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] 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 , también de forma independiente por el inventor estadounidense Charles Grafton Page , [1] la bobina de inducción fue el primer tipo de transformador. Fue ampliamente utilizada en máquinas de rayos X , [1] [6] transmisores de radio de chispa , [1] [6] iluminación de arco y dispositivos de electroterapia médica de charlatán 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 .
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 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 suele ser de muchos miles de voltios . Este voltaje suele ser suficiente para provocar una chispa eléctrica , que salta 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 10 cm (4 pulgadas) podría producir una chispa de 10 cm (4 pulgadas). Hasta el desarrollo del osciloscopio de rayos catódicos , esta era la medida más fiable del voltaje pico de estas 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 que la bobina funcione de forma continua, la corriente de alimentación de CC debe conectarse y desconectarse repetidamente para crear los cambios de campo magnético necesarios para la inducción. [1] Para ello, las bobinas de inducción utilizan 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 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 generar nuevamente el campo magnético. Todo el proceso comienza de nuevo y se repite muchas veces por segundo. La tensión secundaria 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 "interrumpe" el circuito y "cierra" el circuito. Sin embargo, el cambio de corriente en el primario es mucho más abrupto cuando el interruptor "interrumpe". Cuando los contactos se cierran, la corriente se acumula lentamente en el primario porque la tensión de alimentación tiene una capacidad limitada para forzar el paso de 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 de repente. Por lo tanto, el pulso de voltaje inducido en el secundario en la "ruptura" es mucho mayor que el pulso inducido en el "cierre", es la "ruptura" la que genera la salida de alto voltaje de la bobina.
En los contactos del interruptor, al interrumpirse, se forma un arco que tiene efectos indeseables: el arco consume la energía almacenada en el campo magnético, reduce el voltaje de salida y daña los contactos. [11] Para evitarlo, se conecta un condensador de extinción (C) de 0,5 a 15 μF a través de la bobina primaria para ralentizar el aumento del voltaje después de una interrupción. El condensador y el devanado primario forman juntos un circuito sintonizado , por lo que, al interrumpirse, fluye una onda sinusoidal amortiguada de corriente en el primario y, del mismo modo, induce una onda amortiguada en el secundario. Como resultado, la salida de alto voltaje consta de una serie de ondas amortiguadas (izquierda) . [ cita requerida ]
Para evitar que los altos voltajes generados en la bobina rompan el fino aislamiento y provoquen arcos eléctricos 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 con 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 revestimiento grueso de papel o caucho. [1] Luego, cada subbobina secundaria se conecta a la bobina de al lado y se desliza sobre el núcleo de hierro, aislado de las bobinas adyacentes 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 como para que se produzca un arco eléctrico. Para darle a toda la bobina un revestimiento aislante final, se sumerge en cera de parafina o colofonia derretida ; se evacua el aire para garantizar que no queden burbujas de aire en el interior y se deja que la parafina se solidifique, por lo que toda la bobina queda revestida de cera.
Para evitar las corrientes parásitas , que provocan pérdidas de energía, el núcleo de hierro está formado por 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 perpendiculares al eje magnético, están 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 desde el secundario al primario o al núcleo.
Aunque las bobinas de inducción modernas que se utilizan con fines educativos utilizan el interruptor de tipo "martillo" con brazo vibratorio descrito anteriormente, estos eran inadecuados para alimentar las grandes bobinas de inducción que se utilizaban en los transmisores de radio de descarga de chispas y en las máquinas de rayos X a principios del siglo XX. En las bobinas potentes, la alta corriente primaria creaba arcos en los contactos del interruptor que destruían rápidamente los contactos. [1] Además, dado que cada "corte" produce un pulso de voltaje desde la bobina, cuantas más interrupciones haya 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 que se utilizaban en bobinas potentes estaban limitados a 20-40 cortes por segundo.
Por lo tanto, se invirtió mucha investigación en mejorar los interruptores y se utilizaron diseños mejorados en bobinas de alta potencia, con los interruptores de martillo solo utilizados en bobinas pequeñas con chispas de 8". [13] Léon Foucault y otros desarrollaron interruptores que consistían en una aguja oscilante que se sumergía dentro y fuera 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 impulsados por un electroimán o motor separado, [1] que permitía que la tasa de interrupción y el tiempo de "permanencia" se ajustaran por separado de la corriente primaria.
Las bobinas más grandes usaban 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 daba como resultado 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 debido a esto 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, los investigadores descubrieron, principalmente por ensayo y error, muchos de los principios que regían a todos los transformadores, como la proporcionalidad entre espiras y 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 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 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 accionados manualmente, 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 al aumentar 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 del secundario dividido 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 del IEEE en 2006. [38]
Las bobinas de inducción se utilizaron para proporcionar alto voltaje para las primeras descargas de gas y tubos de Crookes y otras investigaciones de alto voltaje. También se utilizaron para proporcionar entretenimiento (iluminación de tubos Geissler , por ejemplo) y para accionar pequeñas "bobinas de choque", bobinas de Tesla y dispositivos de rayos violeta utilizados en la medicina de curanderos . Fueron utilizadas por Hertz para demostrar la existencia de ondas electromagnéticas, como predijo James Clerk Maxwell y por Lodge y Marconi en la primera investigación sobre ondas de radio. Su mayor uso industrial fue probablemente en los primeros transmisores de radio de descarga de chispa de la 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 mayor uso fue como bobina de encendido o bobina de chispa en el sistema de encendido de motores de combustión interna , donde todavía se utilizan, aunque los contactos del interruptor ahora se reemplazan por interruptores de estado sólido . Una versión más pequeña se utiliza para activar los tubos de flash utilizados en cámaras y luces estroboscópicas .
consiste en un recipiente que contiene una solución de ácido sulfúrico diluido con dos terminales sumergidas en esta 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 un área de algo así como 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 colapso de burbujas en el electrodo de platino.La página 31 describe el interruptor electrolítico, pero no lo identifica como interruptor Wehnelt.