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 eléctrico [2] [3] [4] que se utiliza para producir pulsos de alto voltaje a partir de una fuente de baja tensión. 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 se interrumpe repetidamente mediante un contacto mecánico vibratorio llamado interruptor . [1] Inventada en 1836 por el sacerdote católico irlandés Nicholas Callan , con investigaciones adicionales 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] iluminación de arco y dispositivos de electroterapia médica curanderos 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 educación física para demostrar la inducción .
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) 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 del primario se acopla con el devanado secundario. [ cita necesaria ] 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 al gran número de vueltas de la bobina secundaria, el pulso de voltaje secundario suele ser de muchos miles de voltios . Este voltaje suele ser suficiente para provocar que una chispa eléctrica salte a través de un espacio de aire (G) que separa los terminales de salida del secundario. Por este motivo, las bobinas de inducción se denominaron bobinas de chispa.
Una bobina de inducción se caracteriza tradicionalmente por la longitud de chispa que puede producir; una bobina de inducción de 10 cm (4 pulgadas) podría producir una chispa de 4 pulgadas. Hasta el desarrollo del osciloscopio de rayos catódicos , esta era la medida más fiable del voltaje máximo de tales formas de onda asimétricas. La relación entre la longitud de la chispa y el voltaje es lineal dentro de un amplio rango:
Las curvas proporcionadas por una referencia de 1984 concuerdan estrechamente con esos valores. [10]
Para operar la bobina continuamente, la corriente de suministro de CC debe conectarse y desconectarse repetidamente para crear los cambios del campo magnético necesarios para la inducción. [1] Para hacer eso, las bobinas de inducción utilizan un brazo vibratorio activado magnéticamente llamado interruptor o interruptor ( A ) para conectar e interrumpir 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 vence 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 abren y desconectan la corriente primaria. Desconectar la corriente hace que el campo magnético colapse y cree la chispa. Además, el campo colapsado ya no atrae a 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 formar 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 ).
Se inducen potenciales opuestos 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. Por el contrario, cuando los contactos del interruptor se abren, la corriente cae a cero repentinamente. Entonces, el pulso de voltaje inducido en el secundario en el momento de "desconexión" es mucho mayor que el pulso inducido en el "cierre", es la "desconexión" la que genera la salida de alto voltaje de la bobina.
Al romperse, se forma un arco en los contactos del interruptor 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 a través de la bobina primaria para frenar 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 sinusoidal amortiguada de corriente fluye en el primario y también induce una onda amortiguada en el secundario. Como resultado, la salida de alto voltaje consta de una serie de ondas amortiguadas (izquierda) . [ cita necesaria ]
Para evitar que los altos voltajes generados en la bobina rompan el fino aislamiento y formen arcos entre los cables secundarios, la bobina secundaria utiliza una construcción especial para evitar que los cables que llevan grandes diferencias de voltaje se encuentren uno al lado del otro. En una técnica ampliamente utilizada, la bobina secundaria se enrolla en muchas secciones delgadas y planas en forma de panqueque (llamadas "pasteles"), conectadas en serie . [12] [1]
La bobina primaria se enrolla primero sobre el núcleo de hierro y se aísla de la secundaria con una capa gruesa de papel o caucho. [1] Luego, cada subbobina secundaria se conecta a la bobina contigua 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 una capa aislante final, se sumerge en cera de parafina derretida o colofonia ; el aire se evacuó para garantizar que no queden burbujas de aire en el interior y se dejó que la parafina se solidificara, por lo que toda la bobina queda recubierta de cera.
Para evitar las corrientes parásitas , que provocan pérdidas de energía, el núcleo de hierro está hecho de un haz de cables de hierro paralelos, recubiertos individualmente con goma laca para aislarlos eléctricamente. [1] Las corrientes parásitas, que fluyen en bucles en el núcleo perpendicular al eje magnético, son bloqueadas por las capas de aislamiento. Los extremos de la bobina primaria aislada a menudo sobresalían varias pulgadas de cada extremo de la bobina secundaria, para evitar arcos desde la secundaria hasta la primaria o el núcleo.
Aunque todas las bobinas de inducción modernas utilizadas con fines educativos utilizan el interruptor tipo "martillo" de brazo vibratorio descrito anteriormente, estas eran inadecuadas para alimentar las grandes bobinas de inducción utilizadas en transmisores de radio de chispa y máquinas de rayos X a principios del siglo XX. En bobinas potentes, la alta corriente primaria creó arcos en los contactos del interruptor que rápidamente destruyeron los contactos. [1] Además, dado que cada "ruptura" produce un pulso de voltaje de la bobina, cuantas más rupturas por segundo, mayor será la potencia de salida. Los interruptores de martillo no eran capaces de alcanzar tasas de interrupción superiores a 200 cortes por segundo y los utilizados en bobinas potentes estaban limitados a 20 a 40 cortes por segundo.
Por lo tanto, se investigó mucho para mejorar las cámaras interruptoras y se utilizaron diseños mejorados en bobinas de alta potencia, y las cámaras interruptoras de martillo solo se usaron en bobinas pequeñas con chispas de menos de 8". [13] Léon Foucault y otros desarrollaron interruptores que consisten en una aguja oscilante que se sumerge dentro y fuera de un recipiente de mercurio [1] El mercurio estaba cubierto con una capa de alcohol que extinguía el arco rápidamente, provocando una conmutación más rápida. Estos a menudo eran impulsados por un electroimán o motor separado, [1] que permitía la velocidad de interrupción y la "permanencia". El tiempo debe ajustarse por separado de la corriente primaria.
Las bobinas más grandes utilizaban interruptores de turbina electrolítica o de mercurio. [1] El interruptor electrolítico o Wehnelt, inventado por Arthur Wehnelt en 1899, consistía en un ánodo corto de aguja de platino 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 interrupciones por segundo. Eran los preferidos para alimentar tubos de rayos X. Producían mucho calor y por eso el hidrógeno podía explotar. Los interruptores de turbina de mercurio tenían una bomba centrífuga que rociaba una corriente 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]
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La bobina de inducción fue el primer tipo de transformador eléctrico . Durante su desarrollo entre 1836 y la década de 1860, principalmente mediante prueba y error, los investigadores descubrieron muchos de los principios que regían todos los transformadores, como la proporcionalidad entre vueltas y 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 de 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 de forma independiente 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 de '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 extinción. [1] [29] [30] Heinrich Ruhmkorff generó voltajes más altos al aumentar considerablemente la longitud del secundario, [1] en algunas bobinas usó 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 IEEE Milestone en 2006. [38]
Se utilizaron bobinas de inducción para proporcionar alto voltaje para las primeras descargas de gas y tubos Crookes y otras investigaciones de alto voltaje. También se utilizaban para proporcionar entretenimiento (encender tubos Geissler , por ejemplo) y para accionar pequeñas "bobinas impactantes", bobinas de Tesla y dispositivos de rayos violetas utilizados en la medicina curandera . Fueron utilizadas por Hertz para demostrar la existencia de ondas electromagnéticas, tal como lo predijeron James Clerk Maxwell y Lodge y Marconi en las primeras investigaciones sobre las ondas de radio. Su mayor uso industrial fue probablemente en los primeros transmisores de radio de chispas de telegrafía inalámbrica y para alimentar los primeros tubos de rayos X de cátodo frío desde la década de 1890 hasta la década de 1920, después de lo cual fueron suplantados en ambas aplicaciones por transformadores de CA y tubos de vacío . Sin embargo, su mayor uso fue como bobina de encendido o bobina de chispa en el sistema de encendido de motores de combustión interna , donde todavía se usan, aunque los contactos interruptores ahora son reemplazados por interruptores de estado sólido . Se utiliza una versión más pequeña para activar los tubos de flash utilizados en cámaras y luces estroboscópicas .
El interruptor electrolítico consta de 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 pulgadas. [sic] El terminal negativo o cátodo está hecho de plomo y debe tener un área de aproximadamente 1 pie cuadrado. Cuando este interruptor está conectado en serie con el primario de una bobina de inducción y una fuente de fuerza electromotriz de unos 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 lo identifica como interruptor Wehnelt.