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Bobina de inducción

Bobina de inducción antigua utilizada en escuelas desde alrededor de 1900, Bremerhaven, Alemania. Una bobina de inducción o "bobina de chispa" ( conocida arcaicamente como induc...

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Bobina de inducción antigua utilizada en escuelas desde alrededor de 1900, Bremerhaven, Alemania.

Una bobina de inducción o "bobina de chispa" ( conocida arcaicamente como inductorio o bobina de Ruhmkorff [ 1 ] en honor a Heinrich Rühmkorff ) es un tipo de transformador [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] utilizado para producir pulsos de alto voltaje a partir de una fuente de corriente continua (CC) de bajo voltaje. [ 1 ] [ 5 ] Para crear los cambios de flujo necesarios para inducir voltaje en la bobina secundaria, la corriente continua en la bobina primaria se interrumpe repetidamente mediante un contacto mecánico vibratorio llamado interruptor . [ 1 ] Inventada en 1836 por el sacerdote católico irlandés Nicholas Callan , y también de forma independiente por el inventor estadounidense Charles Grafton Page , [ 1 ] la bobina de inducción fue el primer tipo de transformador. Se utilizó ampliamente en máquinas de rayos X , [ 1 ] [ 6 ] transmisores de radio de chispa , [ 1 ] [ 6 ] iluminación de arco y dispositivos médicos de electroterapia fraudulentos desde la década de 1880 hasta la de 1920. Hoy en día, su único uso común es como bobinas de encendido en motores de combustión interna y en la enseñanza de la física para demostrar la inducción .

Construcción y función

Diagrama esquemático

Una bobina de inducción consta de dos bobinas de alambre aislado enrolladas alrededor de un núcleo de hierro común (M) . [ 1 ] [ 7 ] Una bobina, llamada bobina primaria (P) , está hecha de relativamente pocas (decenas o cientos) vueltas de alambre grueso. [ 7 ] La otra bobina, la bobina secundaria (S) , generalmente consta de hasta un millón de vueltas de alambre fino (hasta calibre 40). [ 8 ] [ 1 ] [ 7 ]

Se hace pasar una corriente eléctrica a través del primario, creando un campo magnético . [ 1 ] [ 7 ] Debido al núcleo común, la mayor parte del campo magnético del primario se acopla con el devanado secundario. El primario se comporta como un inductor , almacenando energía en el campo magnético asociado. Cuando la corriente del primario se interrumpe repentinamente, el campo magnético colapsa rápidamente. Esto provoca que se desarrolle un pulso de alto voltaje a través de los terminales del secundario por inducción electromagnética . Debido a la gran cantidad de espiras en la bobina secundaria, el pulso de voltaje secundario suele ser de muchos miles de voltios . Este voltaje suele ser suficiente para provocar una chispa eléctrica , que salta a través de un entrehierro (G) que separa los terminales de salida del secundario. Por esta razón, las bobinas de inducción se denominaban bobinas de chispa.

Tradicionalmente, una bobina de inducción se caracteriza por la longitud de la chispa que puede producir; una bobina de inducción de 10  cm (4 pulgadas ) podía producir una chispa de 10 cm (4 pulgadas). Hasta el desarrollo del osciloscopio de rayos catódicos , esta era la medición más fiable del voltaje pico de dichas formas de onda asimétricas. La relación entre la longitud de la chispa y el voltaje es lineal en un amplio rango.  

4 pulgadas (10 cm) = 110 kV; 8 pulgadas (20 cm) = 150 kV; 12 pulgadas (30 cm) = 190 kV; 16 pulgadas (41 cm) = 230 kV [ 9 ]    

Las curvas proporcionadas por una referencia de 1984 coinciden estrechamente con esos valores. [ 10 ]

Parador

Sin condensador
Con condensador
Ondas de corriente en una bobina de inducción con salida abierta (sin chispa). i₁ (azul) representa la corriente en el devanado primario de la bobina, y v₂ ( rojo) la tensión en el secundario. No está a escala estándar; v₂ es mucho mayor en el dibujo inferior .

Para que la bobina funcione continuamente, la corriente continua debe conectarse y desconectarse repetidamente para generar los cambios de campo magnético necesarios para la inducción. [ 1 ] Para ello, las bobinas de inducción utilizan un brazo vibratorio activado magnéticamente, denominado interruptor ( A) , que conecta y desconecta rápidamente la corriente que fluye hacia la bobina primaria. [ 1 ] El interruptor está montado en el extremo de la bobina, junto al núcleo de hierro. Al encender la alimentación, la corriente creciente en la bobina primaria produce un campo magnético creciente, que atrae la armadura de hierro del interruptor (A). Tras un tiempo, la atracción magnética vence la fuerza del resorte de la armadura, y esta comienza a moverse. Cuando la armadura se ha movido lo suficiente, el par de contactos (K) del circuito primario se abren y desconectan la corriente primaria. La desconexión de la corriente provoca el colapso del campo magnético y la creación de la chispa. Además, el campo colapsado ya no atrae la armadura, por lo que la fuerza del resorte la acelera hacia su posición inicial. Poco después, los contactos se reconectan y la corriente comienza a generar nuevamente el campo magnético. Todo el proceso comienza de nuevo y se repite muchas veces por segundo. El voltaje secundario v 2 ( rojo ) es aproximadamente proporcional a la tasa de cambio de la corriente primaria i 1 ( azul ).

Cuando el interruptor abre y cierra el circuito, se inducen potenciales opuestos en el secundario . Sin embargo, el cambio de corriente en el primario es mucho más abrupto. Al cerrarse los contactos, la corriente aumenta lentamente en el primario debido a que la tensión de alimentación tiene una capacidad limitada para forzar el paso de corriente a través de la inductancia de la bobina. Por el contrario, cuando los contactos del interruptor se abren, la corriente cae repentinamente a cero. Por lo tanto, el pulso de tensión inducido en el secundario al abrirse es mucho mayor que el pulso inducido al cerrarse; es la apertura la que genera la salida de alta tensión de la bobina.

Condensador

Se forma un arco en los contactos del interruptor al interrumpirse la corriente, lo que tiene efectos indeseables: el arco consume la energía almacenada en el campo magnético, reduce la tensión de salida y daña los contactos. [ 11 ] Para evitar esto, se conecta un condensador de extinción ( C ) de 0,5 a 15 μF en paralelo con la bobina primaria para ralentizar el aumento de la tensión tras la interrupción. El condensador y el devanado primario forman juntos un circuito sintonizado , de modo que, al interrumpirse la corriente, fluye una onda sinusoidal amortiguada en el primario e induce, a su vez, una onda amortiguada en el secundario. Como resultado, la salida de alta tensión consiste en una serie de ondas amortiguadas. 

Detalles de construcción

Para evitar que los altos voltajes generados en la bobina dañen el delgado aislamiento y produzcan arcos eléctricos entre los cables secundarios, la bobina secundaria utiliza una construcción especial para evitar que los cables con grandes diferencias de voltaje queden uno al lado del otro. En una técnica muy utilizada, la bobina secundaria se enrolla en muchas secciones delgadas y planas con forma de panqueque (llamadas "pasteles"), conectadas en serie . [ 12 ] [ 1 ]

La bobina primaria se enrolla primero en el núcleo de hierro y se aísla de la secundaria con una gruesa capa de papel o caucho. [ 1 ] Luego, cada subbobina secundaria se conecta a la bobina contigua y se desliza sobre el núcleo de hierro, aislada de las bobinas adyacentes con discos de cartón encerado. El voltaje desarrollado en cada subbobina no es lo suficientemente grande como para que salte entre los cables de la subbobina. [ 1 ] Los voltajes altos solo se desarrollan a través de muchas subbobinas en serie, que están demasiado separadas para que se produzca un arco eléctrico. Para dar a toda la bobina una capa aislante final, se sumerge en parafina o colofonia fundida ; se evacua el aire para asegurar que no queden burbujas de aire en el interior y se deja que la parafina se solidifique, de modo que toda la bobina quede encapsulada en cera.

Para evitar las corrientes parásitas , que provocan pérdidas de energía, el núcleo de hierro está formado por un haz de alambres de hierro paralelos, recubiertos individualmente con goma laca para aislarlos eléctricamente. [ 1 ] Las corrientes parásitas, que fluyen en bucles en el núcleo perpendiculares al eje magnético, son bloqueadas por las capas de aislamiento. Los extremos de la bobina primaria aislada a menudo sobresalían varios centímetros de cada extremo de la bobina secundaria, para evitar arcos eléctricos desde la secundaria hacia la primaria o el núcleo.

Interruptores de mercurio y electrolíticos

(Izquierda) Interruptor Wehnelt de 3 electrodos utilizado en bobinas de alta potencia. (Derecha) Interruptor de turbina de mercurio. El motor hace girar la rueda dentada mientras se rocía un chorro de mercurio sobre los dientes. Ajustando la rueda hacia arriba o hacia abajo, se puede modificar el ciclo de trabajo de la corriente primaria.

Aunque las bobinas de inducción modernas utilizadas con fines educativos emplean el interruptor de tipo martillo con brazo vibratorio descrito anteriormente, estos resultaban inadecuados para alimentar las grandes bobinas de inducción utilizadas en los transmisores de radio de chispa y las máquinas de rayos X a principios del siglo XX. En bobinas potentes, la alta corriente primaria generaba arcos en los contactos del interruptor, lo que los destruía rápidamente. [ 1 ] Además, dado que cada interrupción produce un pulso de voltaje en la bobina, cuantas más interrupciones por segundo, mayor es la potencia de salida. Los interruptores de martillo no eran capaces de alcanzar tasas de interrupción superiores a 200 interrupciones por segundo, y los utilizados en bobinas potentes se limitaban a entre 20 y 40 interrupciones por segundo.

Por lo tanto, se invirtió mucha investigación en mejorar los interruptores y se utilizaron diseños mejorados en bobinas de alta potencia, mientras que los interruptores de martillo solo se usaron en bobinas pequeñas con chispas de menos de 8". [ 13 ] Léon Foucault y otros desarrollaron interruptores que consistían en una aguja oscilante que entraba y salía de un recipiente de mercurio . [ 1 ] El mercurio estaba cubierto con una capa de alcohol que extinguía el arco rápidamente, lo que provocaba una conmutación más rápida. Estos a menudo eran accionados por un electroimán o motor independiente, [ 1 ] lo que permitía ajustar la tasa de interrupción y el tiempo de "permanencia" por separado de la corriente primaria.

Las bobinas más grandes utilizaban interruptores de turbina electrolíticos o de mercurio. [ 1 ] El interruptor electrolítico o de Wehnelt, inventado por Arthur Wehnelt en 1899, consistía en un ánodo de aguja de platino corto sumergido en un electrolito de ácido sulfúrico diluido , con el otro lado del circuito conectado a un cátodo de placa de plomo . [ 1 ] [ 14 ] Cuando la corriente primaria pasaba a través de él, se formaban burbujas de gas hidrógeno en la aguja que interrumpían repetidamente el circuito. Esto resultaba en una corriente primaria interrumpida aleatoriamente a tasas de hasta 2000 interrupciones por segundo. Eran los preferidos para alimentar tubos de rayos X. Producían mucho calor y, debido a esto, el hidrógeno podía explotar. Los interruptores de turbina de mercurio tenían una bomba centrífuga que rociaba un chorro de mercurio líquido sobre contactos metálicos giratorios. [ 1 ] Podían alcanzar tasas de interrupción de hasta 10 000 interrupciones por segundo y eran el tipo de interruptor más utilizado en estaciones inalámbricas comerciales. [ 1 ] [ 14 ]

Historia

Bobina primitiva de William Sturgeon , 1837. La rueda interruptora de zinc en forma de sierra (D) se giraba a mano. Fue la primera bobina en utilizar un núcleo dividido de alambres de hierro (F) para evitar corrientes parásitas.
La bobina primitiva de Charles G. Page, de 1838, contaba con uno de los primeros interruptores automáticos. La copa estaba llena de mercurio. El campo magnético atraía la pieza de hierro del brazo (izquierda) , lo que hacía que el cable saliera de la copa e interrumpiera el circuito primario.
Bobina de inducción de Heinrich Ruhmkorff , década de 1850. Además del interruptor de martillo (derecha) , tenía un interruptor de mercurio de Fizeau (izquierda) que podía ajustarse para cambiar el tiempo de permanencia.
Una de las bobinas más grandes jamás construidas, fabricada en 1877 por Alfred Apps para William Spottiswoode. Enrollada con 280 millas de alambre, podía producir una chispa de 42 pulgadas (106 cm), equivalente a aproximadamente un millón de voltios. Alimentada por 30 baterías líquidas de un cuarto de galón y un interruptor independiente (no mostrado) .
La primera bobina de inducción, construida por Nicholas Callan en 1836.

La bobina de inducción fue el primer tipo de transformador eléctrico . Durante su desarrollo entre 1836 y la década de 1860, principalmente mediante ensayo y error, los investigadores descubrieron muchos de los principios que rigen todos los transformadores, como la proporcionalidad entre las espiras y la tensión de salida y el uso de un núcleo de hierro "dividido" para reducir las pérdidas por corrientes parásitas .

Michael Faraday descubrió el principio de inducción, la ley de inducción de Faraday , en 1831 y realizó los primeros experimentos con inducción entre bobinas de alambre. [ 15 ] La bobina de inducción fue inventada por el médico estadounidense Charles Grafton Page en 1836 [ 16 ] [ 17 ] e independientemente por el científico irlandés y sacerdote católico Nicholas Callan en el mismo año en el St. Patrick's College, Maynooth [ 1 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] y mejorada por William Sturgeon . [ 1 ] George Henry Bachhoffner [ 1 ] y Sturgeon (1837) descubrieron independientemente que un núcleo de hierro "dividido" de alambres de hierro reducía las pérdidas de potencia. [ 22 ] Las primeras bobinas tenían interruptores de manivela, inventados por Callan y Antoine Philibert Masson (1837). [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] El interruptor automático de 'martillo' fue inventado por el reverendo profesor James William MacGauley (1838) de Dublín, Irlanda, [ 16 ] [ 26 ] Johann Philipp Wagner (1839) y Christian Ernst Neeff (1847). [ 1 ] [ 27 ] [ 28 ] Hippolyte Fizeau (1853) introdujo el uso del condensador de extinción. [ 1 ] [ 29 ] [ 30 ] Heinrich Ruhmkorff generó voltajes más altos aumentando considerablemente la longitud del secundario, [ 1 ] en algunas bobinas usando 5 o 6 millas (10  km) de cable y produjo chispas de hasta 16 pulgadas. A principios de la década de 1850, el inventor estadounidense Edward Samuel Ritchie introdujo la construcción secundaria dividida para mejorar el aislamiento. [ 31 ] [ 32 ] Jonathan Nash Hearder trabajó en bobinas de inducción. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] La bobina de inducción de Callan fue nombrada unaHito del IEEE en 2006. [ 38 ]

Las bobinas de inducción se utilizaban para proporcionar alto voltaje en los primeros tubos de descarga de gas y de Crookes , así como en otras investigaciones de alto voltaje. También se empleaban para el entretenimiento (por ejemplo, para iluminar los tubos de Geissler ) y para accionar pequeñas bobinas de descarga eléctrica, bobinas de Tesla y dispositivos de rayos violeta utilizados en la pseudomedicina . Hertz las empleó para demostrar la existencia de ondas electromagnéticas, tal como lo predijeron James Clerk Maxwell y Lodge y Marconi en las primeras investigaciones sobre ondas de radio. Su principal uso industrial probablemente se dio en los primeros transmisores de radio de chispa para telegrafía inalámbrica y para alimentar los primeros tubos de rayos X de cátodo frío desde la década de 1890 hasta la de 1920, tras lo cual fueron sustituidas en ambas aplicaciones por transformadores de CA y tubos de vacío . Sin embargo, su uso más extendido fue como bobina de encendido o bobina de chispa en el sistema de encendido de los motores de combustión interna , donde aún se utilizan, aunque los contactos de interrupción se han sustituido por interruptores de estado sólido . Una versión más pequeña se utiliza para activar los tubos de flash de las cámaras y las luces estroboscópicas .

Bobina de inducción (arriba) que alimenta la unidad de rayos X montada en la pared de 1915, con interruptor electrolítico (abajo) .
Bobina de encendido vibratoria utilizada en los primeros automóviles, como el Ford Modelo T, alrededor de 1910.
Bobina de encendido de automóvil moderna , el mayor uso que aún se le da a las bobinas de inducción.

Véase también

Notas a pie de página

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Fleming, John Ambrose (1911). "Induction Coil" . En Chisholm, Hugh ( ed.). Encyclopædia Britannica . Vol. 14 (11.ª ed.). Cambridge University Press. págs. 502–505 .    
  2. ↑ "Annus Mirabilis" . New Scientist . 5 (19). Londres: Reed Business Information: 445. Febrero de 1959. Consultado el 20 de noviembre de 2018 .
  3. ↑ Strickland, Jeffrey (2011). Científicos extraños: los creadores de la física cuántica . Lulu. pág. 98. ISBN  978-1-257-97624-9.
  4. ↑ Waygood, Adrian (2016). Ciencia eléctrica para técnicos . Routledge. pág. 162. ISBN  978-1-317-53491-4.
  5. ↑ Collins, Archie F. (1908). El diseño y la construcción de bobinas de inducción . Nueva York: Munn & Co. pág. 98 . pág. 98
  6. 1 2 Collins, 1908, pág. iii
  7. 1 2 3 4 Collins, 1908, págs. 16-19
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  10. ↑ E. Kuffel; WS Zaengl (1984). Ingeniería de alta tensión . Pergamon Press. pág. 374. ISBN  0-08-024212-X.
  11. ↑ Schall, K. (1905). Instrumentos electromédicos y su manejo . Bemrose & Sons Ltd. Impresores. págs. 78 . 
  12. ↑ Schneider, Norman H. (1896). Bobinas de inducción de Ruhmkorff, su construcción, funcionamiento y aplicación . Spon & Chamberlain. pp. 10-14 , 16. 
  13. ↑ Collins, 1908, pág. 98
  14. 1 2 Moore, Arthur (1911). Cómo hacer un aparato inalámbrico . Chicago: The Popular Mechanics Co. ISBN 978-1-4400-4874-6El interruptor electrolítico consiste en un recipiente que contiene una solución de ácido sulfúrico diluido con dos terminales sumergidos en dicha solución. El terminal positivo o ánodo está hecho de platino y debe tener una superficie de aproximadamente 3/16 de pulgada. El terminal negativo o cátodo está hecho de plomo y debe tener una superficie de aproximadamente 1 pie cuadrado. Cuando este interruptor se conecta en serie con el primario de una bobina de inducción y una fuente de fuerza electromotriz de aproximadamente 40 voltios, el circuito se interrumpirá debido a la formación y el colapso de burbujas en el electrodo de platino.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda ) La página 31 describe un interruptor electrolítico, pero no lo identifica como un interruptor Wehnelt.
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Lecturas adicionales

  • Norrie, HS, " Bobinas de inducción: cómo fabricarlas, usarlas y repararlas ". Norman H. Schneider, 1907, Nueva York. 4.ª edición.
  • Collins, Archie F. (1908). El diseño y la construcción de bobinas de inducción . Nueva York: Munn & Co. pág. 98 . 
  • Fleming, John Ambrose (1896). El transformador de corriente alterna en teoría y práctica, vol . 2. The Electrician Publishing Co. Contiene una historia detallada de la invención de la bobina de inducción.
  • Circuito controlador alimentado por batería para bobinas de inducción
  • El sitio del tubo de rayos catódicos
  • Fleming, John Ambrose (1911). "Bobina de inducción"  . En Chisholm, Hugh (ed.). Encyclopædia Britannica . Vol.  14 (11.ª  ed.). Cambridge University Press. pp. 502–505 . 
  • Newman, FH (1921). "Una nueva forma de interruptor de Wehnelt" . Actas de la Royal Society A: Ciencias Matemáticas, Físicas y de Ingeniería . 99 (699): 324–30 . Bibcode : 1921RSPSA..99..324N . doi : 10.1098/rspa.1921.0045 . JSTOR 93959 . 
  • Información técnica del relé Consulte la sección "Protección de contactos – Contramedidas contra campos electromagnéticos".
  • Encendido por descarga capacitiva frente a encendido por descarga magnética: opciones de sistema de encendido para el TR4A. Consulte la figura 9 para ver la descarga real.