Un componente ampliamente utilizado en los montajes electrónicos es el inductor, cuyo propósito, como su nombre indica, es presentar una inductancia. Sin embargo, la mayoría de los montadores no les gusta tanto de las llamadas "bobinas" por varias razones. Uno de ellos es el desconocimiento de su principio de funcionamiento. La otra es la dificultad para obtenerlas. En este artículo hablaremos un poco de la inductancia o bobinas, dando algunas pautas que sin duda serán de uso para nuestros lectores que utilizan este componente.
Fue Hans Christian Oersted, un profesor danés, que en el siglo XIX descubrió que era posible generar campos magnéticos a partir de corrientes eléctricas que circulaban por un conductor. El efecto magnético de la corriente eléctrica se manifestó, cuando una corriente circulada por un alambre y las fuerzas "creadas" suficientemente intensas para cambiar de posición una aguja magnetizada colocada cerca, como se muestra en la figura 1.
Evidentemente, en ese momento el fenómeno no pasó de la curiosidad, pero con el tiempo, este efecto fue mejor explorado, siendo explotado en varios tipos de dispositivos, y hoy en día es muy importante para la electrónica.
Para que podamos entender cómo se aprovecha este efecto en muchos dispositivos electrónicos, es interesante estudiar su naturaleza desde el principio. Lo que sucede es que cuando las cargas eléctricas se mueven alrededor de su trayectoria, aparece un campo magnético, como se muestra en la figura 2.
Vea que, debemos diferenciar la naturaleza del campo eléctrico de la naturaleza del campo eléctrico. Son fenómenos diferentes. Mientras que el campo eléctrico aparece alrededor de una carga eléctrica de la parada (estática), el campo magnético requiere el movimiento para manifestarse.
Así, siempre que haya cargas eléctricas en movimiento, es decir, corrientes eléctricas, tendremos la apariencia de campos magnéticos. En un cable atravesado por una corriente, si representamos esta corriente en la dirección convencional que va del positivo al polo negativo, las líneas de fuerza de campo magnético tendrán la orientación indicada en la figura 3.
Esta es la conocida "regla de sacacorchos", estudiada en los cursos preparatorios para el vestibular: el campo representa el movimiento del sacacorchos para que avance en la misma dirección de la corriente. Vea que el campo producido por una corriente eléctrica tiene la misma naturaleza que el campo producido por un imán. En el imán, el campo se origina en electrones que giran de manera organizada alrededor de los núcleos de los átomos, produciendo así campos de acuerdo con la orientación mostrada en la figura 4.
Tenga en cuenta que las líneas de fuerza de los campos magnéticos siempre están cerradas, es decir, siempre dejan dos polos Norte y llegan a los polos Sur y cuando, como en el caso de la corriente, no podemos identificar estos polos, ellos forman círculos concéntricos.
REFORZANDO EL CAMPO
El campo magnético que aparece alrededor de un alambre atravesado por una corriente es muy débil, apenas mal alcanzando desviar una aguja imantada. Sin embargo, es posible aumentar la intensidad de este campo, si envuelven el alambre conductor para formar una bobina, como se muestra en la figura 5.
Teniendo que pasar por el mismo lugar, girando en diferentes vueltas, la corriente crea campos que suman, y la bobina se comporta como un verdadero imán, con una Polo norte y un Polo sur, como se muestra en la figura 6.
Cual extremidad será el polo Norte y cuál será el polo Sur depende de la dirección de circulación de la corriente en la bobina y esto puede determinarse por la misma regla del sacacorchos. El dispositivo formado por una bobina en las condiciones indicadas es un solenoide.
Podemos concentrar el campo magnético creado por una bobina si, en el interior, ponemos un núcleo de material ferroso, por ejemplo, hierro, acero, o incluso ferrita. Estos materiales tienen la propiedad de concentrar las líneas de fuerza del campo magnético, como se muestra en la figura 7.
Algunos dispositivos pueden consistir en bobinas con o sin núcleo, o incluso con núcleos móviles. Podemos citar el caso de los relés en los que tenemos una bobina con un núcleo que atrae una parte movible (armadura) cuando se viaja por una corriente. La parte movible tiene contactos que pueden abrirse o cerrarse dependiendo de la corriente de la bobina, como se muestra en la figura 8.
Otro dispositivo es el solenoide que tiene un núcleo móvil, que se tira hacia adentro con mucha fuerza cuando una corriente en la bobina crea un campo magnético.
Este movimiento se puede utilizar para abrir cerraduras en puertas eléctricas o incluso para abrir válvulas de agua, tales como lavadoras. En la figura 9 mostramos el principio de funcionamiento de un solenoide común.
Vea que todos estos dispositivos operan con una corriente continúa circulando a través de la bobina. Si aplicamos una corriente de características diferentes a un dispositivo formado por hilados envueltos, el efecto del campo creado puede ser ligeramente diferente. En realidad, este efecto es tan diferente que puede ser aprovechada en otra categoría de componentes electrónicos de gran importancia.
INDUCTANCIA
Si tenemos una bobina con alambre de cobre, su resistencia al paso de una corriente depende básicamente de la resistencia del alambre de cobre utilizado.
Por lo tanto, podemos circular por bobinas de intensidad intensa y obtener con estos campos magnéticos muy fuertes. Sin embargo, hay algunos fenómenos que merecen ser estudiados y que implican el comportamiento de la bobina cuando la corriente varía.
Echemos un vistazo a un primer caso en el que tengamos una bobina conectada a una pila a través de una clave y que se muestra en la figura 10.
Cuando cerramos la llave, la corriente no aumenta instantáneamente hasta que alcanza el máximo. El campo magnético debe ser creado y esto significa que sus líneas de energía se expanden con cierta velocidad finita.
Ahora, al expandir estas líneas, cortan las vueltas de la misma bobina causando un fenómeno de inducción. Lo que sucede es que, si los alambres cortan las líneas de un campo, ya sea por su propio movimiento o por el movimiento del campo, se induce una tensión en este alambre, como se muestra en la figura 11.
En el caso de la bobina la tensión inducida tiende a oponerse al establecimiento de la corriente. En resumen, la bobina "reacciona" al establecimiento de la corriente, ofreciendo una cierta oposición.
Del mismo modo, si la corriente se interrumpe cuando se abre la llave, las líneas de energía del campo magnético no se contraen instantáneamente, pero tarda un cierto tiempo. Y en esta contracción cortan las vueltas de la misma bobina, ahora induciendo una tensión contraria a la que causó la corriente que los estableció.
El resultado de esto es que, por un instante, una tensión aparece en los extremos de la bobina mientras las líneas se contraen. En algunas bobinas de gran número de vueltas, este tensión llega a ser suficientemente alto para causar una chispa entre los contactos de la llave, cuando se apaga.
En resumen, lo que sucede es que las bobinas no "gustan" variaciones de la corriente, ya sea cuando aumenta o cuando disminuye, ya que esto implica cambios en el campo magnético. Las bobinas reaccionan a esto y este hecho nos lleva a decir que las bobinas tienen una cierta reactancia.
REACTANCIA INDUCTIVA
Por supuesto, en un circuito de corriente continua sólo tendremos problemas con la inductancia cuando se establezca o desconecte la corriente. Sin embargo, las bobinas se pueden utilizar en circuitos de corriente alterna, donde las corrientes están constantemente variando.
En estos circuitos, lo que ocurre es que la bobina está constantemente "reaccionando" las variaciones de la corriente. Esto significa que la intensidad de la corriente circulando en una bobina, cuando está conectada a un circuito de corriente alterna, no depende únicamente de la resistencia del cable usado, sino de un factor adicional: la reactancia.
Las bobinas entonces poseen una " reactancia inductiva ", que es su característica para oponerse a la circulación de una corriente alterna.
Por lo tanto, una bobina que tiene, por ejemplo, una resistencia de 10 ohms de cable para la circulación de una corriente directa presenta una oposición, 100 ohms, por ejemplo, cuando en un circuito de corriente alterna en la frecuencia de la red eléctrica, 60 Hz.
Es lo que pasa con un pequeño transformador: si medimos con el multímetro la resistencia de su bobinado primario encontramos un valor bajo, lo que nos llevaría a calcular una corriente muy alta cuando se encendía en la red eléctrica. Sin embargo, cuando se conecta a la red eléctrica, el transformador cuyo bobinado primario es una bobina o inductor, permite que circule una corriente mucho más pequeña, como se muestra en la figura 13.
Vea que la reactancia inductiva también se mide en ohms, porque es una "oposición al paso de la corriente" exactamente como la resistencia eléctrica común o resistencia óhmica, como también se llama.
INDUCTANCIA
La característica principal de una bobina es su inductancia. La inductancia indicará cómo está bobina "reacciona" a las variaciones actuales y cómo produce un campo magnético en su interior. La unidad de inductancia es Henry (H), pero en el común de las aplicaciones electrónicas especificamos las inductancias en submúltiplos de Henry como el Mil Henry (mH) y el Micro Henry (uH).
El Mili Henrry es la milésima parte de Henry y el Micro Henry la millonésima parte del Henry. La inductancia de una bobina depende de varios factores tales como:
a) Número de vueltas = cuanto mayor sea el número de vueltas, mayor será la inductancia.
b) Diámetro = cuanto mayor sea el diámetro, mayor será la inductancia
c) Longitud = cuanto mayor sea la longitud, mayor será la inductancia.
d) Existencia o no de núcleo = un núcleo de ferrita o material ferroso incrementa la inductancia.
A continuación, tenemos la fórmula que permite calcular con buena aproximación la inductancia de una bobina.
L = 1,257 x [ (S x n2) / n ] x 10-8
Dónde:
L es el coeficiente de inductores o inductancia en Henry (H)
N es el número de vueltas
S es área de sección de núcleo de bobina en centímetros cuadrados (cm2)
M es la longitud del solenoide en centímetros (cm)
REACTANCIA Y OSCILACIONES
Como hemos visto, las bobinas "reaccionan" a las variaciones de la corriente, presentando una oposición que llamamos reactancia inductiva. Sin embargo, cuanto más rápidas sean las variaciones de la corriente, mayor será la reacción de la bobina. Esto nos lleva a concluir que la reactancia depende tanto de la frecuencia como de la Inductancia de una bobina.
Así, en la figura 13 mostramos que la reactancia inductiva depende tanto de la frecuencia como de la Inductancia en una proporción directa. El factor "2 π" es una constante que equivale a 6,28. Otro comportamiento interesante de las bobinas se produce cuando los asociamos con capacitores.
En la figura 14 tenemos un caso importante que es el circuito resonante LC, en el que tenemos una bobina conectada en paralelo con un capacitor.
Cuando aplicamos un pulso de tensión en este circuito, este tensión transporta inmediatamente el capacitor, porque la bobina "reacciona" inmediatamente a este pulso, sin dejar ninguna corriente circular inmediata.
Sin embargo, tan pronto como el capacitor está cargado, la bobina ya no reacciona, dejando ahora que el capacitor se descargue a través de sí. Ahora, con esta descarga se produce un fuerte campo magnético en la bobina. Sin embargo, este campo no puede durar mucho tiempo, porque la corriente que lo produce, con la descarga del capacitor, desaparece.
El campo, después de eso, contrae, induciendo en la bobina una tensión que transporta el capacitor, pero con polaridad invertida. Sin embargo, la carga del capacitor no se mantiene. Una vez que el capacitor está cargado y la bobina sin corriente circulante, no hay impedimento para la descarga del capacitor.
Una corriente de descarga fuerte circula otra vez con la producción de otro campo. En la figura 15 mostramos lo que sucede.
Si no hubiera resistencias en el circuito de carga y descarga del capacitor que causó la transformación de la energía en este circuito en calor, y si ninguna parte de la energía fue irradiada en forma de ondas electromagnéticas, mantendría en este ciclo eternamente, es decir, en oscilación. En la práctica, sin embargo, a medida que la energía se disipara en el circuito las oscilaciones son cada vez más débiles.
Podemos mantener constante la amplitud de estas oscilaciones si, como la energía se disipara o se utiliza externamente, la ponemos de nuevo a través de un circuito externo. A continuación, tenemos un circuito oscilante u oscilador, como se muestra en la figura 16.
La frecuencia de este circuito se determina precisamente por las características de la bobina y el capacitor, es decir, su tendencia a mantener el ciclo de carga y descarga a una velocidad constante. Entonces decimos que el circuito LC resona en una cierta frecuencia, y tiende a oscilar cuando está excitado.
Conclusión
El uso de bobinas tanto para ofrecer una oposición al paso de corrientes o variaciones abruptas está disponible en filtros y en muchos otros circuitos electrónicos. Semejantemente, los circuitos resonantes del LC se utilizan en los receptores, los transmisores y muchos otros circuitos que deben producir o recibir las señales con cierta frecuencia.
Por lo tanto, un componente común en estas aplicaciones es precisamente el inductor, un componente del que hablamos en este artículo.
