Bobina electromagnética

Una bobina electromagnética es un conductor eléctrico , como un alambre , con forma de bobina ( espiral o hélice ). ^{[ 1 ] [ 2 ]} 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, como en las máquinas de imágenes médicas de resonancia magnética (RM ). Se puede hacer pasar una corriente eléctrica a través del alambre de la bobina para generar un campo magnético, o bien, un campo magnético externo variable en el tiempo a través del interior de la bobina genera una fuerza electromotriz (FEM ) ( voltaje ) en el conductor.

Una corriente que atraviesa cualquier conductor crea un campo magnético circular alrededor del conductor debido a la ley de Ampère . ^{[ 3 ]} La ventaja de usar la forma de bobina es que aumenta la intensidad del campo magnético producido por una corriente dada. Los campos magnéticos generados por las espiras individuales del alambre pasan por el centro de la bobina y se suman ( superponen ) para producir un campo fuerte allí. ^{[ 3 ]} Cuanto mayor sea el número de espiras del alambre, más fuerte será el campo producido. Por el contrario, un flujo magnético externo variable induce un voltaje en un conductor, como un alambre, debido a la ley de inducción de Faraday . ^{[ 3 ] [ 4 ]} El voltaje inducido puede aumentarse enrollando el alambre en forma de bobina porque las líneas de campo se cruzan en el circuito varias veces. ^{[ 3 ]}

La dirección del campo magnético producido por una bobina se puede determinar mediante la regla de la mano derecha . Si los dedos de la mano derecha rodean el núcleo magnético de la bobina en la dirección de la corriente convencional que circula por el cable, el pulgar apuntará en la dirección en que las líneas del campo magnético atraviesan la bobina. El extremo del núcleo magnético del que emergen las líneas de campo se denomina polo norte.

En los equipos eléctricos y electrónicos se utilizan muchos tipos diferentes de bobinas.

El alambre o conductor que constituye la bobina se llama bobinado . ^{[ 5 ]} El orificio en el centro de la bobina se llama área del núcleo o eje magnético . ^{[ 6 ]} Cada espira de alambre se llama vuelta . ^{[ 2 ]} En bobinados donde las vueltas se tocan, el alambre debe estar aislado con un recubrimiento de aislamiento no conductor para evitar que la corriente pase entre las vueltas. Este tipo de alambre se llama alambre magneto y normalmente utiliza aislamiento de película de polímero . ^{[ 7 ]} El bobinado a menudo se enrolla alrededor de una forma aislante o un núcleo de hierro. ^{[ 2 ]} Los extremos del alambre se sacan y se conectan a un circuito externo. Los bobinados pueden tener conexiones eléctricas adicionales a lo largo de su longitud; estas se llaman tomas . ^{[ 8 ]} Un bobinado que tiene una sola toma en el centro de su longitud se llama con toma central . ^{[ 9 ]}

Las bobinas pueden tener más de un devanado, aislados 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 . ^{[ 10 ]} Una corriente variable en el tiempo a través de un devanado creará un campo magnético variable en el tiempo que pasa a través del otro devanado, lo que inducirá una tensión variable en el tiempo en los otros devanados. Esto se llama transformador . ^{[ 11 ]} El devanado al que se aplica la corriente, que crea el campo magnético, se llama devanado primario . Los otros devanados se llaman devanados secundarios .

Muchas bobinas electromagnéticas tienen un núcleo magnético , una pieza de material ferromagnético como el hierro en el centro para aumentar el campo magnético. ^{[ 12 ]} La corriente que pasa por 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 de núcleo de hierro . ^{[ 13 ]} Un núcleo ferromagnético puede aumentar el campo magnético y la inductancia de una bobina cientos o miles de veces en comparación con 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 . ^{[ 14 ]} Las bobinas de ferrita tienen menores pérdidas en el núcleo a altas frecuencias.

• Una bobina con un núcleo que forma un circuito cerrado, posiblemente con pequeños espacios de aire, se denomina bobina de núcleo cerrado . Al proporcionar un recorrido cerrado para las líneas de campo magnético, esta geometría minimiza la reluctancia magnética y produce el campo magnético más intenso. Se utiliza frecuentemente en transformadores.
  • Una forma común de bobinas de núcleo cerrado es la bobina de núcleo toroidal , cuyo núcleo tiene forma de toroide o rosquilla, con sección transversal circular o rectangular. Esta geometría presenta un flujo de fuga mínimo y genera una interferencia electromagnética (EMI) mínima.
• Una bobina con un núcleo en forma de barra recta u otra forma que no sea un bucle se denomina bobina de núcleo abierto . Esta tiene un campo magnético e inductancia menores que una bobina de núcleo cerrado, pero se suele utilizar para evitar la saturación magnética del núcleo.

Una bobina sin núcleo ferromagnético se denomina bobina de núcleo de aire . ^{[ 15 ]} Esto incluye bobinas enrolladas en plástico u otras formas no magnéticas, así como bobinas que en realidad tienen espacio de aire vacío dentro de sus bobinados.

Las bobinas se pueden clasificar según la frecuencia de la corriente con la que están diseñadas para funcionar:

• Las bobinas o electroimanes de corriente continua (CC) funcionan con una corriente continua constante en sus devanados.
• Las bobinas, inductores o transformadores de audiofrecuencia ( AF) funcionan con corrientes alternas en el rango de audiofrecuencia , inferior a 20 kHz.
• Las bobinas, inductores o transformadores de radiofrecuencia ( RF) funcionan con corrientes alternas en el rango de radiofrecuencia , por encima de 20 kHz.

Las bobinas se pueden clasificar según 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. ^{[ 16 ]} o eliminar campos de fondo existentes. ^{[ 17 ]} Algunos tipos específicos:

• Solenoide : un electroimán con forma de hélice hueca recta de alambre.
• Bobinados de motores y generadores: electroimanes con núcleo de hierro situados en el rotor o el estator de los motores y generadores eléctricos que interactúan entre sí para hacer 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 que actúa sobre el bobinado de la armadura.
  • Bobinado de armadura : una bobina con núcleo de hierro sobre la que actúa el campo magnético del devanado de campo para generar par motor (motor) o inducir un voltaje para producir energía (generador).
• Bobina de Helmholtz , bobina de Maxwell : bobinas con núcleo de aire que sirven para cancelar un campo magnético externo.
• Bobina desmagnetizadora : una bobina que se utiliza para desmagnetizar piezas.
• Bobina móvil : 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, esta vibra, moviendo el cono del altavoz para generar ondas sonoras. En un micrófono dinámico se utiliza el principio inverso: las vibraciones sonoras interceptadas por un diafragma , por ejemplo, se transfieren físicamente a una bobina móvil inmersa en un campo magnético, y los terminales de la bobina proporcionan una respuesta eléctrica equivalente a dichas vibraciones.

Transformers

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

• Transformador de distribución : un transformador en una red eléctrica que transforma el alto voltaje de la línea eléctrica al voltaje más bajo utilizado por los clientes de la compañía eléctrica.
• Autotransformador : un transformador con un solo devanado. Diferentes secciones del devanado, a las que se accede mediante tomas, actúan como devanados primario y secundario del transformador.
• Transformador toroidal : su núcleo tiene forma de toroide . Esta forma es de uso común, ya que reduce el flujo de fuga, lo que disminuye la interferencia electromagnética.
• Bobina de inducción o bobina vibratoria : un transformador antiguo que utiliza un mecanismo de interrupción vibratoria para cortar la corriente primaria y así poder funcionar con corriente continua.
  • Bobina de encendido : una bobina de inducción que se utiliza en los motores de combustión interna para crear un pulso de alto voltaje que activa la bujía , la cual inicia la combustión del combustible.
• Balun : un transformador que adapta una línea de transmisión balanceada a una desbalanceada.
• Bobina bifilar : una bobina formada por dos hilos paralelos muy próximos entre sí. Si se hace pasar corriente alterna en la misma dirección, los flujos magnéticos se suman; pero si se hace pasar corriente igual en direcciones opuestas, los flujos opuestos se anulan, resultando en un flujo nulo en el núcleo. Por lo tanto, no se induce voltaje en un tercer devanado del núcleo. Estas bobinas se utilizan en instrumentos y dispositivos como interruptores de falla a tierra . También se emplean en resistencias bobinadas de baja inductancia para frecuencias de radiofrecuencia.
• Transformador de audio : un transformador que se utiliza con señales de audio . Se utilizan para la adaptación de impedancias .
  • Bobina híbrida : un transformador de audio especializado con 3 devanados que se utiliza en circuitos de telefonía para convertir entre circuitos de dos y cuatro hilos.

Bobinas del transductor

Se trata de bobinas que se utilizan para convertir campos magnéticos variables en el tiempo en señales eléctricas, y viceversa. Algunos tipos:

• Bobinas sensoras o captadoras: se utilizan para detectar campos magnéticos externos variables en el tiempo.
• Sensor inductivo : una bobina que detecta cuando un imán o un objeto de hierro pasa cerca de ella.
• Cabezal de grabación : bobina que se utiliza para crear un campo magnético y escribir datos en un soporte de almacenamiento magnético , como una cinta magnética o un disco duro . A la inversa, también se utiliza para leer los datos en forma de campos magnéticos variables en el soporte.
• Bobina de calentamiento por inducción : una bobina de corriente alterna que se utiliza 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 de Rogowski : una bobina toroidal utilizada como dispositivo de medición de corriente alterna.
• Pastilla de instrumento musical : una bobina utilizada para producir la señal de audio de salida en una guitarra eléctrica o un bajo eléctrico .
• Puerta de flujo : una bobina sensora utilizada en un magnetómetro.
• Cápsula magnética para tocadiscos : un sensor en un tocadiscos que utiliza una bobina para convertir la vibración de una aguja en una señal de audio al reproducir discos de vinilo .

También existen tipos de bobinas que no encajan en estas categorías.

• Curva de Hanna

• Querfurth, William, " Bobinado de bobinas; descripción de los procedimientos de bobinado, las máquinas de bobinado y el equipo asociado para la industria electrónica " (2.ª ed.). Chicago, G. Stevens Mfg. Co., 1958.
• Weymouth, F. Marten, « Instrumentos de tambor y conmutadores (teoría y práctica)  : un tratado completo sobre la teoría y la construcción del bobinado de tambor y de los conmutadores para inducidos de bobina cerrada, junto con un resumen completo de algunos de los puntos principales involucrados en su diseño; y una exposición de las reacciones del inducido y las chispas ». Londres, «The Electrician» Printing and Publishing Co., 1893.
• " Procedimientos de bobinado de bobinas ". Asociación Internacional de Bobinado de Bobinas.
• Chandler, RH, " Revisión del recubrimiento de bobinas, 1970-76 ". Braintree, RH Chandler Ltd, 1977.
• Laplante, Philip A., ed. (2018). Diccionario completo de ingeniería eléctrica . doi : 10.1201/9781420037807 . ISBN 978-1-315-22046-8.

• Calculadora de inductancia de bobinas Calculadora en línea para determinar la inductancia de bobinas de una sola capa y multicapa.
• R. Clarke, " Producción de componentes para heridas " (Archivado el 7 de julio de 2007 en Wayback Machine ). Surrey.ac.uk, 9 de octubre de 2005.