Autoinducción

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La autoinducción es el fenómeno de la aparición de un EMF de inducción en un circuito conductor [1] (en un circuito) cuando cambia la corriente que fluye a través del circuito .

Cuando la corriente en el circuito cambia proporcionalmente [2] y el flujo magnético a través de la superficie delimitada por este circuito [3] . Un cambio en este flujo magnético, debido a la ley de inducción electromagnética , conduce a la excitación de una fem inductiva en este circuito .

Este fenómeno se denomina autoinducción . Vale la pena señalar que este concepto está relacionado con el concepto de inducción mutua , siendo, por así decirlo, su caso especial.

La dirección de la FEM de autoinducción siempre resulta ser tal que cuando aumenta la corriente en el circuito, la FEM de autoinducción evita este aumento (dirigida contra la corriente), y cuando la corriente disminuye, disminuye (co -dirigida con la corriente). El fenómeno de la autoinducción se manifiesta en la ralentización de los procesos de desaparición y establecimiento de la corriente [4] .

Al comparar la fuerza de una corriente eléctrica con la velocidad en mecánica y la inductancia eléctrica con la masa en mecánica, la FEM de autoinducción es similar a la fuerza de inercia .

El valor de la EMF de autoinducción es proporcional a la tasa de cambio de la fuerza de la corriente (alterna) : $i$

{\mathcal {E}}=-L{\frac {di}{dt}}

El coeficiente de proporcionalidad se denomina coeficiente de autoinducción o inductancia del circuito (bobina). $L$

Autoinducción y corriente sinusoidal

En el caso de una dependencia sinusoidal de la corriente que fluye a través de la bobina en el tiempo, la FEM de autoinducción en la bobina retrasa la corriente en fase (es decir, en 90 °), y la amplitud de esta FEM es proporcional a la amplitud de corriente , frecuencia e inductancia ( ). Después de todo, la tasa de cambio de una función es su primera derivada y . ${\ estilo de visualización \ pi /2}$ ${\mathcal {E}}_{0}=L\omega I_{0}$ ${\frac {d\sin \omega t}{dt))=\omega \cos \omega t=\omega \sin(\omega t+\pi /2)$

Para el cálculo de circuitos más o menos complejos que contengan elementos inductivos, es decir, espiras, bobinas, etc. dispositivos en los que se observe autoinducción (especialmente, completamente lineales, es decir, que no contengan elementos no lineales [5] ) en el caso de corrientes y voltajes sinusoidales, se usa el método de impedancias complejas o, en casos más simples, una versión menos poderosa pero más visual: el método de diagramas vectoriales .

Tenga en cuenta que todo lo descrito es aplicable no solo directamente a las corrientes y voltajes sinusoidales, sino también prácticamente a los arbitrarios, ya que estos últimos casi siempre pueden expandirse a una serie o integral de Fourier y, por lo tanto, reducirse a sinusoidales.

En conexión más o menos directa con esto, podemos mencionar la aplicación del fenómeno de autoinducción (y, en consecuencia, inductores ) en una variedad de circuitos oscilatorios, filtros, líneas de retardo y otros circuitos variados de ingeniería electrónica y eléctrica.

Autoinducción y pico de corriente

Debido al fenómeno de autoinducción en un circuito eléctrico con fuente EMF, cuando el circuito se cierra, la corriente no se establece instantáneamente, sino después de un tiempo. También ocurren procesos similares cuando se abre el circuito , mientras que (con una apertura brusca) el valor de la fem de autoinducción en este momento puede exceder significativamente la fem de la fuente.

La mayoría de las veces en la vida cotidiana se usa en bobinas de encendido de automóviles . El voltaje de encendido típico a un voltaje de batería de 12 V es de 7-25 kV. Sin embargo, el exceso de EMF en el circuito de salida sobre el EMF de la batería aquí se debe no solo a una interrupción brusca de la corriente, sino también a la relación de transformación , ya que la mayoría de las veces no se usa una bobina inductora simple, sino un bobina de transformador, cuyo devanado secundario, por regla general, tiene muchas veces más vueltas (es decir, en la mayoría de los casos, el circuito es algo más complejo de lo que se explicaría completamente por autoinducción; sin embargo, la física de su funcionamiento en esta versión coincide en parte con la física del funcionamiento de un circuito con una bobina simple).

Este fenómeno también se usa para encender lámparas fluorescentes en un circuito tradicional estándar (aquí estamos hablando de un circuito con un inductor simple - estrangulador ).

Además, siempre se debe tener en cuenta el fenómeno de la autoinducción al abrir contactos, si la corriente fluye a través de la carga con una inductancia notable: el salto resultante en el EMF puede provocar la ruptura del espacio entre los contactos y / o otros efectos indeseables, para suprimir los cuales, en este caso, por regla general, es necesario tomar varias medidas especiales, por ejemplo, instalar un diodo en conexión inversa en paralelo con los terminales de la bobina (estrangulador).

Véase también

Notas

↑ El circuito también puede ser de múltiples vueltas, en particular, una bobina. En este caso, así como en el caso de un solo circuito, estrictamente hablando, el circuito debe estar cerrado (por ejemplo, a través de un voltímetro que mide EMF), pero en la práctica, con un número (muy) grande de vueltas, la diferencia en EMF en un circuito completamente cerrado y en un circuito con discontinuidad (geométricamente incluso grande en comparación con el tamaño de la bobina) puede ser insignificante.
↑ Porque el flujo magnético a través del bucle es proporcional a la corriente en el bucle. Para un circuito rígido delgado (para el caso del cual esta afirmación es exacta), la proporcionalidad exacta es obvia en base a la ley de Biot-Savart , ya que según esta ley el vector de inducción magnética es directamente proporcional a la corriente, y el flujo de esta vector (que se llama el flujo magnético) a través de un fijo (no cambia con un contorno rígido) la superficie es entonces también proporcional a la corriente. Formalmente, esto se escribe como una ecuación: donde es el flujo magnético, es el coeficiente de autoinducción , es la corriente en el circuito. ${\ estilo de visualización \ Phi = LI}$ $\Fi$ $L$ $yo$
↑ En el caso de una forma de contorno compleja, por ejemplo, si el contorno es de varias vueltas (bobina), la superficie delimitada por el contorno (o, como dicen, "estirada sobre el contorno") resulta ser bastante compleja , lo que no cambia la esencia del fenómeno descrito. Para simplificar la comprensión del caso de los circuitos de múltiples vueltas (bobinas), uno puede (aproximadamente) considerar que la superficie abarcada por dicho bucle consiste en un conjunto (pila) de superficies, cada una de las cuales está abarcada por su propia bobina individual. .
↑ Kalashnikov S. G. , Electricidad, M., GITTL, 1956, cap. IX "Inducción electromagnética", pág. 107 "Desaparición y establecimiento de corriente", pág. 221 - 224;
↑ Los elementos inductivos en sí mismos son lineales, es decir, obedecen a la ecuación diferencial lineal dada en el artículo anterior. Sin embargo, en realidad esta ecuación solo se cumple aproximadamente, de modo que los elementos inductivos son lineales también solo aproximadamente (aunque a veces con una precisión extremadamente buena). Además, en realidad, existen desviaciones de la ecuación ideal que son de naturaleza lineal (por ejemplo, asociadas a deformaciones elásticas de la bobina en una aproximación lineal).

Enlaces

Sobre la autoinducción y la inducción mutua de la "Escuela de Electricista"