Inductor, ¿qué es?
Todos hemos oído muchas veces el término Inductor, pero ¿qué es? Pues bien, es un elemento pasivo diseñado para almacenar energía en su campo magnético. Los inductores tienen numerosas aplicaciones en los sistemas electrónicos y de potencia. Se utilizan en fuentes de alimentación, transformadores, radios, televisores, radares y motores eléctricos.
Pero para potenciar el efecto inductivo, un inductor práctico suele estar formado por una bobina cilíndrica con muchas vueltas de hilo conductor, como se muestra en la figura 1.
Un inductor consiste en una bobina de hilo conductor.
Si se deja pasar la corriente a través de un inductor, se encuentra que el voltaje a través del inductor es directamente proporcional a la tasa de cambio de tiempo de la corriente. Utilizando la convención de signo pasivo en la siguiente Ecuación (1):
donde L es la constante de proporcionalidad llamada inductancia del inductor. La unidad de inductancia es el henry (H), llamado así en honor al inventor estadounidense Joseph Henry (1797-1878). De la ecuación anterior se deduce que 1 henry equivale a 1 voltio-segundo por amperio.
En vista de la ecuación anterior, para que un inductor tenga tensión en sus terminales, su corriente debe variar con el tiempo. Por lo tanto, v=0 para una corriente constante a través del inductor.
La inductancia de un inductor depende de su dimensión física y de su construcción. Las fórmulas para calcular la inductancia de los inductores de diferentes formas se derivan de la teoría electromagnética y se pueden encontrar en los manuales estándar de ingeniería eléctrica.
Por ejemplo, para el inductor, (solenoide) mostrado en la figura 1,
donde:
- N es el número de vueltas,
- l es la longitud,
- A es el área de la sección transversal, y
- m es la permeabilidad del núcleo.
Podemos ver en la ecuación anterior que la inductancia se puede aumentar aumentando el número de vueltas de la bobina, utilizando un material con mayor permeabilidad como núcleo, aumentando el área de la sección transversal o reduciendo la longitud de la bobina.
Al igual que los condensadores, los inductores disponibles en el mercado vienen en diferentes valores y tipos. Los inductores prácticos típicos tienen valores de inductancia que van desde unos pocos microhenrys (mH), como en los sistemas de comunicación, hasta decenas de henrys (H) como en los sistemas de potencia. Los inductores pueden ser fijos o variables. El núcleo puede ser de hierro, acero, plástico o aire.
Los inductores comunes se muestran en la Figura 2 anterior. Los símbolos de circuito para los inductores se muestran en la Figura 3, siguiendo la convención de signos pasivos.
La ecuación (1) es la relación tensión-corriente para un inductor. La figura 4 muestra gráficamente esta relación para un inductor cuya inductancia es independiente de la corriente. Tal inductor se conoce como un inductor lineal.
Supondremos inductores lineales en este artículo técnico.
La relación corriente-tensión se obtiene a partir de la Ecuación (1) como:
Integrar da:
o
donde i(t0) es la corriente total para -∞ < t < a e i(-∞) = 0. La idea de hacer i(-∞) es práctica y razonable, porque debe haber un momento en el pasado en el que no había corriente en el inductor.
El inductor está diseñado para almacenar energía en su campo magnético. La energía almacenada puede obtenerse a partir de la ecuación (1). La potencia entregada al inductor es:
La energía almacenada es:
Dado que i(-∞) = 0,
Notas //
Debemos observar las siguientes propiedades importantes de un inductor:
NOTA 1 //
Note de la ecuación 1 que el voltaje a través de un inductor es cero cuando la corriente es constante.
NOTA 2 //
Una propiedad importante del inductor es su oposición al cambio de la corriente que fluye a través de él. La corriente que atraviesa un inductor no puede cambiar instantáneamente.
Por ejemplo, la corriente que atraviesa un inductor puede adoptar la forma mostrada en la figura 5(a), mientras que la corriente del inductor no puede adoptar la forma mostrada en la figura 5(b) en situaciones de la vida real debido a las discontinuidades. Sin embargo, la tensión a través de un inductor puede cambiar bruscamente.
NOTA 3 //
Al igual que el condensador ideal, el inductor ideal no disipa energía. La energía almacenada en él puede ser recuperada en un momento posterior. El inductor toma energía del circuito cuando almacena energía y entrega energía al circuito cuando devuelve la energía previamente almacenada.
NOTA 4 //
Un inductor práctico, no ideal, tiene un componente resistivo significativo, como se muestra en la figura 6. Esto se debe a que el inductor está hecho de un material conductor como el cobre, que tiene cierta resistencia.
Esta resistencia se denomina resistencia del bobinado Rw, y aparece en serie con la inductancia del inductor. La presencia de Rw lo convierte tanto en un dispositivo de almacenamiento de energía como en un dispositivo de disipación de energía. Como Rw suele ser muy pequeña, se ignora en la mayoría de los casos. El inductor no ideal también tiene una capacitancia de bobinado Cw debido al acoplamiento capacitivo entre las bobinas conductoras.
Cw es muy pequeña y puede ser ignorada en la mayoría de los casos, excepto a altas frecuencias. En este artículo sólo asumimos inductores ideales.
¿Quién fue Joseph Henry?
Joseph Henry (1797-1878), físico estadounidense, descubrió la inductancia y construyó un motor eléctrico. Nacido en Albany, Nueva York, Henry se graduó en la Academia de Albany y enseñó filosofía en la Universidad de Princeton de 1832 a 1846.
Fue el primer secretario de la Institución Smithsoniana. Realizó varios experimentos sobre electromagnetismo y desarrolló potentes electroimanes que podían levantar objetos de miles de libras. Curiosamente, Joseph Henry descubrió la inducción electromagnética antes que Faraday, pero no llegó a publicar sus hallazgos.
La unidad de inductancia, el henry, recibió su nombre.