La inductancia caracteriza las propiedades de los elementos de un circuito eléctrico para acumular la energía de un campo magnético. También es una medida de la relación entre la corriente y el campo magnético. También se compara con la inercia de la electricidad, al igual que la masa con una medida de la inercia de los cuerpos mecánicos.
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El fenómeno de la autoinducción
Si la corriente que fluye a través de un circuito conductor cambia de magnitud, entonces ocurre el fenómeno de autoinducción. En este caso, el flujo magnético a través del circuito cambia y aparece una fem en los terminales del bucle de corriente, llamada fem de autoinducción. Esta FEM es opuesta a la dirección de la corriente y es igual a:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Es obvio que la FEM de la autoinducción es igual a la tasa de cambio del flujo magnético causado por un cambio en la corriente que fluye a través del circuito, y también es proporcional a la tasa de cambio de la corriente. El coeficiente de proporcionalidad entre la FEM de autoinducción y la tasa de cambio de la corriente se llama inductancia y se denota por L. Este valor siempre es positivo y tiene una unidad SI de 1 Henry (1 H). También se utilizan fracciones fraccionarias: milihenrio y microhenrio. Podemos hablar de una inductancia de 1 Henry si un cambio en la corriente de 1 amperio provoca una FEM de autoinducción de 1 voltio. No solo el circuito tiene inductancia, sino también un conductor separado, así como una bobina, que se puede representar como un conjunto de circuitos conectados en serie.
La inductancia almacena energía, que se puede calcular como W=L*I2/2, donde:
- W—energía, J;
- L – inductancia, H;
- I es la corriente en la bobina, A.
Y aquí la energía es directamente proporcional a la inductancia de la bobina.
¡Importante! En ingeniería, una inductancia es también un dispositivo en el que se almacena un campo eléctrico. El elemento real más cercano a tal definición es un inductor.
La fórmula general para calcular la inductancia de una bobina física tiene una forma compleja y es inconveniente para los cálculos prácticos. Es útil recordar que la inductancia es proporcional al número de vueltas, al diámetro de la bobina y depende de la forma geométrica. Además, la inductancia se ve afectada por la permeabilidad magnética del núcleo en el que se encuentra el devanado, pero la corriente que circula por las espiras no se ve afectada. Para calcular la inductancia, cada vez que necesite consultar las fórmulas anteriores para un diseño específico. Entonces, para una bobina cilíndrica, su característica principal se calcula mediante la fórmula:
L=μ*μ*(NORTE2*S/l),
dónde:
- μ es la permeabilidad magnética relativa del núcleo de la bobina;
- m – constante magnética, 1,26*10-6 H/m;
- N es el número de vueltas;
- S es el área de la bobina;
- l es la longitud geométrica de la bobina.
Para calcular la inductancia de una bobina cilíndrica y bobinas de otras formas, es mejor usar programas de calculadora, incluidas las calculadoras en línea.
Conexión en serie y paralelo de inductores.
Las inductancias se pueden conectar en serie o en paralelo, consiguiendo un conjunto con nuevas características.
Coneccion paralela
Cuando las bobinas están conectadas en paralelo, el voltaje en todos los elementos es igual y las corrientes (Variables) se distribuyen inversamente con las inductancias de los elementos.
- U = U1=T2=T3;
- yo = yo1+yo2+yo3.
La inductancia total del circuito se define como 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. La fórmula es válida para cualquier número de elementos, y para dos bobinas se simplifica a la forma L=L1*L2/(L1+L2). Obviamente, la inductancia resultante es menor que la inductancia del elemento con el valor más pequeño.
conexión en serie
Con este tipo de conexión, por el circuito formado por bobinas circula la misma corriente, y la tensión (¡variable!) en cada componente del circuito se distribuye en proporción a la inductancia de cada elemento:
- U = U1+u2+u3;
- yo = yo1=yo2=yo3.
La inductancia total es igual a la suma de todas las inductancias, y será mayor que la inductancia del elemento de mayor valor. Por lo tanto, dicha conexión se usa si es necesario para obtener un aumento en la inductancia.
¡Importante! Al conectar bobinas en una batería en serie o en paralelo, las fórmulas de cálculo son correctas solo para los casos en que se excluye la influencia mutua de los campos magnéticos de los elementos entre sí (blindaje, larga distancia, etc.). Si existe una influencia, entonces el valor total de la inductancia dependerá de la posición relativa de las bobinas.
Algunas cuestiones prácticas y diseños de inductores.
En la práctica, se utilizan varios diseños de inductores. Según el propósito y el campo de aplicación, los dispositivos se pueden fabricar de varias formas, pero se deben tener en cuenta los efectos que se producen en las bobinas reales.
Factor de calidad del inductor.
Una bobina real, además de la inductancia, tiene varios parámetros más, y uno de los más importantes es el factor de calidad. Este valor determina las pérdidas en la bobina y depende de:
- pérdidas óhmicas en el alambre de bobinado (a mayor resistencia, menor factor de calidad);
- pérdidas dieléctricas en el aislamiento del cable y el marco del devanado;
- pérdida de pantalla;
- pérdidas del núcleo.
Todas estas cantidades determinan la resistencia a la pérdida, y el factor de calidad es un valor adimensional igual a Q=ωL/Rpérdidas, donde:
- ω = 2*π*F - frecuencia circular;
- L - inductancia;
- ωL es la reactancia de la bobina.
Aproximadamente podemos decir que el factor de calidad es igual a la relación de resistencia reactiva (inductiva) a activa. Por un lado, al aumentar la frecuencia aumenta el numerador, pero al mismo tiempo, por efecto pelicular, también aumenta la resistencia de pérdida por disminución de la sección útil del hilo.
efecto de pantalla
Para reducir la influencia de objetos extraños, así como los campos eléctricos y magnéticos y la influencia mutua de los elementos a través de estos campos, las bobinas (especialmente las de alta frecuencia) a menudo se colocan en una pantalla. Además del efecto beneficioso, el blindaje provoca una disminución del factor de calidad de la bobina, una disminución de su inductancia y un aumento de la capacitancia parásita. Además, cuanto más cerca estén las paredes de la pantalla de las vueltas de la bobina, mayor será el efecto nocivo. Por lo tanto, las bobinas blindadas casi siempre se fabrican con la posibilidad de ajustar los parámetros.
Inductancia del recortador
En algunos casos, es necesario establecer con precisión el valor de la inductancia en el sitio después de conectar la bobina a otros elementos del circuito, compensando las desviaciones de los parámetros durante la sintonización. Para ello, se utilizan diferentes métodos (cambiar los grifos de los giros, etc.), pero el método más preciso y suave es la afinación con la ayuda de un núcleo. Está hecho en forma de varilla roscada, que se puede enroscar y desenroscar dentro del marco, ajustando la inductancia de la bobina.
Inductancia variable (variómetro)
Cuando se requiere un ajuste rápido de la inductancia o del acoplamiento inductivo, se utilizan bobinas de un diseño diferente. Contienen dos devanados: móviles y fijos. La inductancia total es igual a la suma de las inductancias de las dos bobinas y la inductancia mutua entre ellas.
Al cambiar la posición relativa de una bobina a otra, se ajusta el valor total de la inductancia. Tal dispositivo se llama variómetro y se usa a menudo en equipos de comunicaciones para sintonizar circuitos resonantes en los casos en que el uso de capacitores variables es imposible por alguna razón.El diseño del variómetro es bastante voluminoso, lo que limita su alcance.
Inductancia en forma de espiral impresa
Las bobinas con una pequeña inductancia se pueden hacer en forma de espiral de conductores impresos. Las ventajas de este diseño son:
- fabricabilidad de la producción;
- alta repetibilidad de los parámetros.
Las desventajas incluyen la imposibilidad de realizar un ajuste fino durante el ajuste y la dificultad de obtener grandes valores de inductancia: cuanto mayor es la inductancia, más espacio ocupa la bobina en el tablero.
carrete enrollado seccional
La inductancia sin capacitancia es solo en papel. Con cualquier implementación física de la bobina, surge inmediatamente una capacitancia parásita entre espiras. Esto es perjudicial en muchos casos. La capacitancia parásita se suma a la capacitancia del circuito LC, reduciendo la frecuencia de resonancia y el factor de calidad del sistema oscilatorio. Además, la bobina tiene su propia frecuencia de resonancia, lo que provoca fenómenos indeseables.
Se utilizan varios métodos para reducir la capacitancia parásita, el más simple de los cuales es la inductancia del devanado en forma de varias secciones conectadas en serie. Con esta inclusión, las inductancias se suman y la capacitancia total disminuye.
Inductor en un núcleo toroidal
Las líneas de campo magnético de un inductor cilíndrico se dibujan a través del interior del devanado (si hay un núcleo, luego a través de él) y se cierran desde el exterior a través del aire. Este hecho conlleva varias desventajas:
- la inductancia se reduce;
- las características de la bobina son menos susceptibles de cálculo;
- cualquier objeto llevado a un campo magnético externo cambia los parámetros de la bobina (inductancia, capacitancia parásita, pérdidas, etc.), por lo que en muchos casos se requiere blindaje.
Las bobinas enrolladas en núcleos toroidales (en forma de anillo o rosquilla) están en gran parte libres de estas deficiencias. Las líneas magnéticas pasan por el interior del núcleo en forma de bucles cerrados. Esto significa que los objetos externos prácticamente no tienen efecto sobre los parámetros de una bobina enrollada en un núcleo de este tipo, y no se necesita blindaje para un diseño de este tipo. La inductancia también aumenta, en igualdad de condiciones, y las características son más fáciles de calcular.
Las desventajas de las bobinas enrolladas en toros incluyen la imposibilidad de un ajuste suave de la inductancia en el lugar. Otro problema es la alta intensidad de mano de obra y la baja capacidad de fabricación del bobinado. Sin embargo, esto se aplica a todos los elementos inductivos en general, en mayor o menor medida.
Además, una desventaja común de la implementación física de la inductancia es el peso y el tamaño elevados, la fiabilidad relativamente baja y la facilidad de mantenimiento.
Por lo tanto, en tecnología, intentan deshacerse de los componentes inductivos. Pero esto no siempre es posible, por lo que los componentes de bobinado se utilizarán tanto en el futuro previsible como a medio plazo.
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