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Qu es un inductor? Cuando un conductor de electricidad es recorrido por una corriente elctrica, alrededordel mismo se genera un campo magntico similar al campo magntico terrestre.

El campo magntico es por supuesto invisible a los sentidos de un ser humano y no tienenmanifestaciones evidentes de su existencia como el campo elctrico. En efecto, si nosotros tomamosnuestras bolitas metlicas y les aplicamos una tensin creciente llegar el momento en que seproducir un arco elctrico con manifestaciones luminosas y acsticas muy evidentes, queseguramente al lector le recordaran a Frankeisten.

Se podra decir que no es en realidad una manifestacin del campo elctrico lo que estamospercibiendo sino justamente su ruptura cuando los electrones tienen suficiente energa como parasaltar el espacio aislante entre las esferas. Pero lo cierto es que se produce un arco en el lugar dondese estaba desarrollando el campo elctrico.

En cambio Ud. puede tomar un conductor hacerle pasar una corriente creciente por el y no se va aproducir ninguna manifestacin evidente del campo magntico aunque la corriente llegue a valoresmuy grandes.

Si queremos estar seguro de que se produce un campo magntico debemos hacerlo utilizando algndispositivo sensible al campo magntico y por ahora el nico que conocemos es la famosa brjula.

Todo aquello que se puede aprender con la experiencia realizada en un trabajo prctico no debedejar de realizarse jams. As que vamos a relatar como realizar un trabajo prctico muy interesanteutilizando una brjula y la red de energa elctrica domiciliaria.

Trabajo prctico sobre electromagnetismoVamos a necesitar:

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El inductor Electrnica completa http://electronicacompleta.com/lecciones/el-inductor/

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una brjulaun artefacto elctrico de elevado consumo como por ejemplo una estufa o una plancha

Como primera medida Ud. debe construir un pequeo prolongador para la red domiciliaria; con un 1metro de longitud construido con cable de 1,5 a 3 mm2 de seccin es suficiente. La nicacaracterstica especial de este cable es que debe tener sus conductores no paralelos (deben serconductores simples y no formando un par o abrir el par cortado el aislante plstico que los une).

Imaginemos que usa una estufa elctrica. Coloque la brjula sobre la mesa y orintela con la puntaroja hacia el norte. Acerque uno de los cables del par del prolongador a la brjula. Conecte la estufay observar una fuerte oscilacin de la aguja indicando que el campo magntico terrestre sufri unagrave variacin.

Por ultimo le pedimos que tome el conductor y lo enrosque sobre si mismo generando un rulo deunos 10 cm y unas 10 vueltas. Ahora realice la misma experiencia orientando el rulo en diferentesposiciones. Observe que el efecto se multiplica es decir que el campo magntico generado serefuerza con cada espira del rulo. Lo que acabamos de construir es un inductor o bobina elementalcon ncleo de aire.

En la figura 1 se puede observar un conductor elctrico y la forma del campo magntico que segenera a su alrededor.

(http://electronicacompleta.com/lecciones/el-inductor/attachment/inductor-1/)

Fig.1 Campo magntico alrededor de unconductor

Cuando este conductor se enrolla sobre si mismo el campo magntico de una espira se refuerza conel campo magntico de la espira anexada y as sucesivamente hasta lograr un campo magnticoreforzado.

del-tv-plasma-3/index.htm


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El inductor en corriente continua (CC)Antes de analizar al inductor recordemos las caractersticas de un capacitor.

Si Ud. carga a un capacitor y lo asla de toda carga el capacitor quedar cargadopermanentemente; es decir que el capacitor es un componente que retiene la carga.Si se conecta un capacitor a una fuente de tensin sabemos que la tensin sobre el capacitorvariar suavemente de modo que debe transcurrir un tiempo hasta que el capacitor se cargue.Esto significa que un capacitor se opone a los cambios de tensin, si esta descargado quiereseguir estndolo y recin despus de tener aplicada una corriente aumenta la tensin sobre eldependiendo de la capacidad del capacitor.Si Ud. pretende cargar un capacitor rpidamente conectndolo sobre una batera, el capacitorprotesta generando una chispa de corriente (rojiza) que inclusive puede arrastrar material de losalambres de conexin.

El inductor tiene caractersticas absolutamente inversas. Si Ud. lo conecta directamente a una fuenteno se producen chispas porque la corriente aumenta lentamente, dependiendo de la inductancia delinductor.

Se puede decir, que un inductor se opone a los cambios de la corriente que circula por l generando unatensin inversa a la de la fuente.

Esta tensin tiene inclusive un nombre: se llama fuerza contraelectromotriz. El laboratorio virtualLive Wire nos permite realizar un trabajo prctico virtual muy instructivo para visualizar la corrientecirculante por un inductor sometido a la accin de una batera.

As como utilizamos un osciloscopio para visualizar la tensin sobre un capacitor usaremos unosciloscopio para medir la corriente que circula por un inductor. Pero el osciloscopio solo responde alas variaciones de tensin y nosotros queremos ver variaciones de corriente. Existe algncomponente que entregue una tensin proporcional a la corriente que lo circula? Existe, y Ud. ya loconoce, se llama resistor. En efecto un resistor genera sobre l una tensin igual a la corriente que locircula multiplicado por la resistencia del resistor es decir

I = V . R

Pero Ud. se preguntar si el agregado de un resistor en el circuito no modifica las caractersticas delmismo hacindole perder validez al trabajo prctico. La respuesta es que todo depende del valor delresistor agregado. Si este es muy pequeo es como si no hubiramos agregado nada; el resistor seobserva pero no influye en las ecuaciones del circuito. Por otro lado como un inductor es uncomponente bobinado con un alambre de cobre y ese alambre tiene cierta resistencia es como siestuviramos aumentando la resistencia del propio bobinado. En la figura 2 se puede observar elcircuito de nuestro trabajo prctico en LW.



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Fig.2 Corriente por un inductor

Nuestro circuito es simplemente un inductor de 1 Hy (unidad de medida de la inductancia) conectadoa una batera de 1V mediante una llave. Tambin tiene un resistor de 1 Ohm en donde se medir latensin con intencin de averiguar el valor de corriente circulante. Nota: este resistor de pequeovalor se llama shunt y para que no afecte significativamente al funcionamiento del circuito la cadade tensin sobre l debe ser 100 veces menor a la tensin sobre el inductor (en nuestro caso no debesuperar los 10 mV equivalente a una corriente circulante de 10 mA).

Antes de encender la simulacin predisponga la velocidad del LW haciendo tools > simulation >timing control y poniendo 1mS como Timing base.

Luego de arrancar la simulacin y cuando el haz llega a los 2 mS se cierra la llave SW1 por mediodel mouse o pulsando la tecla A que fue elegida para operarla. De inmediato se observa que el hazrojo da un salto vertical hasta la tensin de batera (que en nuestro caso queda fuera de escala) yque el haz azul representativo de la corriente comienza a crecer lenta y linealmente a razn de 1mV/mS lo cual significa un incremento de la corriente de 1 mA/mS o lo que es lo mismo 1 A/S.

Justamente elegimos estos valores para definir al inductor de 1 Hy como aquel en que la corrientecrece a razn de 1A/S cuando se le aplica una tensin de 1V.

Ahora empleando el mismo circuito vamos a apreciar la caracterstica mas distintiva del inductor quees su caracterstica de elevar la tensin de la batera debido a la generacin de la fuerza contraelectromotriz. Como ya sabemos el inductor no quiere que la corriente que circula por l tengacambios bruscos. La corriente siempre variar con suavidad cuando hay un inductor en el circuito apesar de que Ud. cambie el circuito exterior tan drsticamente como el de nuestro ejemplo. En efectola llave SW1 estar cerrada por un tiempo determinado haciendo que la corriente aumente hasta esemomento. Al abrir la llave el inductor trata de que la corriente no vare bruscamente pero seencuentra con la imposibilidad de hacerlo debido a que nuestro circuito con la llave abierta esprecisamente un circuito abierto y por un circuito abierto no puede circular corriente. El inductorlleno de energa magntica solo tiene un recurso por emplear. Aumentar la tensin hasta que salte unarco por la llave y as mantener la corriente lo mas invariable que pueda.

Ser posible simular esta condicin de falla? Solo tenemos que modificar la escala de tensin denuestro grafico para darle lugar a que se aprecie una sobretensin negativa de la tensin de batera.



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Luego deje la llave cerrada por 10 mS aproximadamente y brala con el mouse o con la tecla A dela PC.


Fig. 3 Fenmeno de la sobretensin en uninductor

Como podemos observar se produce un pulso de tensin negativa de unos 550V que en una llave realproducira un arco de tensin (azulado, con forma de rayo y saltando entre los dos contactos). Estees un fenmeno real que cuando se produce en forma indeseada puede alterar muchos componentesdel circuito.

El inductor como acumulador de energamagnticaAhora vamos a hablar de una caracterstica del inductor que es su capacidad de almacenarenerga. Si Ud. conecta un capacitor a una batera por medio de un resistor este despus de uninstante de tiempo queda cargado a la tensin de la batera. Si lo retira de la batera no se descargaporque el aire no puede conducir la electricidad y no hay efectos de sobretensin. El equivalentepara cargar un inductor es hacerle circular una corriente y luego ponerlo en cortocircuito sin pasarpor el circuito abierto. Esta es una condicin difcil de lograr pero suponiendo que pudiera lograrseUd. no podr mantener cargado un inductor real por una razn muy concreta. El conductor con elque esta construido es de cobre y el cobre tiene una resistencia considerable que se calientatransformando la energa magntica acumulada en calor.

Por estas razones los tcnicos suelen confundir los hechos y no consideran al inductor como undispositivo capaz de almacenar energa. Pero el inductor al ser un smil del capacitor espotencialmente un acumulador de energa (magntica en lugar de elctrica) y solo basta con construirun inductor real tan cercano del ideal como los capacitores reales lo son de los ideales, y porsupuesto encontrar un circuito de carga adecuado que mantenga al inductor cerrado con unaresistencia nula.



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Hace un tiempo una universidad de EEUU realiz un experimento real usando alambressuperconductores y el inductor cargado magnticamente recorri varias universidades en diferentesestados sin descargarse.

Combinando un inductor con un capacitor yun resistorHasta ahora nuestros circuitos tenan tan solo dos componentes; R y C ahora intentaremos conectarun tercer componente el L para analizar un fenmeno fundamental de la electrnica que nos permitarealizar la experiencia de Guillermo Marconi que fue el primero en transmitir a distancia una sealde radio modulada por cdigo Morse (el primer telgrafo sin hilos de la historia) y que es la base detoda la electrnica moderna.

En la figura 4 se puede observar nuestro circuito bsico para construir un transmisor que aun nosabemos lo que es, auque todos los das recibimos seales de TV o de radio basadas en el proyectoque estamos encarando aunque obviamente se trata de transmisores mas sofisticados.


Fig.4 Transmisor similar a los de Marconicon llave mecnica

Ud. puede observar solo dos componentes. El tercero existe internamente en el inductor y es laresistencia de su bobinado. El capacitor est conectado a una llave mecnica que genera una tensincontinua de 0 o de 9V de acuerdo a su posicin. El grafico esa llave se opera cada 500 uS. Alsegundo cero la llave est en la posicin inferior de 0V permaneciendo all hasta los 500 uSmomento en que el grfico azul indica 9V hasta los 1000 uS en que vuelve a cambiar de estado.Nota: cuando la llave est en cero volt el trazo se pierde detrs del trazo rojo.

Pero lo mas importante es lo que se observa como una oscilacin despus de cada cambio de estado.



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En el grfico indicado no se puede observar con detalle la forma de variacin de la seal por eso enla figura 7.5.2 se puede observar el eje de tiempos ampliado a 2 mS por divisin en donde se apreciala verdadera forma.


Fig.5 Oscilacin amortiguada

La forma de onda mostrada se llama oscilacin amortiguada y se debe a la interaccin del capacitorcon el inductor. En principio vamos a tratar de entender como se produce esta seal (el terminoseal se emplea para indicar tensiones o corrientes variables en el tiempo, en donde esas variacionespuedan emplearse para transmitir informacin de algn tipo).

Durante la primer parte del ciclo, la llave que esta hacia arriba, produce la carga rpida del capacitordesde la fuente a travs de la resistencia interna de la misma y el inductor. Esto queda indicado porel trazo del haz azul que indica la tensin despus de la llave y que se observa fijo en 9V. Observeque en este caso la tensin sobre la bobina (haz rojo) indica una tensin nula.

A los 3,5 uS se mueve la llave y el capacitor se conecta a masa con lo cual su carga se aplica alinductor. El capacitor observa que tiene una carga conectada sobre el y le hace circular una corrienteque depende del la tensin acumulada (tensin de fuente en nuestro caso 9V) con el negativo sobreel vivo del inductor y el negativo sobre la masa. Un instante despus toda la energa elctrica delcapacitor se descarg y el haz rojo llega nuevamente a cero. Pero que el capacitor est descargadono significa que no haya energa acumulada en el circuito. En efecto, en ese momento el campomagntico sobre el inductor es mximo porque toda la energa elctrica (capacitor) se transform enenerga magntica (inductor) debido a la ley de conservacin de la energa que indica que la energano puede desaparecer. Ahora el inductor cargado debe descargarse y solo tiene conectado sobre simismo un capacitor as que el capacitor se carga ahora con un pico de tensin positiva y as secontinuara hasta el infinito si no fuera porque el inductor tiene una resistencia debido a alambreconductor y en ella se genera energa trmica (calor). Por esa razn los ciclos de intercambio deenerga son cada ves menores hasta que la energa electromagntica termina convirtindoseintegramente en calor.

Ley de Thomson

Este trabajo prctico es suficientemente enriquecedor como para que podamos deducir comprobarfcilmente una formula muy importante de la electrnica que nos indica a que velocidad se producenlos intercambios energticos. Esta formula se llama frmula de Thomson y nos indica la duracin de



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cada ciclo de intercambio desde un pasaje ascendente por cero hasta el siguiente (en nuestro caso de1 uS leyndolo de la grfica). Nosotros no vamos a demostrar la ley de Thomson que esta basada enlas ecuaciones del capacitor y el inductor, solo vamos a indicarla como:

T = 2 LC

Aplicada a nuestro circuito y utilizando potencias de 10 se puede obtener que T es aproximadamenteigual a 1 uS. (en realidad sera exactamente 1 uS si pudiramos utilizar capacitores de 500 pF enlugar de 470 pF).

Pero si Ud. observa el dial de una radio de onda media o OM (en Argentina onda larga o OL) verque no est marcada en uS sino Hz o ciclos por segundo dando lugar a un concepto denominadofrecuencia de una seal. Si una seal dura 1 uS significa que se repetir 1 milln de veces duranteun tiempo de 1 S. Esto se obtiene por una simple regla de tres simple que indica:

Si un ciclo dura un tiempo

T = 1 uS

en un segundo se producirn 1/T = 1.000.000 de ciclos o un milln de ciclos o 1 Mc/Seg o un MHzen honor al cientfico que estudi el fenmeno que se llamaba Hertz.

Como el lector observara 1 MHz es equivalente a 1.000 KHz y esa es la frecuencia del centro de labanda de OL que se puede captar con cualquier radiorreceptor casero. Y que ser lo que se escuchecuando nuestra emisora se sintonice en una radio? Se va a escuchar un silenciamiento por un instantecada ves que se opere la llave SW2.

Para escuchar un tono audible es necesario mover la llave con un periodo audible. Por ejemplo untono de 2 KHz equivale a un periodo de 1/2.000 avo de segundo o 500 uS cosa que evidentementeno podemos realizar a mano. Por esa razn se debe cambiar el circuito en la seccin de la llaveutilizando una fuente de tensin que cambie de 0 a 9V a un ritmo programable y que aun noconocemos. Esta fuente de tensin se llama generador de funciones.

Generador de funciones

Un generador de funciones es una fuente de alimentacin (como una batera) pero cuya tensin vara a lo largodel tiempo.

Existe tres formas de seal fundamentales que son la rectangular, la triangular y la sinusoidal.Nosotros conocemos ya a dos de ellas la rectangular y la sinusoidal porque estn presentes ennuestro transmisor (o generador de seales de radiofrecuencias).

En la figura 6 se puede observar el frente del generador de funciones que posee el LW y que



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nosotros vamos a anexar a nuestro circuito. Bsquelo haciendo Gallery > input component > Signalgenerator.


Fig.6 Generador de funciones

Observe en el centro del instrumento, all existe un dibujo de la forma de seal de salida. La primeraes una seal senoidal que es la misma que vimos en nuestro trabajo practico virtual pero que en estecaso no es amortiguada sino permanente. La segunda es la seal rectangular que nosotrosgenerbamos a mano con la llave; la tercera es la seal triangular que es una sucesin de rampasobtenidas por carga y descarga de un capacitor y la ultima es una seal con forma aleatoria querepresenta el ruido que puede generar por ejemplo un TV sobre el parlante cuando est fuera decanal (lluvia).

En la parte superior se puede observar el nmero de posicin del generador en el circuito y unaventana en blanco para colocar algn comentario. Luego debajo de los botones de forma de seal sepuede observar las caractersticas mas importante del generador como la tensin y la frecuencia. Lepedimos al alumno que conecte un osciloscopio al generador y observe las seales que entrega elgenerador variando todos los parmetros para conocerlo mejor. No se olvide de predisponer el timecontrol de acuerdo al periodo de la seal a observar.

Generador de RF moduladaPpara reparar una radio hace falta un generador de AM que cubra la banda de OL. Con losconocimientos adquiridos hasta aqu y los que vamos a adquirir en las prximas lecciones dondeaprenderemos a programar un microprocesador PIC Ud. va a aprender a construir este generador deAM aun antes de saber que es un transistor.

Para terminar esta leccin vamos a modificar el circuito de nuestro trabajo practico virtual quitandola llave que manejbamos a mano y agregando un generador de funciones.



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Fig.7 Generador de RF con generador defunciones

Nuestro generador de RF consta ahora de los dos componentes anteriores C1 y L1 cuya frecuenciade resonancia segn la formula de Thomson los hace generar oscilaciones de 1 MHz en el medio dela banda de OL. Estas oscilaciones no son permanentes sino que tienen forma de sinusoideamortiguada. Es como si nuestra emisora de radio no estuviera permanentemente encendida sino quese encendiera a plena potencia cada 500 uS (semiperiodo de la seal entregada por el generador defunciones XSG1) y luego se atenuara generando unos 20 o 30 ciclos con potencia decreciente.

En realidad el tiempo de decaimiento real que tendremos en nuestro prototipo va a ser seguramentemuy superior de acuerdo a la construccin del inductor L1. Si el inductor se construye con unaalambre grueso y de poca resistencia seguramente su componente resistiva va ser muy pequea y vaa ser prcticamente un inductor ideal que genere poca amortiguacin y prcticamente va apermanecer excitado los 500 uS. En la figura 8 se puede observar como se vera la seal sobre elinductor real con un osciloscopio real.




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Fig. 8 Oscilograma real sobre L1

Seguramente el alumno estar pensando en este momento Todo muy lindo y parece muy simplegenerar un seal de radio modulada en AM, pero de donde saco un generador de funciones? En laprxima leccin le vamos a explicar como realizar un generador de funciones programable con unmicroprocesador que cuesta algo de 1,5 U$S para comenzar introducirse en el mundo de las tcnicasdigitales y construir un instrumento prctico para nuestro taller que genere seales de audio y RFmodulada.

ConclusionesLos clsicos cursos bsicos de electrnica sin laboratorios virtuales y para componentes clsicosacostumbraban a tratar los temas con un orden totalmente diferente al que estamos empleandonosotros. Mi experiencia me indica que ese modo de ensear la electrnica est muerto y enterrado.La electrnica actual requiere una velocidad de aprendizaje que el concepto antiguo no puedeadoptar.

En un curso clsico antes de comenzar con los microprocesadores el alumno deba aprender toda laelectrnica analgica clsica, es decir que se mencionaban y estudiaban tericamente todos loscomponentes activos como los transistores, diodos y circuitos integrados analgicos y recin despusse pasaba a mundo de los circuitos digitales como compuertas y microprocesadores programables.

Seguramente los docentes que estn siguiendo este curso se estarn quemando las vestiduraspensando a donde quiero llegar con esta forma de ensear que revierte todo la metodologa clsica.Quiero llegar a interesar al alumno, para que haga lo nico que no se puede lograr con los mtodosclsicos, aprender armando dispositivos que funcionen, que sean tiles y didcticos para aprendertrabajando que es la mejor forma de aprender. Y que esa etapa del armado, est tan al comienzo delcurso como sea posible. As espero evitar deserciones y aumentar el inters de los mas jvenes queson siempre de los mas inquietos y deseosos de experimentar.

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