Una bobina de inducción o "bobina de chispa" ( conocida arcaicamente como inductorium o bobina de Ruhmkorff [1] en honor a Heinrich Rühmkorff ) es un tipo de transformador eléctrico [2] [3] [4] que se utiliza para producir pulsos de alto voltaje a partir de un Tensión de alimentación de corriente continua (CC). [1] [5] Para crear los cambios de flujo necesarios para inducir voltaje en la bobina secundaria, la corriente continua en la bobina primaria es interrumpida repetidamente por un contacto mecánico vibrante llamado interruptor . [1]Inventado en 1836 por Nicholas Callan , con investigación adicional de Charles Grafton Page y otros, [1] la bobina de inducción fue el primer tipo de transformador. Fue ampliamente utilizado en máquinas de rayos X , [1] [6] transmisores de radio de chispa , [1] [6] dispositivos de iluminación de arco y electroterapia médica curandera 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 educación física para demostrar la inducción .
Construcción y función
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 devanado primario (P) , está hecha de relativamente pocas (decenas o cientos) de vueltas de alambre grueso. [7] La otra bobina, el devanado secundario , (S) normalmente consta de hasta un millón de vueltas de alambre fino (hasta calibre 40). [8] [1] [7]
Una corriente eléctrica pasa a través del primario, creando un campo magnético . [1] [7] Debido al núcleo común, la mayor parte del campo magnético primario se acopla con el devanado secundario. [ cita requerida ] El primario se comporta como un inductor , almacenando energía en el campo magnético asociado. Cuando la corriente primaria se interrumpe repentinamente, el campo magnético colapsa rápidamente. Esto hace que se desarrolle un pulso de alto voltaje a través de los terminales secundarios a través de inducción electromagnética . Debido a la gran cantidad de vueltas en la bobina secundaria, el pulso de voltaje secundario es típicamente de muchos miles de voltios . Este voltaje suele ser suficiente para provocar una chispa eléctrica , para saltar a través de un espacio de aire (G) que separa los terminales de salida del secundario. Por esta razón, las bobinas de inducción se denominaron bobinas de chispa.
Una bobina de inducción se caracteriza tradicionalmente por la longitud de la chispa que puede producir; una bobina de inducción de '4 pulgadas' (10 cm) podría producir una chispa de 4 pulgadas. Hasta el desarrollo del osciloscopio de rayos catódicos , esta era la medida más confiable del voltaje pico de tales formas de onda asimétricas. La relación entre la longitud de la chispa y el voltaje es lineal dentro de 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 moderna concuerdan estrechamente con esos valores. [10]
Parador
Para operar la bobina continuamente, la corriente de suministro de CC debe conectarse y desconectarse repetidamente para crear los cambios de campo magnético necesarios para la inducción. [1] Para hacer eso, las bobinas de inducción usan un brazo vibratorio activado magnéticamente llamado interruptor o ruptura ( A ) para conectar y romper 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. Cuando se enciende la energía, la corriente creciente en la bobina primaria produce un campo magnético creciente, el campo magnético atrae la armadura de hierro del interruptor ( A ). Después de un tiempo, la atracción magnética supera la fuerza del resorte de la armadura y la armadura comienza a moverse. Cuando la armadura se ha movido lo suficiente, el par de contactos ( K ) en el circuito primario se abre y desconecta la corriente primaria. La desconexión de la corriente hace que el campo magnético colapse y cree la chispa. Además, el campo colapsado ya no atrae la armadura, por lo que la fuerza del resorte acelera la armadura hacia su posición inicial. Poco tiempo después, los contactos se vuelven a conectar y la corriente comienza a construir el campo magnético nuevamente. Todo el proceso comienza de nuevo y se repite muchas veces por segundo. El voltaje secundario v 2 ( rojo , izquierda), es aproximadamente proporcional a la tasa de cambio de la corriente primaria i 1 ( azul ).
Los potenciales opuestos se inducen en el secundario cuando el interruptor 'rompe' el circuito y 'cierra' el circuito. Sin embargo, el cambio actual en el primario es mucho más abrupto cuando el interruptor se 'rompe'. Cuando los contactos se cierran, la corriente se acumula lentamente en el primario porque el voltaje de suministro tiene una capacidad limitada para forzar la corriente a través de la inductancia de la bobina. En contraste, cuando los contactos del interruptor se abren, la corriente cae a cero repentinamente. Entonces, el pulso de voltaje inducido en el secundario en la 'ruptura' es mucho mayor que el pulso inducido en el 'cierre', es la 'ruptura' lo que genera la salida de alto voltaje de la bobina.
Condensador
Al romperse, se forma un arco en los contactos del interruptor que tiene efectos indeseables: el arco consume energía almacenada en el campo magnético, reduce el voltaje de salida y daña los contactos. [11] Para evitar esto, se conecta un condensador de enfriamiento (C) de 0.5 a 15 μF a través de la bobina primaria para disminuir el aumento de voltaje después de una interrupción. El condensador y el devanado primario juntos forman un circuito sintonizado , por lo que al romperse, una onda amortiguada fluye en el primario e igualmente induce una onda amortiguada en el secundario. Como resultado, la salida de alto voltaje consta de una serie de ondas amortiguadas (izquierda) . [ cita requerida ]
Detalles de construcción
Para evitar que los altos voltajes generados en la bobina rompan el fino aislamiento y formen un arco entre los cables secundarios, la bobina secundaria utiliza una construcción especial para evitar que los cables que lleven grandes diferencias de voltaje estén uno al lado del otro. En una técnica ampliamente utilizada, la bobina secundaria se enrolla en muchas secciones planas delgadas en forma de panqueque (llamadas "tartas"), conectadas en serie . [12] [1] La bobina primaria se enrolla primero en el núcleo de hierro y se aísla de la secundaria con un papel grueso o una capa de goma. [1] Luego, cada subbobina secundaria se conecta a la bobina adyacente y se desliza sobre el núcleo de hierro, aislado de las bobinas contiguas con discos de cartón encerado. El voltaje desarrollado en cada subbobina no es lo suficientemente grande como para saltar entre los cables de la subbobina. [1] Los voltajes grandes solo se desarrollan a través de muchas subbobinas en serie, que están demasiado separadas para formar un arco. Para darle a toda la bobina un recubrimiento aislante final, se sumerge en cera de parafina fundida o colofonia ; el aire se evacua para asegurar que no queden burbujas de aire en el interior y la parafina se deja solidificar, por lo que todo el serpentín está recubierto de cera.
Para evitar las corrientes parásitas , que causan pérdidas de energía, el núcleo de hierro está hecho de un haz de alambres de hierro paralelos, recubiertos individualmente con goma laca para aislarlos eléctricamente. [1] Las corrientes de Foucault, que fluyen en bucles en el núcleo perpendicular al eje magnético, están bloqueadas por las capas de aislamiento. Los extremos de la bobina primaria aislada a menudo sobresalen varias pulgadas de cada extremo de la bobina secundaria, para evitar arcos desde la secundaria hasta la primaria o el núcleo.
Interruptores electrolíticos y de mercurio
Aunque las bobinas de inducción modernas que se utilizan con fines educativos utilizan el interruptor de tipo 'martillo' de brazo vibrante descrito anteriormente, estas eran inadecuadas para alimentar las grandes bobinas de inducción utilizadas en los transmisores de radio de chispa y en las máquinas de rayos X a principios del siglo XX. En bobinas potentes, la alta corriente primaria creaba arcos en los contactos del interruptor que rápidamente destruían los contactos. [1] Además, dado que cada "ruptura" produce un pulso de voltaje de la bobina, cuantas más rupturas por segundo, mayor es la salida de potencia. Los interruptores de martillo no eran capaces de velocidades de interrupción superiores a 200 roturas por segundo y las utilizadas en bobinas potentes estaban limitadas a 20-40 roturas por segundo.
Por lo tanto, se realizaron muchas investigaciones para mejorar los interruptores y se utilizaron diseños mejorados en bobinas de alta potencia, y los interruptores de martillo solo se usaron en bobinas pequeñas de menos de 8 "de chispas. [13] Léon Foucault y otros desarrollaron interruptores que consisten en una aguja oscilante que se sumerge dentro y fuera de un contenedor de mercurio . [1] El mercurio estaba cubierto con una capa de alcohol que extinguía el arco rápidamente, provocando un cambio más rápido. Estos a menudo eran impulsados por un electroimán o motor separado, [1] que permitía la tasa de interrupción y "permanencia" el tiempo debe ajustarse por separado de la corriente primaria.
Las bobinas más grandes utilizaban interruptores de turbina electrolíticos o de mercurio. [1] El interruptor electrolítico o 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 pasó a través de él, se formaron burbujas de gas hidrógeno en la aguja que rompieron repetidamente el circuito. Esto resultó en una corriente primaria interrumpida aleatoriamente a velocidades de hasta 2000 rupturas por segundo. Fueron preferidos para alimentar tubos de rayos X. Producían mucho calor y debido al hidrógeno podían explotar. Los interruptores de turbina de mercurio tenían una bomba centrífuga que rocía una corriente de mercurio líquido sobre los contactos metálicos giratorios. [1] Podían lograr tasas de interrupción de hasta 10,000 interrupciones por segundo y eran el tipo de interruptor más utilizado en las estaciones inalámbricas comerciales. [1] [14]
Historia
La bobina de inducción fue el primer tipo de transformador eléctrico . Durante su desarrollo entre 1836 y 1860, principalmente por ensayo y error, los investigadores descubrieron muchos de los principios que regían todos los transformadores, como la proporcionalidad entre las vueltas y el voltaje 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 e hizo 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 mejorado 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 energía. [22] Las primeras bobinas tenían interruptores de manivela, inventados por Callan y Antoine Philibert Masson (1837). [23] [24] [25] El interruptor automático "martillo" fue inventado por el Rev. Prof. 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 enfriamiento. [1] [29] [30] Heinrich Ruhmkorff generó voltajes más altos aumentando en gran medida la longitud del secundario, [1] en algunas bobinas que usaban 5 o 6 millas (10 km) de alambre y producía 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 un hito IEEE en 2006. [38]
Se utilizaron bobinas de inducción para proporcionar alto voltaje para la descarga temprana de gas y tubos Crookes y otras investigaciones de alto voltaje. También se utilizaron para proporcionar entretenimiento (iluminación de tubos Geissler , por ejemplo) y para impulsar pequeñas "bobinas impactantes", bobinas de Tesla y dispositivos de rayos violetas utilizados en la medicina curandera . Fueron utilizados por Hertz para demostrar la existencia de ondas electromagnéticas, como predijeron James Clerk Maxwell y Lodge y Marconi en la primera investigación sobre ondas de radio. Su uso industrial más grande fue probablemente en los primeros transmisores de radio de chispa de telegrafía inalámbrica y para alimentar los primeros tubos de rayos X de cátodo frío desde la década de 1890 hasta la de 1920, después de lo cual fueron suplantados en ambas aplicaciones por transformadores de CA y tubos de vacío . Sin embargo, su uso más grande fue como bobina de encendido o bobina de chispa en el sistema de encendido de los motores de combustión interna , donde todavía se usan, aunque los contactos del interruptor ahora se reemplazan por interruptores de estado sólido . Se utiliza una versión más pequeña para activar los tubos de flash utilizados en cámaras y luces estroboscópicas .
Ver también
- Bobina de encendido
- Bobina de temblor
- Transmisor de chispa
- Transformador
- bobina de Tesla
- Ley de inducción de Faraday
- Sistema de encendido
- Inductor
- Campo magnético
- Nicolás Callan
Notas al pie
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El interruptor electrolítico consiste en un recipiente que contiene una solución de ácido sulfúrico diluido con dos terminales sumergidos en esta solución. El terminal positivo o ánodo está hecho de platino y debe tener una superficie de aproximadamente 3/16 pulg. [Sic] El terminal negativo o cátodo está hecho de plomo y debe tener un área de algo así como 1 pie cuadrado. Cuando este interruptor es conectado 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 colapso de burbujas en el electrodo de platino.
La página 31 describe el interruptor electrolítico, pero no se identifica como interruptor Wehnelt. - ^ Faraday, Michael (1834). "Investigaciones Experimentales en Electricidad. Séptima Serie". Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 124 : 77-122. doi : 10.1098 / rstl.1834.0008 . S2CID 116224057 .
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Otras lecturas
- Norrie, HS, " Bobinas de inducción: cómo fabricarlas, utilizarlas y repararlas ". Norman H. Schneider, 1907, Nueva York. 4ª edición.
- Collins, Archie F. (1908). El diseño y construcción de bobinas de inducción . Nueva York: Munn & Co. p. 98 .
- Fleming, John Ambrose (1896). El transformador de corriente alterno en teoría y práctica, vol . 2 . The Electrician Publishing Co. Tiene una historia detallada de la invención de la bobina de inducción.
enlaces externos
- Circuito impulsor alimentado por batería para bobinas de inducción
- El sitio del tubo de rayos catódicos
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- Información técnica del relé Consulte la sección "Protección de contactos - Contador EMF".
- Encendido por descarga capacitiva frente a encendido por descarga magnética: Opciones del sistema de encendido para el TR4A Consulte la figura 9 para ver la descarga real.