Inductancia

En la Física, la inductancia será aquella propiedad que ostentan los circuitos eléctricos por la cual se produce una fuerza electromotriz una vez que existe una variación en la corriente que pasa, ya sea por el propio circuito o por otro próximo a él.El concepto de inductancia fue popularizado por el físico, ingeniero eléctrico, matemático y radiotelegrafista inglés Oliver Heaviside en Febrero del año 1886, en tanto, el símbolo con el cual se la distingue, la letra L mayúscula, se ha impuesto en homenaje al físico alemán Heinrich Lenz, quien también, como Heaviside, realizó importantes aportes en el descubrimiento de esta propiedad.Y por otro lado, el término se emplea para referir al circuito o elemento de circuito que dispone de inductancia.Llamaremos inductancia al campo magnético que crea una corriente eléctrica al pasar a través de una bobina de hilo conductor enrolladlo alrededor de la misma que conforma un inductor. Un inductor puede utilizarse para diferenciar señales cambiantes rápidas o lentas. Al utilizar un inductor con un condensador, la tensión del inductor alcanza su valor máximo a una frecuencia dependiente de la capacitancia y de la inductancia.

En tanto, la inductancia siempre será positiva, excepto en aquellos circuitos electrónicos especialmente diseñados para simular inductancias negativas.Tal como establece el Sistema Internacional de Medidas, si el flujo se encuentra expresado en weber (unidad del flujo magnético) y la intensidad en amperio (unidad de intensidad eléctrica), el valor de la inductancia será en henrio, simbolizada con la letra H mayúscula y que en el mencionado sistema es la unidad que se le atribuye a la inductancia eléctrica.Los valores prácticos de inductancia oscilan desde unos décimos de H en el caso de un conductor de un milímetro de largo y hasta varias decenas de miles de H para aquellas bobinas hechas con miles de vueltas alrededor de núcleos ferro magnéticos.

Inductancia mutua

Si dos inductores se encuentran muy cerca uno de otro entonces el campo magnético generado por la corriente circulando en uno puede alcanzar a pasar a través de las espiras del otro. En esta situación decimos que existe una Inductancia Mutua entre ambos inductores, ya que el campo magnético provocado por la corriente circulando por el segundo inductor también alcanzara a las espiras del primero. La Inductancia Mutua tiene, por supuesto, unidades de Henry, como las auto inductancias de los elementos involucrados, y frecuentemente es denotada por la letra M. Todo lo anterior es cierto, por supuesto, si los inductores son lineales, ya que el fenómeno estará presente en cualquier caso, pero en situación de No Linealidad no podrían definirse las Autoinductancias ni la Inductancia Mutua.

Esquemáticamente lo anterior se puede ver como lo siguiente:

Imagínate ahora que disponemos de dos circuitos, con una bobina cada uno de ellos, alimentados por una corriente. ¿Qué ocurre si aproximamos esas dos bobinas?

Imagen 13. Bobinas. Fuente: Elaboración propia

 En la bobina del primer circuito se originara un flujo magnético 1 (Φ1) y una corriente I1. De igual modo, en el segundo circuito tendremos un flujo magnético 2 (Φ2) y una intensidad de corriente I2.

A partir de este momento, al circuito 1 le denominaremos primario y al segundo circuito, secundario. El campo magnético

generado en el primario va a influir en el campo magnético del secundario. Dicha interacción entre los campos magnéticos va a originar cambios en la intensidad y, por consiguiente, en la fuerza electromotriz. Este concepto va a ser fundamental para que entiendas el funcionamiento de un transformador.

La inducción mutua de forma matemática va a ser:

Donde:Ns: Número de espiras del secundario.M: Coeficiente de autoinducción mutua.Ip: Intensidad del primario.Φs: flujo en el secundario.M va a depender de parámetros físicos de cada una de las bobinasPodremos decir también que:

Transformador

Transformadores

Los transformadores son dispositivos electromagnéticos estáticos que permiten partiendo de una tensión alterna conectada a su entrada, obtener otra tensión alterna mayor o menor que la anterior en la salida del transformador.

Permiten así proporcionar una tensión adecuada a las características de los receptores. También son fundamentales para el transporte de energía eléctrica a largas distancias a tensiones altas, con mínimas perdidas y conductores de secciones moderadas.

Constitución y funcionamiento

Constan esencialmente de un circuito magnético cerrado sobre el que se arrollan dos bobinados, de forma que ambos bobinados están atravesados por el mismo flujo magnético. El circuito magnético está constituido (para frecuencias industriales de 50 Hz) por chapas de acero de poco espesor apiladas, para evitar las corrientes parásitas.

El bobinado donde se conecta la corriente de entrada se denomina primario, y el bobinado donde se conecta la carga útil, se denomina secundario.

La corriente alterna que circula por el bobinado primario magnetiza el núcleo de forma alternativa. El bobinado secundario está así atravesado por un flujo magnético variable de forma aproximadamente senoidal y esta variación de flujo engendra por la Ley de Lenz, una tensión alterna en dicho bobinado.

Circuitos primario y secundario en un transformador

 

Construcción del núcleo de un transformador con devanados coaxiales

Esquema básico y funcionamiento del transformador

Esquema básico de funcionamiento de un transformador ideal

Los transformadores se basan en la inducción electromagnética. Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flujo magnético en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado primario hasta el secundario. Con su movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado secundario.Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variación de flujo. En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.

La relación de transformación del transformador eléctricoUna vez entendido el funcionamiento del transformador vamos a observar cuál es la relación de transformación de este elemento. 

Donde Np es el número de vueltas del devanado del primario, Ns el número de vueltas del secundario, Vp la tensión aplicada en el primario, Vs la obtenida en el secundario, Is la intensidad que llega al primario, Ip la generada por el secundario y rt la relación de transformación.

Como observamos en este ejemplo si queremos ampliar la tensión en el secundario tenemos que poner más vueltas en el secundario (Ns), pasa lo contrario si queremos reducir la tensión del secundario.

Limites de funcionamiento de un transformadorUn transformador se proyecta para unas tensiones dadas de servicio en primario y secundario y una potencia máxima continua que puede obtenerse en su secundario. El incrementar la tensión en su primario, y por tanto la corriente en el mismo, lleva a la saturación del núcleo magnético, con lo que el mismo no es capaz de transferir más potencia al secundario y el exceso de potencia de entrada solo produce sobrecalentamientos del núcleo por corrientes parásitas, y del devanado primario, por efecto Joule, llevando a la rotura del devanado por fallo del aislante del mismo. Una espira en cortocircuito genera a su vez más calor y provoca el fallo total del devanado.En un transformador es fundamental prever una correcta refrigeración del mismo, y a este fin, los de mayor tamaño (a partir de algunos kilovatios), están bañados en aceite refrigerante que actúa también como dieléctrico.Así pues, la tensión de entrada, la potencia máxima continua de salida, y la temperatura ambiente, son tres parámetros que no deben sobrepasarse de forma permanente.

Aplicaciones de los transformadores

Los transformadores son elementos muy utilizados en la red eléctrica.Una vez generada la electricidad en el generador de las centrales, y antes de enviarla a la red, se utilizan los transformadores elevadores para elevar la tensión y reducir así las pérdidas en el transporte producidas por el efecto Joule. Una vez transportada se utilizan los transformadores reductores para darle a esta electricidad unos valores con los que podamos trabajar.Los transformadores también son usados por la mayoría de electrodomésticos y aparatos electrónicos, ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de un valor inferior al suministrado por la red  

Por último hacer mención a que uno de los elementos de seguridad eléctrica del hogar utiliza transformadores. Se trata del diferencial . Este dispositivo utiliza transformadores para comparar la intensidad que entra con la que sale del hogar. Si la diferencia entre estos es mayor a 10 mA desconecta el circuito evitando que podamos sufrir lesiones.

Transformador con núcleo de hierroOtra ventaja del concepto de inductancia de fuga y del circuito equivalente es que los efectos de la no linealidad magnética del núcleo de hierro quedan segregados en la bobina en paralelo representativa de las características de excitación. Exceptuando esta consideración, el transformador con núcleo de hierro tiene esencialmente las propiedades de un circuito lineal, puesto que las resistencias de los devanados y las inductancias de fuga son muy aproximadamente constantes.

Si se quiere determinar analíticamente el funcionamiento de un transformador con núcleo de hierro como relación entre la corriente de excitación y el flujo muto resultante, convendré tomar una relación más sencilla que la real del ciclo flujo-intensidad de corriente. Como la corriente de excitación debe ser débil, frecuentemente podrá realizarse el estudio mediante métodos aproximados.