miniatura|derecha|370px|Figura 1: Inductores, también llamados bobinas.
Un inductor, bobina o reactor es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.
Igualmente se define como inductor, también llamado bobina, estrangulador o reactor, es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que almacena energía en un campo magnético cuando la corriente eléctrica fluye a través de él. Un inductor suele consistir en un cable aislado enrollado en una bobina.
Cuando la corriente que circula por la bobina cambia, el campo magnético que varía en el tiempo induce una fuerza electromotriz. (f.e.m.) ( tensión) en el conductor, descrita por la ley de inducción de Faraday. Según la ley de Lenz, la tensión inducida tiene una polaridad (dirección) que se opone al cambio de corriente que la ha creado. Como resultado, los inductores se oponen a cualquier cambio en la corriente que los atraviesa.
Un inductor se caracteriza por su inductancia, que es la relación entre la tensión y la tasa de cambio de la corriente. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de inductancia es el «henrio» (H), llamada así por el científico estadounidense del Joseph Henry. En la medición de circuitos magnéticos, equivale a weber/amperio. Los inductores tienen valores que suelen oscilar entre 1µH (10-6H) y 20H. Muchos inductores tienen un núcleo magnético hecho de hierro o ferrita dentro de la bobina, que sirve para aumentar el campo magnético y, por tanto, la inductancia. Junto con los condensadores y las resistencias, los inductores son uno de los tres elementos pasivos lineales que componen los circuitos electrónicos. Los inductores son muy utilizados en los equipos electrónicos de corriente alterna (CA), especialmente en los equipos de radio. Se utilizan para bloquear la CA y permitir el paso de la CC; los inductores diseñados para este fin se denominan bobinas. También se emplean en filtro electrónicos para separar señales de diferentes frecuencias, y en combinación con condensadores para hacer circuitos sintonizados, utilizados para sintonizar receptores de radio y televisión.
Descripción Una corriente eléctrica que fluye por un conductor genera un campo magnético que lo rodea. El enlace de flujo magnético generado por una corriente determinada depende de la forma geométrica del circuito. Su relación define la inductancia . Así, .
La inductancia de un circuito depende de la geometría de la trayectoria de la corriente, así como de la permeabilidad magnética de los materiales cercanos. Un inductor es un componente que consiste en un alambre u otro conductor conformado para aumentar el flujo magnético a través del circuito, normalmente en forma de bobina o hélice, con dos terminales. Al enrollar el cable en una bobina se aumenta el número de veces que el flujo magnético líneas enlazan el circuito, aumentando el campo y por tanto la inductancia. Cuantas más vueltas, mayor es la inductancia. La inductancia también depende de la forma de la bobina, la separación de las espiras y muchos otros factores. Al añadir un «núcleo magnético» de un material ferromagnético como el hierro dentro de la bobina, el campo magnetizante de la bobina inducirá la magnetización en el material, aumentando el flujo magnético. La alta permeabilidad de un núcleo ferromagnético puede aumentar la inductancia de una bobina en un factor de varios miles sobre lo que sería sin ella. Construcción
Un inductor está constituido normalmente por una bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo hecho de material ferroso (por ejemplo, acero magnético), para incrementar su capacidad de magnetismo.
Los inductores también pueden estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa, comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado «girador» que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor.
El inductor consta de las siguientes partes:
Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica. Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina. Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor. Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro. Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.
También pueden fabricarse pequeños inductores, que se usan para frecuencias muy altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de ferrita o granulado.
Funcionamiento de una bobina
Sea una bobina o solenoide, constituido por un conductor de longitud l y sección S, y que ha sido devanado en N espiras, por el que circula una corriente eléctrica i(t).
Aplicando la Ley de Biot-Savart que relaciona la inducción magnética, B(t), con la causa que la produce, es decir, la corriente i(t) que circula por el solenoide, se obtiene que el flujo magnético Φ(t) que abarca es igual a:
Si el flujo magnético es variable en el tiempo, se genera en cada espira, según la Ley de Faraday, una fuerza electromotriz (f.e.m.) de autoinducción que, según la Ley de Lenz, tiende a oponerse a la causa que la produce, es decir, a la variación de la corriente eléctrica que genera dicho flujo magnético. Por esta razón suele llamarse fuerza contraelectromotriz. Esta tiene el valor:
A la expresión se le denomina coeficiente de autoinducción, L, el cual relaciona la variación de corriente con la f.e.m. inducida y, como se puede ver, depende de la geometría de la bobina y del núcleo en la que está devanada. Se mide en henrios.
Energía almacenada
La bobina almacena energía en forma de campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando esta disminuye. Matemáticamente se puede demostrar que la energía , almacenada por una bobina con inductancia , que es recorrida por una corriente de intensidad , viene dada por:
Partiendo de la ecuación que relaciona la tensión con la corriente en un inductor:
la ecuación de la potencia instantánea puede ser utilizada para llegar a aquella que señale la energía correspondiente en la bobina.
Así, la energía almacenada se puede expresar como:
Es razonable y práctico pensar que en algún tiempo en el pasado la corriente que atravesaba al inductor era 0 por lo que la corriente en un tiempo igual a menos infinito es 0.
En circuitos miniatura|600px|Figura 1: Circuito con inductancia. De la formulación física de la bobina se ha extraído la expresión:
Suponiendo una bobina ideal, (figura 1), sin pérdidas de carga, aplicando la segunda Ley de Kirchhoff, se tiene que:
Es decir, en toda bobina eléctrica dentro de un circuito se produce en ella una caída de tensión:
Despejando la intensidad:
Si en el instante t = 0, la bobina está cargada con una corriente I, esta se puede sustituir por una bobina descargada y una fuente de intensidad de valor i(0) = I en paralelo.
La corriente por la bobina y por tanto el flujo no pueden variar bruscamente ya que si no la tensión debería hacerse infinita. Por eso al abrir un circuito en donde se halle conectada una bobina, siempre saltará un arco de corriente entre los bornes del interruptor que da salida a la corriente que descarga la bobina.
Cuando el inductor no es ideal porque tiene una resistencia interna en serie, la tensión aplicada es igual a la suma de la caída de tensión sobre la resistencia interna más la fuerza contra-electromotriz autoinducida.
En corriente alterna
En corriente alterna, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente eléctrica que recibe el nombre de reactancia inductiva, , cuyo valor viene dado por el producto de la pulsación () por la inductancia, L:
Si la pulsación está en radianes por segundo (rad/s) y la inductancia en henrios (H) la reactancia resultará en ohmios.
De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna que se verá retrasada 90° () respecto a la tensión aplicada.
Asociaciones comunes miniatura|derecha|370px|Figura 2. Asociación serie general. miniatura|derecha|370px|Figura 3. Asociación paralelo general.
Al igual que las resistencias, las bobinas pueden asociarse en serie (figura 2), paralelo (figura 3) o de forma mixta. En estos casos, y siempre que no exista acoplamiento magnético, la inductancia equivalente para la asociación en serie vendrá dada por:
Para la asociación en paralelo tenemos:
Para la asociación mixta se procederá de forma análoga que con las resistencias.
Si se requiere una mayor comprensión del comportamiento reactivo de un inductor, es conveniente entonces analizar detalladamente la Ley de Lenz y comprobar de esta forma cómo se origina una reactancia de tipo inductiva, la cual nace debido a una oposición que le presenta el inductor o bobina a la variación de flujo magnético.
Comportamientos ideal y real En corriente continua
Una bobina ideal en corriente continua se comporta como un cortocircuito (conductor ideal), ya que al ser i(t) constante, es decir, no varía con el tiempo, no hay autoinducción de ninguna f.e.m.
Una bobina real en régimen permanente se comporta como una resistencia cuyo valor (figura 6a) será el de su devanado.
En régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con bobina, suceden fenómenos electromagnéticos que inciden sobre la corriente (ver circuitos serie RL y RC).
En corriente alterna miniatura|izquierda|200px|Figura 4. Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en una bobina. V= voltaje en azul; I= intensidad en verde.
Al conectar una CA sinusoidal v(t) a una bobina aparecerá una corriente i(t), también sinusoidal, esto es, variable, por lo que, como se comentó más arriba, aparecerá una fuerza contraelectromotriz, -e(t), cuyo valor absoluto puede demostrase que es igual al de v(t). Por tanto, cuando la corriente i(t) aumenta, e (t) disminuye para dificultar dicho aumento; análogamente, cuando i(t) disminuye, e(t) aumenta para oponerse a dicha disminución. Esto puede apreciarse en el diagrama de la figura 4. Entre 0° y 90° la curva i(t) es negativa, disminuyendo desde su valor máximo negativo hasta cero, observándose que e(t) va aumentando hasta alcanzar su máximo negativo. Entre 90° y 180°, la corriente aumenta desde cero hasta su valor máximo positivo, mientras e(t) disminuye hasta ser cero. Desde 180° hasta los 360° el razonamiento es similar al anterior.
miniatura|200px|Figura 5. Diagrama fasorial. Dado que la tensión aplicada, v(t) es igual a -e(t), o lo que es lo mismo, está desfasada 180° respecto de e(t), resulta que la corriente i(t) queda retrasada 90° respecto de la tensión aplicada. Consideremos por lo tanto, una bobina L, como la de la figura 1, a la que se aplica una tensión alterna de valor:
miniatura|300px|Figura 6.: Circuitos equivalentes de una bobina real en CC, a), y en CA, b) y c).
De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna, retrasada 90° () respecto a la tensión aplicada (figura 5), de valor:
donde . Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:
Y operando matemáticamente:
Por lo tanto, en los circuitos de CA, una bobina ideal se puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria positiva: