Inducción Electromagnética.
La inducción electromagnética es un fenómeno físico mediante el cual, debido a la variación de un flujo magnético, se genera una tensión eléctrica variable que depende directamente del tiempo de variación de dicho campo magnético y de la intensidad del campo magnético.
Curiosamente, se llama campo electromagnético al campo magnético generado por un conductor eléctrico cuando pasa corriente a su través.
En esta lección, después de los conocimientos que has estudiado en la anterior lección, estás en condiciones de comprender los fenómenos de inducción electromagnética, de suma importancia para la industria y la electrónica.
Proceso de inducción.
En el dibujo siguiente, puedes ver 2 bobinas S1 y S2 independientes entre sí. A S1, se le aplica un potencial eléctrico variable que proviene de la interrupción de una corriente eléctrica. Además el circuito S1, lleva un interruptor para cortar o aplicar la alimentación eléctrica. La bobina S2, está conectada a un medidor de corriente, el cual tiene valores positivos y negativos.
Cuando se aplica corriente por S1, imaginamos por ejemplo que es el ciclo positivo de la corriente alterna, la aguja del instrumento de S2, se desplazará hacia un lado. Cuando la corriente se invierte (llega la corriente alterna negativa), la aguja se desplaza al lado contrario.
Voy a describir lo mejor que pueda, el proceso que ha tenido lugar en el circuito:
Cuando comienza a circular corriente por S1, ésta bobina empieza a generar un campo electromagnético de magnitud equivalente a la tensión aplicada, el número de espiras, y la velocidad con que incrementa la tensión eléctrica de la fuente de alimentación (a partir de ahora fuente A.C para corriente alterna ó C.C para corriente continua). Las líneas de fuerza de dicho campo electromagnético (a partir de ahora Campo E.M), atraviesan las espiras de la bobina S2, y al chocar con éstas, se genera en S2, una corriente eléctrica de sentido contrario a la corriente eléctrica que circula por S1. Al proceso de que las líneas de fuerza atraviesen un conductor eléctrico, se le denomina "barrido" y es la causa de los generadores electromagnéticos.
La intensidad de la corriente eléctrica de S2, depende del tiempo que tarde en variar la A.C de la alimentación, del número de espiras en S2 y de otros factores que estudiarás mas tarde.
Cuando la A.C cambia de valor, se cambia el sentido del campo EM, por lo que el barrido de las espiras S2, es contrario al inicial; esto hace que la tensión generada en S2, sea contraria a la que tenía anteriormente.
Al proceso de ceder energía de una bobina a otra sin que exista contacto físico entre ambas, se denomina inducción electromagnética.
Proceso de inducción
Para intentar explicar el proceso me voy a servir del anterior circuito, pero estableciendo una vista más técnica.
AL ABRIR EL INTERRUPTOR:
Con un flujo continuo de corriente continua, en la bobina S1, la energía eléctrica se transforma en magnética. Pero al ser un flujo constante de energía eléctrica, el flujo magnético es constante, lo que se puede considerar un imán permanente. Está energía magnética tiene un valor máximo que depende de la intensidad de corriente de la batería VCC; pero lo más importante es que cuando un campo magnético es estable, y no produce cambios en su flujo magnético, no podrá inducir sobre la bobina S2 mientras el interruptor esté cerrado.
Cuando se abre el interruptor ocurre algo curioso: el campo magnético se desmorona al no tener energía eléctrica que lo mantenga y decrece rápidamente desde su máximo valor al un valor mínimo o nulo. En ese intervalo de tiempo en el cual el campo magnético ha variado desde un valor máximo (T0) a un valor mínimo (T2), se ha producido un barrido en la bobina S2, que induce una corriente inversa en S2 al sentido de la corriente original de S1.
AL CERRAR EL INTERRUPTOR:
Ocurre el proceso inverso:
en ausencia de corriente, la bobina S1 no puede generar un campo magnético, por lo que en la bobina S2 no existe corriente eléctrica.
Cuando se cierra el interruptor, una corriente eléctrica procedente de la batería VCC, atraviesa la bobina S1 y esta, produce un campo magnético que barre a la bobina S2.
El barrido de la bobina S2 es muy rápido y en esta se genera una tensión de sentido contrario a la corriente que circula por S1.
El problema que cuando se ha cerrado el interruptor, el campo magnético llega muy rapidamente a su máximo valor por lo que el barrido en S2 ha sido muy intenso pero durante un solo instante, por lo que S2 deja de producir tensión electrica en el momento que el campo EM de la bobina S1 se ha estabilizado.
Autoinducción
Como ya he comentado antes, la bobina S1, produce en S2 una corriente eléctrica cuando se abre o cierra el interruptor.
Has visto que al abrir o cerrar el interruptor, el aumento o cese del campo magnético no es inmediato, sino que requiere de un tiempo para que llegue a su valor máximo o que desaparezca.
En la gráfica anterior puedes ver una representación de una espira de la bobina S1 cuando se cierra el interruptor.
Puedes apreciar que el campo EM en dicha bobina se desarrolla casi completamente cuando circula corriente por la misma (de t0 a t1), pero tarda en llegar al máximo un tiempo definido por t2 - t0.
Ese retraso en el crecimiento o cese del campo EM se debe a un fenómeno llamado autoinducción.
La autoinducción es la oposición de la propia bobina al campo magnético. Por así decirlo es una resistencia física que presenta cualquier bobina al paso de la corriente por su interior y se basa en el principio que cada espira de la bobina induce sobre la espira vecina.
Y teniendo en cuenta que la corriente que se induce en una bobina es inversamente proporcional a la corriente que la genera, estamos hablando de que cada espira de la bobina genera una corriente inversa en la espira vecina que, claramente se opone a la corriente principal de la batería, ralentizando el desarrollo completo del campo EM en la bobina.
Esta fuerza llamada fuerza contra electro motriz (FCEM), es la reactancia de las inductancias y bobinas y se traduce fisicamente en una resistencia al paso de la corriente eléctrica en el instante de conexión a la fuente de alimentación continua.
Para fuentes alternas, el efecto de resistencia es continuo ya que siempre se está produciendo una autoinducción en la propia bobina al continuo cambio de la tensión en cuanto a polaridad.
Pero para fuente continuas, el efecto tiene una duración limitada y solo se aplica la autoinducción de la bobina cuando crece o decrece el campo magnético (en los intervalos de tiempo de t0 a t2), momento en el cual, se deja de producir la autoinducción porque el campo EM no varía sus líneas de fuerza al ser estable en su valor máximo.
Coeficiente de acoplamiento.
La inductancia mutua es el proceso por el cual dos o más bobinas o solenoides, interactúan entre sí con más o menos energía (inductancia y auto inductancia).
La misma inductancia mutua depende mucho de la posición relativa de las mismas. Como ya se ha visto, el campo EM de una bobina, es perpendicular al movimiento de electrones del conductor; por este principio, para que la inducción sobre otra bobina sea mayor, la bobina a inducir, sufrirá mayor inducción cuanto más cerca esté y en posición paralela, a la bobina generadora del campo EM.
La inductancia mutua (M), se encarga de establecer las causas para un mayor acoplamiento, dependiendo de las posiciones de las bobinas que intervienen y de sus distancias entre ambas. De acuerdo a esta relación se establece el coeficiente de acoplamiento (K).
El coeficiente de acoplamiento es muy importante para los casos en que no debe producirse influencias entre ambas bobinas próximas.
En el ejemplo, observas como la inductancia mutua es máxima, ya que las bobinas S1 y S2 están en paralelo respectivamente y en una proximidad relativamente cercanas. Pero si S1, estuviera perpendicular con S2, la inductancia mutua sería casi nula. (NOTA: perpendicular S1 a S2 me refiero que ambas bobinas forman un ángulo de 90º en forma de "L").
La relación entre el coeficiente de acoplamiento (K), y la inductancia mutua (M), está muy relacionada, ya que dos bobinas que estén en paralelo y cuanto más próximas, mayor inductancia mutua existirá. De todo esto aprendemos que cuando se necesita transferir energía se procurará que M, sea máxima.
Hay un caso especial de inductancia mutua que hay que estudiar. Es cuando se conectan 2 bobinas en serie:
En este caso, el sentido de la corriente es el mismo en S1 y S2, y los campos que generan ambas bobinas, por las cuales pasan la misma corriente, también coinciden; por lo tanto hay inductancia mutua del campo EM de S1 sobre S2, y del campo EM de S2 sobre S1 y ambos coinciden en su dirección con la misma influencia.
El valor de M se obtiene con la formula:
Se pone 2M porque S1 influye a S2, y a la vez S2, influye a S1.
Ten en cuenta que has de contar con la autoinducción de cada bobina, con lo que el valor de la formula anterior no se consigue al instante.
Bien, espero que te haya quedado claro el concepto de inducción electromagnética, concepto clave para entender ciertos componentes electrónicos y otros fenómenos físicos necesarios en la resolución de problemas de electrónica. Ahora visita la sección de prácticas. para continuar con el temario y aprender lo necesario para saber como se forma y se estructura la corriente alterna.