Inductores y campos magnéticos.

Despues de la historia sobre el uso de condensadores Sería lógico hablar de otro representante de los radioelementos pasivos: los inductores. Pero la historia sobre ellos tendrá que comenzar desde lejos, para recordar la existencia de un campo magnético, porque es el campo magnético que rodea y penetra las bobinas, es en un campo magnético, alternando con mayor frecuencia, que las bobinas funcionan. En resumen, este es su hábitat.

El magnetismo como propiedad de la materia.

El magnetismo es una de las propiedades más importantes de la materia, así como, por ejemplo, la masa o el campo eléctrico. Sin embargo, los fenómenos del magnetismo, como la electricidad, se conocen desde hace mucho tiempo, solo entonces la ciencia no pudo explicar la esencia de estos fenómenos. Un fenómeno incomprensible fue llamado "magnetismo" por el nombre de la ciudad de Magnesia, que una vez estuvo en Asia Menor. Fue a partir del mineral extraído cerca que se obtuvieron imanes permanentes.

Pero los imanes permanentes en el marco de este artículo no son particularmente interesantes. Tan pronto como se prometió hablar sobre inductores, lo más probable es que hablemos sobre electromagnetismo, porque está lejos de ser un secreto que incluso alrededor de un cable con corriente hay un campo magnético.

En condiciones modernas, es bastante fácil investigar el fenómeno del magnetismo en el nivel inicial, al menos. Para hacer esto, debe ensamblar un circuito eléctrico simple a partir de una batería y una bombilla para una linterna. Como indicador del campo magnético, su dirección e intensidad, puede usar la brújula habitual.

Campo magnético DC

Como sabes, la brújula muestra la dirección hacia el norte. Si coloca los cables del circuito más simple mencionado anteriormente y enciende la luz, la aguja de la brújula se desviará un poco de su posición normal.

Al conectar otra bombilla en paralelo, puede duplicar la corriente en el circuito, lo que aumenta ligeramente el ángulo de rotación de la flecha. Esto sugiere que el campo magnético del cable con corriente se ha vuelto más grande. Sobre este principio funcionan los instrumentos de medición de flechas.

Si se invierte la polaridad de encender la batería, entonces la aguja de la brújula girará hacia el otro extremo; la dirección del campo magnético en los cables también cambió de dirección. Cuando se apaga el circuito, la aguja de la brújula volverá a su posición correcta. No hay corriente en la bobina, y no hay campo magnético.

En todos estos experimentos, la brújula desempeña el papel de una aguja magnética de prueba, al igual que el estudio de un campo eléctrico constante se realiza mediante una carga eléctrica de prueba.

Basado en experimentos tan simples, podemos concluir que el magnetismo nace debido a la corriente eléctrica: cuanto más fuerte es esta corriente, más fuertes son las propiedades magnéticas del conductor. Y luego, ¿de dónde viene el campo magnético de los imanes permanentes, ya que nadie conectó la batería con cables?

La investigación científica fundamental ha demostrado que el magnetismo permanente se basa en fenómenos eléctricos: cada electrón está en su propio campo eléctrico y tiene propiedades magnéticas elementales. Solo en la mayoría de las sustancias, estas propiedades se neutralizan mutuamente y, por alguna razón, por alguna razón, forman un gran imán.

Por supuesto, de hecho, no todo es tan primitivo y simple, pero, en general, incluso los imanes permanentes tienen sus maravillosas propiedades debido al movimiento de las cargas eléctricas.

¿Y qué tipo de líneas magnéticas son?

Las líneas magnéticas se pueden ver visualmente. En la experiencia escolar, en las clases de física, se vierten limaduras de metal sobre una hoja de cartón y se coloca un imán permanente debajo. Golpear ligeramente una hoja de cartón puede lograr la imagen que se muestra en la Figura 1.

Figura 1

Es fácil ver que las líneas de fuerza magnéticas salen del polo norte y entran al sur, sin romperse. Por supuesto, podemos decir que es, por el contrario, del sur al norte, pero es tan habitual, por lo tanto, del norte al sur. De la misma manera que una vez adoptaron la dirección de la corriente de más a menos.

Si, en lugar de un imán permanente, se pasa un cable de corriente a través de un cartón, entonces las láminas de metal lo mostrarán, el conductor, el campo magnético. Este campo magnético tiene la forma de líneas circulares concéntricas.

Para estudiar el campo magnético, puede hacerlo sin aserrín. Es suficiente mover la flecha magnética de prueba alrededor del conductor de corriente para ver que las líneas de fuerza magnéticas son círculos concéntricos cerrados. Si movemos la flecha de prueba hacia el lado donde el campo magnético lo desvía, sin duda volveremos al mismo punto desde donde comenzó el movimiento. De manera similar, como caminar alrededor de la Tierra: si no vas a ningún lado sin girar, tarde o temprano llegarás al mismo lugar.

Figura 2

Regla de Gimlet

La dirección del campo magnético de un conductor con corriente está determinada por la regla del gimlet, una herramienta para perforar agujeros en un árbol. Aquí todo es muy simple: el gimlet debe girarse para que su movimiento de traslación coincida con la dirección de la corriente en el cable, luego la dirección de rotación del mango mostrará hacia dónde se dirige el campo magnético.

Figura 3

“La corriente viene de nosotros”: la cruz en el medio del círculo es el plumaje de una flecha que vuela más allá del plano de la imagen, y donde “La corriente viene hacia nosotros”, se muestra la punta de la flecha que vuela detrás del plano de la hoja. Al menos, tal explicación de estas designaciones se dio en las clases de física en la escuela.

La interacción de los campos magnéticos de dos conductores con la corriente.

Figura 4

Si aplicamos la regla del gimlet a cada conductor, luego de haber determinado la dirección del campo magnético en cada conductor, podemos decir con confianza que los conductores con la misma dirección de corriente son atraídos y sus campos magnéticos se suman. Los conductores con corrientes de diferentes direcciones son mutuamente repulsivos, su campo magnético está compensado.

Inductor

Si el conductor con corriente está hecho en forma de anillo (bobina), entonces tiene sus propios polos magnéticos, norte y sur. Pero el campo magnético de una vuelta suele ser pequeño. Puede lograr resultados mucho mejores envolviendo el cable en forma de bobina. Tal parte se llama inductor o simplemente una inductancia. En este caso, los campos magnéticos de los giros individuales se suman, reforzándose mutuamente.

Figura 5

La figura 5 muestra cómo obtener la suma de los campos magnéticos de la bobina. Parece posible alimentar cada turno desde su fuente, como se muestra en la Fig. 5.2, pero es más fácil conectar los giros en serie (solo envuélvalos con un cable).

Es bastante obvio que cuanto más vueltas tiene la bobina, más fuerte es su campo magnético. Además, el campo magnético también depende de la corriente a través de la bobina. Por lo tanto, es legítimo evaluar la capacidad de una bobina para crear un campo magnético simplemente multiplicando la corriente a través de la bobina (A) por el número de vueltas (W). Este valor se llama amperios - vueltas.

Bobina de núcleo

El campo magnético generado por la bobina se puede aumentar significativamente si se introduce un núcleo de material ferromagnético en la bobina. La Figura 6 muestra una tabla con la permeabilidad magnética relativa de varias sustancias.

Por ejemplo, el acero transformador hará que el campo magnético sea aproximadamente 7 ... 7.5 mil veces más fuerte que en ausencia de un núcleo. En otras palabras, dentro del núcleo, el campo magnético rotará la aguja magnética 7,000 veces más fuerte (esto solo se puede imaginar mentalmente).

Figura 6

Las sustancias paramagnéticas y diamagnéticas se encuentran en la parte superior de la tabla. La permeabilidad magnética relativa µ se indica con relación al vacío. En consecuencia, las sustancias paramagnéticas mejoran ligeramente el campo magnético, mientras que las sustancias diamagnéticas se debilitan ligeramente.En general, estas sustancias no tienen un efecto especial sobre el campo magnético. Aunque, a altas frecuencias, a veces se utilizan núcleos de latón o aluminio para ajustar los contornos.

En la parte inferior de la tabla hay sustancias ferromagnéticas que mejoran significativamente el campo magnético de la bobina con corriente. Entonces, por ejemplo, un núcleo hecho de acero transformador hará que el campo magnético sea más fuerte exactamente 7,500 veces.

Cómo y cómo medir el campo magnético.

Cuando se necesitaban unidades para medir cantidades eléctricas, la carga de electrones se tomaba como referencia. Se formó una unidad muy real e incluso tangible a partir de la carga de un electrón, un colgante, y sobre la base de todo resultó ser simple: amperios, voltios, ohmios, julios, vatios, faradios.

¿Y qué se puede tomar como punto de partida para medir campos magnéticos? De alguna manera, unirse al campo magnético del electrón es muy problemático. Por lo tanto, se adopta un conductor como una unidad de medida en el magnetismo, a través del cual fluye una corriente continua de 1 A.

Características del campo magnético.

La principal característica es la tensión (H). Muestra con qué fuerza actúa el campo magnético sobre el conductor de prueba mencionado anteriormente, si ocurre en el vacío. El vacío está destinado a excluir la influencia del medio ambiente, por lo tanto, esta característica: la tensión se considera absolutamente limpia. El amperio por metro (a / m) se toma como la unidad de tensión. Dicha tensión aparece a una distancia de 16 cm del conductor, a lo largo de la cual fluye la corriente de 1A.

La intensidad de campo solo habla de la capacidad teórica del campo magnético. La capacidad real de actuar refleja un valor diferente de inducción magnética (B). Es ella quien muestra la fuerza real con la que el campo magnético actúa sobre un conductor con una corriente de 1A.

Figura 7

Si una corriente de 1A fluye en un conductor de 1 m de largo y se expulsa (atrae) con una fuerza de 1 N (102 G), entonces dicen que la magnitud de la inducción magnética en este punto es exactamente 1 Tesla.

La inducción magnética es una cantidad vectorial, además del valor numérico, también tiene una dirección que siempre coincide con la dirección de la aguja magnética de prueba en el campo magnético en estudio.

Figura 8

La unidad de inducción magnética es Tesla (TL), aunque en la práctica a menudo se usa una unidad Gauss más pequeña: 1TL = 10,000G. ¿Es mucho o poco? El campo magnético cerca de un poderoso imán puede alcanzar varias T, cerca de la aguja magnética de la brújula no más de 100 G, el campo magnético de la Tierra cerca de la superficie es de aproximadamente 0.01 G o incluso más bajo.

Flujo magnético

El vector de inducción magnética B caracteriza el campo magnético en un solo punto en el espacio. Para evaluar el efecto de un campo magnético en un espacio determinado, se introduce otro concepto como el flujo magnético (Φ).

De hecho, representa el número de líneas de inducción magnética que pasan a través de un espacio dado, a través de un área: Φ = B * S * cosα. Esta imagen se puede representar en forma de gotas de lluvia: una línea es una gota (B), y juntas es el flujo magnético Φ. Así es como las líneas magnéticas de potencia de las vueltas de la bobina individual se conectan a una corriente común.

Figura 9

En el sistema SI, Weber (Wb) se toma como la unidad de flujo magnético, tal flujo ocurre cuando una inducción de 1 T actúa en un área de 1 m2.

Circuito magnético

El flujo magnético en varios dispositivos (motores, transformadores, etc.), por regla general, pasa de cierta manera, llamado circuito magnético o simplemente un circuito magnético. Si el circuito magnético está cerrado (el núcleo del transformador de anillo), entonces su resistencia es pequeña, el flujo magnético pasa sin obstáculos, se concentra dentro del núcleo. La siguiente figura muestra ejemplos de bobinas con circuitos magnéticos cerrados y abiertos.

Figura 10

Resistencia del circuito magnético

Pero el núcleo se puede cortar y se puede extraer una pieza para formar un espacio magnético. Esto aumentará la resistencia magnética general del circuito, por lo tanto, reducirá el flujo magnético y, en general, reducirá la inducción en todo el núcleo.Es lo mismo que soldar mucha resistencia en un circuito eléctrico.

Figura 11

Si el espacio resultante se cierra con una pieza de acero, resulta que una sección adicional con una resistencia magnética más baja está conectada paralela al espacio, lo que restaurará el flujo magnético perturbado. Esto es muy similar a una derivación en circuitos eléctricos. Por cierto, también hay una ley para el circuito magnético, que se llama ley de Ohm para el circuito magnético.

Figura 12

La parte principal del flujo magnético pasará por la derivación magnética. Es este fenómeno el que se usa en la grabación magnética de señales de audio o video: la capa ferromagnética de la cinta cubre el espacio en el núcleo de las cabezas magnéticas, y todo el flujo magnético se cierra a través de la cinta.

La dirección del flujo magnético generado por la bobina se puede determinar utilizando la regla de la mano derecha: si cuatro dedos extendidos indican la dirección de la corriente en la bobina, el pulgar mostrará la dirección de las líneas magnéticas, como se muestra en la Figura 13.

 

Figura 13

Se cree que las líneas magnéticas salen del polo norte y se dirigen hacia el sur. Por lo tanto, el pulgar en este caso indica la ubicación del polo sur. Comprueba si esto es así, puedes volver a usar la aguja de la brújula.

Como funciona el motor eléctrico

Se sabe que la electricidad puede crear luz y calor, participar en procesos electroquímicos. Después de familiarizarse con los conceptos básicos del magnetismo, puede hablar sobre cómo funcionan los motores eléctricos.

Los motores eléctricos pueden tener un diseño, una potencia y un principio de funcionamiento muy diferentes: por ejemplo, corriente continua y alterna, paso o colector. Pero con toda la variedad de diseños, el principio de funcionamiento se basa en la interacción de los campos magnéticos del rotor y el estator.

Para obtener estos campos magnéticos, se pasa corriente a través de los devanados. Cuanto mayor es la corriente y mayor es la inducción magnética de un campo magnético externo, más potente es el motor. Los núcleos magnéticos se utilizan para fortalecer este campo, por lo que hay tantas piezas de acero en los motores eléctricos. Algunos modelos de motores de CC usan imanes permanentes.

Figura 14

Aquí, se puede decir, todo es claro y simple: pasaron una corriente a través del cable, recibieron un campo magnético. La interacción con otro campo magnético hace que este conductor se mueva e incluso realice trabajos mecánicos.

La dirección de rotación se puede determinar por la regla de la mano izquierda. Si cuatro dedos extendidos indican la dirección de la corriente en el conductor, y las líneas magnéticas entran en la palma de su mano, el pulgar doblado indicará la dirección de expulsión del conductor en un campo magnético.

Continuación: Inductores y campos magnéticos. Parte 2. Inducción electromagnética e inductancia.