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

La primera parte del artículo: Inductores y campos magnéticos.

La relación de los campos eléctricos y magnéticos.

Los fenómenos eléctricos y magnéticos se han estudiado durante mucho tiempo, pero a nadie se le ocurrió relacionar de alguna manera estos estudios entre sí. Y solo en 1820 se descubrió que un conductor de corriente actúa sobre la aguja de la brújula. Este descubrimiento perteneció al físico danés Hans Christian Oersted. Posteriormente, la unidad de medida de la intensidad del campo magnético en el sistema GHS lleva su nombre: la designación rusa E (Oersted), la designación inglesa Oe. El campo magnético tiene tal intensidad en el vacío durante la inducción de 1 Gauss.

Este descubrimiento sugirió que se podía obtener un campo magnético a partir de una corriente eléctrica. Pero al mismo tiempo, surgieron pensamientos sobre la transformación inversa, a saber, cómo obtener una corriente eléctrica de un campo magnético. De hecho, muchos procesos en la naturaleza son reversibles: el hielo se obtiene del agua, que nuevamente puede fundirse en agua.

Después del descubrimiento de Oersted, el estudio de esta ley de la física ahora obvia tomó hasta veintidós años. El científico inglés Michael Faraday se dedicaba a obtener electricidad de un campo magnético. Se hicieron conductores e imanes de varias formas y tamaños, y se buscaron opciones para su disposición mutua. Y solo, aparentemente, por casualidad, el científico descubrió que para obtener EMF en los extremos del conductor, se necesita un término más: el movimiento del imán, es decir, El campo magnético debe ser variable.

Ahora esto no sorprende a nadie. Así es como funcionan todos los generadores eléctricos: mientras se gira con algo, se genera electricidad y se enciende una bombilla. Se detuvo, dejó de girar y la luz se apagó.

Inducción electromagnética

Por lo tanto, la EMF en los extremos del conductor ocurre solo si se mueve de cierta manera en un campo magnético. O, más precisamente, el campo magnético debe necesariamente cambiar, ser variable. Este fenómeno se llama inducción electromagnética, en la guía electromagnética rusa: en este caso, dicen que la EMF se induce en el conductor. Si se conecta una carga a dicha fuente EMF, fluirá una corriente en el circuito.

La magnitud del EMF inducido depende de varios factores: la longitud del conductor, la inducción del campo magnético B y, en gran medida, la velocidad de movimiento del conductor en el campo magnético. Cuanto más rápido gira el rotor del generador, mayor es el voltaje en su salida.

Nota: la inducción electromagnética (el fenómeno de la aparición de un EMF en los extremos de un conductor en un campo magnético alterno) no debe confundirse con la inducción magnética, una cantidad física vectorial que caracteriza el campo magnético real.

Tres formas de obtener EMF

Inducción

Este método ha sido considerado. en la primera parte del artículo. Es suficiente mover el conductor en el campo magnético del imán permanente, o viceversa para mover (casi siempre por rotación) el imán cerca del conductor. Ambas opciones definitivamente le permitirán obtener un campo magnético alterno. En este caso, el método para obtener EMF se llama inducción. Es la inducción que se utiliza para obtener EMF en varios generadores. En los experimentos de Faraday en 1831, el imán se movió progresivamente dentro de la bobina de alambre.

Inducción mutua

Este nombre sugiere que dos conductores participan en este fenómeno. En uno de ellos, fluye una corriente cambiante, que crea un campo magnético alterno a su alrededor. Si hay otro conductor cerca, entonces en sus extremos hay un EMF variable.

Este método de obtener EMF se llama inducción mutua.Es sobre el principio de la inducción mutua que todos los transformadores funcionan, solo sus conductores están hechos en forma de bobinas, y los núcleos hechos de materiales ferromagnéticos se utilizan para mejorar la inducción magnética.

Si la corriente en el primer conductor se detiene (circuito abierto), o incluso se vuelve muy fuerte, pero constante (no hay cambios), entonces en los extremos del segundo conductor no se puede obtener EMF. Es por eso que los transformadores funcionan solo con corriente alterna: si una batería galvánica está conectada al devanado primario, entonces definitivamente no habrá voltaje en la salida del devanado secundario.

La FEM en el devanado secundario se induce solo cuando cambia el campo magnético. Además, cuanto más fuerte es la tasa de cambio, es decir, la velocidad, y no el valor absoluto, mayor es el EMF inducido.

Autoinducción

Si quita el segundo conductor, entonces el campo magnético en el primer conductor permeará no solo el espacio circundante, sino también el propio conductor. Por lo tanto, bajo la influencia de su campo en el conductor inducido EMF, que se llama EMF de autoinducción.

Los fenómenos de autoinducción en 1833 fueron estudiados por el científico ruso Lenz. En base a estos experimentos, se encontró un patrón interesante: el EMF de autoinducción siempre contrarresta, compensa el campo magnético alterno externo que causa este EMF. Esta dependencia se llama la regla de Lenz (no debe confundirse con la ley de Joule-Lenz).

El signo menos en la fórmula solo habla de contrarrestar la FEM de autoinducción por sus causas. Si la bobina está conectada a una fuente de corriente continua, la corriente aumentará muy lentamente. Esto es muy notable cuando el devanado primario del transformador se "marca" con un ohmímetro indicador: la velocidad de la flecha en la dirección de la división de escala cero es notablemente menor que cuando se verifican las resistencias.

Cuando la bobina se desconecta de la fuente de corriente, el EMF de autoinducción provoca chispas en los contactos del relé. En el caso de que la bobina esté controlada por un transistor, por ejemplo, una bobina de relé, se coloca un diodo paralelo a ella en la dirección opuesta con respecto a la fuente de alimentación. Esto se hace para proteger los elementos semiconductores de la influencia de la autoinducción EMF, que puede ser decenas o incluso cientos de veces mayor que el voltaje de la fuente de alimentación.

Para realizar experimentos, Lenz construyó un dispositivo interesante. Se fijan dos anillos de aluminio en los extremos del balancín de aluminio. Un anillo es sólido y el otro fue cortado. El balancín gira libremente sobre la aguja.

Cuando un imán permanente se introdujo en un anillo sólido, "escapó" del imán, y cuando se retiró el imán, lo buscó. Las mismas acciones con el anillo de corte no causaron ningún movimiento. Esto se debe al hecho de que en un anillo continuo bajo la influencia de un campo magnético alterno, surge una corriente que crea un campo magnético. Pero en el anillo abierto no hay corriente, por lo tanto, tampoco hay campo magnético.

Un detalle importante de este experimento es que si un imán se inserta en el anillo y permanece estacionario, no se observa reacción del anillo de aluminio a la presencia del imán. Esto confirma una vez más que la EMF de inducción ocurre solo en caso de un cambio en el campo magnético, y la magnitud de la EMF depende de la tasa de cambio. En este caso, simplemente por la velocidad de movimiento del imán.

Lo mismo puede decirse sobre la inducción mutua y la autoinducción, solo un cambio en la intensidad del campo magnético, más precisamente, su tasa de cambio depende de la tasa de cambio de corriente. Para ilustrar este fenómeno, podemos dar un ejemplo.

Deje pasar corrientes grandes a través de dos bobinas idénticas suficientemente grandes: a través de la primera bobina 10A, y a través de la segunda hasta 1000, con las corrientes aumentando linealmente en ambas bobinas. Supongamos que en un segundo la corriente en la primera bobina cambia de 10 a 15 A, y en el segundo de 1000 a 1001 A, lo que provoca la aparición de EMF de autoinducción en ambas bobinas.

Pero, a pesar de un valor tan enorme de la corriente en la segunda bobina, el EMF de autoinducción será mayor en la primera, ya que allí la tasa de cambio de corriente es de 5 A / s, y en la segunda es de solo 1 A / s. De hecho, el EMF de autoinducción depende de la tasa de aumento de la corriente (lea el campo magnético) y no de su valor absoluto.

Inductancia

Las propiedades magnéticas de la bobina con corriente dependen del número de vueltas, dimensiones geométricas. Se puede lograr un aumento significativo en el campo magnético mediante la introducción de un núcleo ferromagnético en la bobina. Las propiedades magnéticas de la bobina se pueden juzgar con suficiente precisión por la magnitud de la EMF de inducción, inducción mutua o autoinducción. Todos estos fenómenos fueron considerados anteriormente.

La característica de la bobina, que habla de esto, se llama coeficiente de inductancia (autoinducción) o simplemente inductancia. En las fórmulas, la inductancia se denota con la letra L, y en los diagramas la misma letra denota las bobinas de inductancia.

La unidad de inductancia es Henry (GN). La inductancia 1H tiene una bobina en la cual, cuando la corriente cambia en 1A por segundo, se genera un EMF de 1V. Este valor es bastante grande: los devanados de red de transformadores suficientemente potentes tienen una inductancia de uno o más GN.

Por lo tanto, con bastante frecuencia utilizan valores de un orden menor, a saber, mili y micro-henry (mH y μH). Tales bobinas se utilizan en circuitos electrónicos. Una de las aplicaciones de las bobinas son los circuitos oscilatorios en dispositivos de radio.

Además, las bobinas se utilizan como estranguladores, cuyo objetivo principal es omitir la corriente continua sin pérdida mientras se debilita la corriente alterna (filtros en fuentes de alimentación) Generalmente, cuanto mayor es la frecuencia de operación, se requieren menos bobinas de inductancia.

Inductancia

Si toma un transformador de red suficientemente potente y medir con un multímetro Resistencia del devanado primario, resulta que es solo de unos pocos ohmios, e incluso cercano a cero. Resulta que la corriente a través de ese devanado será muy grande e incluso tenderá a infinito. ¡Un corto circuito parece ser inevitable! Entonces, ¿por qué no lo está?

Una de las principales propiedades de los inductores es la resistencia inductiva, que depende de la inductancia y de la frecuencia de la corriente alterna que está conectada a la bobina.

Es fácil ver que con un aumento en la frecuencia y la inductancia, la resistencia inductiva aumenta, y en corriente continua generalmente se vuelve igual a cero. Por lo tanto, cuando se mide la resistencia de las bobinas con un multímetro, solo se mide la resistencia activa del cable.

El diseño de los inductores es muy diverso y depende de las frecuencias a las que opera la bobina. Por ejemplo, para trabajos en el rango de decímetro de ondas de radio, las bobinas hechas por cableado impreso se usan con bastante frecuencia. En la producción en masa, este método es muy conveniente.

La inductancia de una bobina depende de sus dimensiones geométricas, núcleo, número de capas y forma. Actualmente, se produce un número suficiente de inductores estándar, similar a las resistencias convencionales con cables. El marcado de tales bobinas se lleva a cabo con anillos de colores. También hay bobinas de montaje en superficie utilizadas como estranguladores. La inductancia de tales bobinas es de varios miligenes.