutor variable de grande importancia histórica, foi amplamente utilizado nos primeiros receptores de radio. Un variómetro consta de dúas bobinas conectadas en serie, unha delas é móbil e pode virar sobre a outra para variar a indutancia mutua.

 Amplificador magnético 
Os amplificadores magnéticos, un tipo de transdutor, permiten amplificar os sinais eléctricos. Basicamente hai de dous tipos, os de indutancia saturable e os de autosaturación. No primeiro caso utilízase un indutor variable en serie cun circuíto de potencia, a variación da súa indutancia provócanse cunha corrente continua de control sobre un arrolamento sobre o mesmo núcleo do amplificador que fai variar o nivel de saturación do núcleo. No segundo caso utilízase un núcleo ferromagnético cunha histérese rectangular de forma que a variación da indutancia é repentina, actuando como un interruptor.

Notas

Véxase tamén

Outros artigos
 Solenoide
 Bobina de Rogowski
 Bibliografía 



Ligazóns externas
 Medida de resistencia de bobinados en transformadores (artigo/manual)
 Símbolos de bobinas eléctricas / Indutores 
 Deseño da bobina de núcleo de aire dunha capa - calculadora en liña 

Categoría:Electrónica
Categoría:Artigos que toda Wikipedia debería ter (Tecnoloxía)