15.1: Campos Magnéticos e Inductancia

Fuerza de campo y flujo de campo

Los campos tienen dos medidas: una fuerza de campo y un flujo de campo. La fuerza de campo es la cantidad de “empuje” que un campo ejerce sobre una cierta distancia. El flujo de campo es la cantidad total, o efecto, del campo a través del espacio. La fuerza de campo y el flujo son aproximadamente análogos al voltaje (“empuje”) y la corriente (flujo) a través de un conductor, respectivamente, aunque el flujo de campo puede existir en un espacio totalmente vacío (sin el movimiento de partículas como los electrones) mientras que la corriente solo puede tener lugar donde hay electrones libres para moverse. El flujo de campo puede ser opuesto en el espacio, así como el flujo de electrones puede ser opuesto por la resistencia. La cantidad de flujo de campo que se desarrollará en el espacio es proporcional a la cantidad de fuerza de campo aplicada, dividida por la cantidad de oposición al flujo. Así como el tipo de material conductor dicta la resistencia específica de ese conductor a la corriente eléctrica, el tipo de material que ocupa el espacio a través del cual se impresiona una fuerza de campo magnético dicta la oposición específica al flujo del campo magnético.

Mientras que un flujo de campo eléctrico entre dos conductores permite una acumulación de carga electrónica libre dentro de esos conductores, un flujo de campo magnético permite que una cierta “inercia” se acumule en el flujo de electrones a través del conductor que produce el campo.

Campos magnéticos más fuertes con inductores

Los inductores son componentes diseñados para aprovechar este fenómeno al dar forma a la longitud del cable conductor en forma de bobina. Esta forma crea un campo magnético más fuerte que lo que produciría un cable recto. Algunos inductores están formados con alambre enrollado en una bobina autoportante. Otros envuelven el alambre alrededor de un material de núcleo sólido de algún tipo. A veces el núcleo de un inductor será recto, y otras veces se unirá en un bucle (cuadrado, rectangular o circular) para contener completamente el flujo magnético. Todas estas opciones de diseño tienen un efecto sobre el rendimiento y las características de los inductores.

El símbolo esquemático de un inductor, como el condensador, es bastante simple, siendo poco más que un símbolo de bobina que representa el cable enrollado. Aunque una forma de bobina simple es el símbolo genérico para cualquier inductor, los inductores con núcleos a veces se distinguen por la adición de líneas paralelas al eje de la bobina. Una versión más reciente del símbolo inductor prescinde de la forma de la bobina en favor de varios “jorobos” seguidos:

Como la corriente eléctrica produce un campo magnético concentrado alrededor de la bobina, este flujo de campo equivale a un almacenamiento de energía que representa el movimiento cinético de los electrones a través de la bobina. Cuanta más corriente haya en la bobina, más fuerte será el campo magnético y más energía almacenará el inductor.

Debido a que los inductores almacenan la energía cinética de los electrones en movimiento en forma de campo magnético, se comportan de manera bastante diferente a las resistencias (que simplemente disipan la energía en forma de calor) en un circuito. El almacenamiento de energía en un inductor es una función de la cantidad de corriente a través de él. La capacidad de un inductor para almacenar energía en función de la corriente da como resultado una tendencia a tratar de mantener la corriente a un nivel constante. En otras palabras, los inductores tienden a resistir cambios en la corriente. Cuando la corriente a través de un inductor aumenta o disminuye, el inductor “resiste” el cambio produciendo un voltaje entre sus conductores en polaridad opuesta al cambio.

Para almacenar más energía en un inductor, se debe aumentar la corriente a través del mismo. Esto significa que su campo magnético debe aumentar de intensidad, y ese cambio en la intensidad del campo produce el voltaje correspondiente de acuerdo con el principio de autoinducción electromagnética. Por el contrario, para liberar energía de un inductor, se debe disminuir la corriente a través de él. Esto significa que el campo magnético del inductor debe disminuir en intensidad, y ese cambio en la intensidad del campo autoinduce una caída de voltaje de la polaridad opuesta.

Así como la primera Ley del Movimiento de Isaac Newton (“un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento; un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo”) describe la tendencia de una masa a oponerse a los cambios de velocidad, podemos afirmar la tendencia de un inductor a oponerse a los cambios en la corriente como tales: “Los electrones que se mueven a través de un inductor tienden para mantenerse en movimiento; los electrones en reposo en un inductor tienden a permanecer en reposo”. Hipotéticamente, un inductor dejado cortocircuitado mantendrá una tasa constante de corriente a través de él sin asistencia externa:

Prácticamente hablando, sin embargo, la capacidad de un inductor para autosostener la corriente se realiza solo con alambre superconductor, ya que la resistencia del cable en cualquier inductor normal es suficiente para hacer que la corriente disminuya muy rápidamente sin una fuente externa de energía.

Cuando se incrementa la corriente a través de un inductor, baja una tensión opuesta a la dirección del flujo de electrones, actuando como una carga de potencia. En esta condición, se dice que el inductor se está cargando, debido a que hay una cantidad creciente de energía que se almacena en su campo magnético. Observe la polaridad de la tensión con respecto a la dirección de la corriente:

Por el contrario, cuando disminuye la corriente a través del inductor, baja una tensión ayudando a la dirección del flujo de electrones, actuando como fuente de energía. En esta condición, se dice que el inductor está en descarga, debido a que su acumulación de energía está disminuyendo ya que libera energía de su campo magnético al resto del circuito. Observe la polaridad de la tensión con respecto a la dirección de la corriente.

Si una fuente de energía eléctrica se aplica repentinamente a un inductor no magnetizado, el inductor inicialmente resistirá el flujo de electrones al disminuir el voltaje completo de la fuente. A medida que la corriente comience a aumentar, se creará un campo magnético cada vez más fuerte, absorbiendo energía de la fuente. Eventualmente la corriente alcanza un nivel máximo, y deja de aumentar. En este punto, el inductor deja de absorber energía de la fuente, y está cayendo el voltaje mínimo a través de sus cables, mientras que la corriente permanece en un nivel máximo. A medida que un inductor almacena más energía, su nivel de corriente aumenta, mientras que su caída de voltaje disminuye. Tenga en cuenta que esto es precisamente lo contrario del comportamiento del condensador, donde el almacenamiento de energía resulta en un aumento de voltaje en todo el componente. Mientras que los condensadores almacenan su carga de energía manteniendo un voltaje estático, los inductores mantienen su “carga” de energía al mantener una corriente constante a través de la bobina.

El tipo de material en el que se arrolla el cable impacta en gran medida la fuerza del flujo del campo magnético (y por lo tanto la cantidad de energía almacenada) generado para cualquier cantidad dada de corriente a través de la bobina. Los núcleos de bobina hechos de materiales ferromagnéticos (como el hierro blando) fomentarán que los flujos de campo más fuertes se desarrollen con una fuerza de campo dada que las sustancias no magnéticas como el aluminio o el aire.

¿Qué es la inductancia?

La medida de la capacidad de un inductor para almacenar energía para una cantidad dada de flujo de corriente se llama inductancia. No es sorprendente que la inductancia sea también una medida de la intensidad de oposición a los cambios en la corriente (exactamente cuánto voltaje autoinducido se producirá para una tasa de cambio de corriente dada). La inductancia se denota simbólicamente con una “L” mayúscula y se mide en la unidad del Henry, abreviada como “H”.

Choke Vs. Inductor

Un nombre obsoleto para un inductor es choke, llamado así por su uso común para bloquear (“estrangular”) señales de CA de alta frecuencia en circuitos de radio. Otro nombre para un inductor, todavía utilizado en los tiempos modernos, es reactor, especialmente cuando se usa en aplicaciones de gran potencia. Ambos nombres tendrán más sentido después de haber estudiado la teoría de circuitos de corriente alterna (CA), y especialmente un principio conocido como reactancia inductiva.

Revisar

• Los inductores reaccionan contra los cambios en la corriente al disminuir el voltaje en la polaridad necesaria para oponerse al cambio.
• Cuando un inductor se enfrenta a una corriente creciente, actúa como una carga: bajando voltaje a medida que absorbe energía (negativo en el lado de entrada de corriente y positivo en el lado de salida de corriente, como una resistencia).
• Cuando un inductor se enfrenta a una corriente decreciente, actúa como fuente: creando voltaje a medida que libera energía almacenada (positivo en el lado de entrada de corriente y negativo en el lado de salida de corriente, como una batería).
• La capacidad de un inductor para almacenar energía en forma de campo magnético (y en consecuencia para oponerse a los cambios en la corriente) se llama inductancia. Se mide en la unidad del Henry (H).
• Los inductores solían ser conocidos comúnmente por otro término: estrangulador. En aplicaciones de gran potencia, a veces se les conoce como reactores.