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Bobina electromagnética

Bobina electromagnética

Una bobina electromagnética es un conductor eléctrico como un cable en forma de bobina, espiral o hélice. Las bobinas electromagnéticas se utilizan en ingeniería eléctrica, en aplicaciones donde las corrientes eléctricas interactúan con campos magnéticos, en dispositivos como motores eléctricos, generadores, inductores, electroimanes, transformadores y bobinas de sensores. O bien, una corriente eléctrica pasa a través del cable de la bobina para generar un campo magnético o, por el contrario, un campo magnético externo que varía con el tiempo a través del interior de la bobina genera un EMF (voltaje) en el conductor.

Una corriente a través de cualquier conductor crea un campo magnético circular alrededor del conductor debido a la ley de Ampere. La ventaja de usar la forma de la bobina es que aumenta la fuerza del campo magnético producido por una corriente dada. Todos los campos magnéticos generados por los giros separados del cable pasan a través del centro de la bobina y se suman (se superponen) para producir un campo fuerte allí. Cuantas más vueltas de alambre, más fuerte es el campo producido. Por el contrario, un flujo magnético externo cambiante induce un voltaje en un conductor como un cable, debido a la ley de inducción de Faraday. El voltaje inducido puede aumentarse enrollando el cable en una bobina, porque las líneas de campo se cruzan con el circuito varias veces.

La dirección del campo magnético producido por una bobina se puede determinar mediante la regla de agarre a la derecha. Si los dedos de la mano derecha se envuelven alrededor del núcleo magnético de una bobina en la dirección de la corriente convencional a través del cable, el pulgar apuntará en la dirección en que las líneas del campo magnético pasan a través de la bobina. El final de un núcleo magnético del que emergen las líneas de campo se define como el polo norte.

Existen muchos tipos diferentes de bobinas utilizadas en equipos eléctricos y electrónicos.

Bobinados y grifos

El cable o conductor que constituye la bobina se llama devanado . El orificio en el centro de la bobina se llama área del núcleo o eje magnético . Cada bucle de cable se llama un giro . En los devanados en los que las vueltas se tocan, el cable debe aislarse con una capa de aislamiento no conductivo, como plástico o esmalte, para evitar que la corriente pase entre las vueltas del cable. El devanado a menudo se enrolla alrededor de una bobina hecha de plástico u otro material para mantenerlo en su lugar. Los extremos del cable se sacan y se unen a un circuito externo. Los devanados pueden tener conexiones eléctricas adicionales a lo largo de su longitud; Estos se llaman grifos . Un devanado que tiene una sola derivación en el centro de su longitud se denomina derivación central .

Las bobinas pueden tener más de un devanado, aislado eléctricamente entre sí. Cuando hay dos o más devanados alrededor de un eje magnético común, se dice que los devanados están acoplados inductivamente o magnéticamente . Una corriente que varía en el tiempo a través de un devanado creará un campo magnético que varía en el tiempo que pasa a través del otro devanado, lo que inducirá un voltaje que varía en el tiempo en los otros devanados. Esto se llama transformador. El devanado al que se aplica la corriente, que crea el campo magnético, se denomina devanado primario . Los otros devanados se llaman devanados secundarios .

Núcleo magnético

Muchas bobinas electromagnéticas tienen un núcleo magnético, una pieza de material ferromagnético como el hierro en el centro para aumentar el campo magnético. La corriente a través de la bobina magnetiza el hierro, y el campo del material magnetizado se suma al campo producido por el cable. Esto se llama bobina de núcleo ferromagnético o núcleo de hierro . Un núcleo ferromagnético puede aumentar el campo magnético y la inductancia de una bobina cientos o miles de veces más de lo que sería sin el núcleo. Una bobina de núcleo de ferrita es una variedad de bobina con un núcleo hecho de ferrita, un compuesto cerámico ferrimagnético. Las bobinas de ferrita tienen pérdidas de núcleo más bajas a altas frecuencias.

  • Una bobina con un núcleo que forma un circuito cerrado, posiblemente con algunos espacios de aire estrechos, se denomina bobina de núcleo cerrado . Al proporcionar una ruta cerrada para las líneas de campo magnético, esta geometría minimiza la resistencia magnética y produce el campo magnético más fuerte. A menudo se usa en transformadores.
    • Una forma común para las bobinas de núcleo cerrado es una bobina de núcleo toroidal , en la que el núcleo tiene la forma de un toro o una rosquilla, con una sección transversal circular o rectangular. Esta geometría tiene un flujo de fuga mínimo e irradia una mínima interferencia electromagnética (EMI).
  • Una bobina con un núcleo que es una barra recta u otra forma sin bucle se denomina bobina de núcleo abierto . Esto tiene un campo magnético y una inductancia más bajos que un núcleo cerrado, pero a menudo se usa para evitar la saturación magnética del núcleo.

Una bobina sin núcleo ferromagnético se llama bobina con núcleo de aire . Esto incluye bobinas enrolladas en plástico u otras formas no magnéticas, así como bobinas que realmente tienen un espacio de aire vacío dentro de sus devanados.

Tipos de bobinas

Las bobinas se pueden clasificar por la frecuencia de la corriente con la que están diseñadas para operar:

  • Las bobinas o electroimanes de corriente continua o CC funcionan con una corriente continua constante en sus devanados
  • Las bobinas, inductores o transformadores de frecuencia de audio o AF funcionan con corrientes alternas en el rango de frecuencia de audio, menos de 20 kHz
  • Las bobinas, inductores o transformadores de radiofrecuencia o RF funcionan con corrientes alternas en el rango de radiofrecuencia, por encima de 20 kHz

Las bobinas se pueden clasificar por su función:

Electroimanes

Los electroimanes son bobinas que generan un campo magnético para algún uso externo, a menudo para ejercer una fuerza mecánica sobre algo. Algunos tipos específicos:

  • Solenoide: un electroimán en forma de hélice de alambre hueca recta
  • Bobinados de motores y generadores: electroimanes con núcleo de hierro en el rotor o estator de motores eléctricos y generadores que actúan entre sí para girar el eje (motor) o generar una corriente eléctrica (generador)
    • Bobinado de campo: una bobina con núcleo de hierro que genera un campo magnético constante para actuar sobre el devanado de la armadura.
    • Bobinado de armadura: una bobina con núcleo de hierro que actúa sobre el campo magnético del bobinado de campo para crear par (motor) o inducir un voltaje para producir energía (generador)
  • Bobina Helmholtz, bobina Maxwell: bobinas con núcleo de aire que sirven para cancelar un campo magnético externo
  • Bobina de desmagnetización: una bobina utilizada para desmagnetizar piezas
  • Bobina de voz: una bobina utilizada en un altavoz de bobina móvil, suspendida entre los polos de un imán. Cuando la señal de audio pasa a través de la bobina, vibra, moviendo el cono del altavoz conectado para crear ondas de sonido. El reverso se usa en un micrófono dinámico, donde las vibraciones de sonido interceptadas por algo como un diafragma se transfieren físicamente a una bobina de voz inmersa en un campo magnético, y los extremos del terminal de la bobina proporcionan un análogo eléctrico de esas vibraciones.

Inductores

Los inductores o reactores son bobinas que generan un campo magnético que interactúa con la propia bobina, para inducir una EMF inversa que se opone a los cambios de corriente a través de la bobina. Los inductores se utilizan como elementos de circuito en circuitos eléctricos, para almacenar energía temporalmente o resistir cambios en la corriente. Algunos tipos:

  • Bobina de tanque: un inductor utilizado en un circuito sintonizado
  • Choke: un inductor utilizado para bloquear la CA de alta frecuencia mientras permite la CA de baja frecuencia.
  • Bobina de carga: un inductor utilizado para agregar inductancia a una antena, para hacerla resonante, o a un cable para evitar la distorsión de las señales.
  • Variómetro: un inductor ajustable que consta de dos bobinas en serie, una bobina estacionaria externa y una segunda en su interior que se puede girar para que sus ejes magnéticos estén en la misma dirección u opuestos.
  • Transformador de retorno: aunque se denomina transformador, en realidad es un inductor que sirve para almacenar energía en fuentes de alimentación conmutadas y circuitos de deflexión horizontal para televisores y monitores CRT
  • Reactor saturable: un inductor con núcleo de hierro utilizado para controlar la potencia de CA variando la saturación del núcleo mediante un voltaje de control de CC en un devanado auxiliar.
  • Lastre inductivo: un inductor utilizado en los circuitos de la lámpara de descarga de gas, como las lámparas fluorescentes, para limitar la corriente a través de la lámpara.

Transformadores

Un transformador es un dispositivo con dos o más devanados acoplados magnéticamente (o secciones de un solo devanado). Una corriente que varía en el tiempo en una bobina (llamada devanado primario) genera un campo magnético que induce un voltaje en la otra bobina (llamada devanado secundario). Algunos tipos:

  • Transformador de distribución: un transformador en una red de energía eléctrica que transforma el alto voltaje de la línea de energía eléctrica al voltaje más bajo utilizado por los clientes de servicios públicos.
  • Autotransformador: un transformador con un solo devanado. Las diferentes partes del devanado, a las que se accede con grifos, actúan como devanados primario y secundario del transformador.
  • Transformador toroidal: el núcleo tiene la forma de un toroide. Esta es una forma de uso común, ya que disminuye el flujo de fuga, lo que resulta en menos interferencia electromagnética.
  • Bobina de inducción o bobina trembler: un transformador temprano que utiliza un mecanismo de interrupción vibratorio para romper la corriente primaria para que pueda funcionar con corriente continua.
    • Bobina de encendido: una bobina de inducción utilizada en motores de combustión interna para crear un pulso de alto voltaje para disparar la bujía que inicia la combustión del combustible.
  • Balun: un transformador que combina una línea de transmisión balanceada con una no balanceada.
  • Bobina bifilar: una bobina enrollada con dos hebras paralelas, muy separadas. Si se pasan corrientes de CA a través de él en la misma dirección, los flujos magnéticos se sumarán, pero si corrientes iguales en direcciones opuestas pasan a través de los devanados, los flujos opuestos se cancelarán, dando como resultado un flujo cero en el núcleo. Por lo tanto, no se inducirá voltaje en un tercer devanado en el núcleo. Estos se utilizan en instrumentos y en dispositivos como interruptores de falla a tierra. También se utilizan en resistencias de alambre de baja inductancia para su uso en frecuencias de RF.
  • Transformador de audio: un transformador utilizado con señales de audio. Se utilizan para la correspondencia de impedancias.
    • Bobina híbrida: un transformador de audio especializado con 3 devanados utilizado en circuitos de telefonía para convertir entre circuitos de dos y cuatro cables.

Maquinas electricas

Las máquinas eléctricas, como motores y generadores, tienen uno o más devanados que interactúan con los campos magnéticos en movimiento para convertir la energía eléctrica en energía mecánica. A menudo, una máquina tendrá un devanado a través del cual pasa la mayor parte de la potencia de la máquina (la "armadura"), y un segundo devanado que proporciona el campo magnético del elemento giratorio (el "devanado de campo") que puede conectarse mediante cepillos. o anillos colectores a una fuente externa de corriente eléctrica. En un motor de inducción, el devanado de "campo" del rotor es energizado por el lento movimiento relativo entre el devanado giratorio y el campo magnético giratorio producido por el devanado del estator, que induce la corriente excitante necesaria en el rotor.

Bobinas del transductor

Estas son bobinas utilizadas para traducir campos magnéticos que varían en el tiempo a señales eléctricas, y viceversa. Algunos tipos:

  • Bobinas de sensor o captación: se utilizan para detectar campos magnéticos externos que varían en el tiempo
  • Sensor inductivo: una bobina que detecta cuando un imán o un objeto de hierro pasa cerca de él.
  • Cabezal de grabación: una bobina que se utiliza para crear un campo magnético para escribir datos en un medio de almacenamiento magnético, como una cinta magnética o un disco duro. Por el contrario, también se utiliza para leer los datos en forma de campos magnéticos cambiantes en el medio.
  • Bobina de calentamiento por inducción: una bobina de CA utilizada para calentar un objeto induciendo corrientes parásitas en él, un proceso llamado calentamiento por inducción.
  • Antena de bucle: una bobina que sirve como antena de radio para convertir las ondas de radio en corrientes eléctricas.
  • Bobina Rogowski: una bobina toroidal utilizada como dispositivo de medición de CA
  • Captura de instrumentos musicales: una bobina utilizada para producir la señal de audio de salida en una guitarra eléctrica o bajo eléctrico.
  • Compuerta de flujo: una bobina de sensor utilizada en un magnetómetro
  • Cartucho de fonógrafo magnético: un sensor en un reproductor de discos que utiliza una bobina para traducir la vibración de una aguja a una señal de audio al reproducir discos de vinilo fonográficos.

También hay tipos de bobina que no encajan en estas categorías.

Tecnología de bobinado