Bobina

Bobina

Principii de baza

La trecerea unui curent electric printr-un conductor se va forma tot timpul un camp magnetic in jurul acestuia. Acest efect poarta numele de electromagnetism. Campurile magnetice modifica alinierea electronilor din atomi si pot duce la aparitia fortelor fizice intre atomii, prin spatiul liber dintre ei, la fel ca in cazul campurilor electrice ce iau nastere intre particulele incarcate electric. Precum campurile electrice, cele magnetice pot ocupa spatiul dintre corpuri si pot afecta materia la distanta.

Inertia electronilor

Pe cand un flux electric dintre doi conductori permite acumularea electronilor liberi in cadrul acelor conductori (vezi condensatorul), un flux magnetic permite acumularea unei anumite "inertii" de deplasare a electronilor prin conductorul ce produce campul.

Definitie

Bobinele sunt componente special concepute, pentru a profita de fenomenul electromagnetismului, sub forma unei infasurari de material conductor. Aceasta forma suporta un camp magnetic mai intens decat cel produs de un simplu fir. Unele infasurari ale bobinelor sunt realizate in jurul unui anumit tip de material, denumit miez. Miezul unei bobine poate fi drept, sau poate forma un drum inchis (patrat, rectangular, circular) pentru mentinerea completa a fluxului magnetic. Toate aceste optiuni de proiectare au efect final asupra performantelor si caracteristicilor bobinelor.

Simbolul bobinei

Simbolul unei bobine, precum cel al condensatorului, este simplu, reprezentand infasurarea conductorului. Desi o infasurare generala este simbolul oricarei bobine, cele cu miez sunt cateodata deosebite de celelalte prin adaugarea a doua linii paralele cu axa sa. Un simbol mai nou pentru bobina nu mai reprezinta infasurarea propriu-zisa, ci se limiteaza la reprezentarea catorva "cocoase" in serie:

Comportamentul si functionarea bobinei in circuit

Curentul electric produce un camp magnetic concentrat in jurul bobinei, iar acest flux magnetic reprezinta o stocare de energie cinetica datorata deplasarii electronilor prin infasurare. Cu cat valoarea curentului prin bobina este mai mare, cu atat va fi mai puternic campul magnetic si cu atat mai mare va fi energia stocata de bobina.

Datorita faptului ca bobinele stocheaza energia cinetica a electronilor ce se deplaseaza prin infasurare sub forma campului magnetic, comportamentul acestor dispozitive este foarte diferit de cel al rezistorilor (care pur si simplu disipa energia sub forma de caldura) dintr-un circuit.

Energia stocata dintr-o bobina depinde de cantitatea de curent ce o strabate. Abilitatea unei bobine de a stoca energie in functie de curent se traduce printr-o tendinta de mentinere constanta a curentului ce o strabate. Cu alte cuvinte, bobinele tind sa se opuna variatiei curentului. Atunci cand valoarea curentului printr-o bobina creste sau descreste, aceasta "rezista" variatiei producand o tensiune la bornele sale de polaritate opusa variatiei.

Stocarea si eliberarea energiei

Pentru a stoca energie intr-o bobina, curentul prin aceasta trebuie sa creasca. Acest lucru inseamna ca si campul magnetic trebuie sa creasca in forta, iar aceasta variatie a fortei campului produce la randul ei o cadere tensiune conform principiului (auto)inductiei electromagnetice. De asemenea, pentru a ceda energia stocata intr-o bobina, curentul prin aceasta trebuie sa scada. Acest lucru inseamna ca si campul magnetic trebuie sa descreasca in forta, iar aceasta variatie a campului magnetic auto-induce o cadere de tensiune de polaritate opusa.

"Legea de miscare" a bobinei

Asemenea legii de miscare a lui Newton ("un obiect in miscare tinde sa ramana in miscare; un obiect in repaos tinde sa ramana in repaos") ce descrie tendinta corpurilor de a se opune variatiei vitezei, putem defini tendinta unei bobine de a se opune variatiei curentului astfel: "Electronii ce se deplaseaza printr-o bobina tind sa ramana in miscare; electronii ce se afla in repaos intr-o bobina tind sa ramana in repaos." Teoretic, o bobina scurt-circuitata va mentine o valoare constanta a curentului la bornele sale fara niciun ajutor extern

Practic insa, abilitatea unei bobine de sustinere individuala a unui curent la bornele sale se poate realiza doar cu ajutorul firelor supraconductoare, deoarece rezistenta inerenta oricarui conductor normal este suficienta pentru disiparea rapida a puterii din circuit si descresterea curentului, atunci cand nu exista o sursa de putere in circuit

Incarcarea bobinei; bobina ca o sarcina

Cand curentul printr-o bobina creste, aceasta va genera o cadere de tensiune in directia opusa deplasarii electronilor, comportamentul fiind asemenea unei sarcini. In aceasta situatie, spunem ca bobina se incarca, deoarece energie stocata sub forma de camp magnetic creste. Observati polaritate tensiuni fata de directia curentului.

Descarcarea bobinei; bobina ca o sursa de putere

Atunci cand curentul prin bobina descreste, caderea de tensiune generata de aceasta este indreptata spre directia de deplasare a electronilor, comportamentul fiind asemenea unei surse de putere. In aceasta situatie, spunem ca bobina se descarca, deoarece stocul de energie descreste, fiind eliberata in circuitul extern. Observati polaritatea caderii de tensiune fata de directia curentului.

Inductanta (L)

Masura capacitatii unei bobine de stocare a energiei pentru o anumita valoare a curentului poarta numele de inductanta. Inductanta masoara si intensitatea opozitiei variatiei de curent (valoarea tensiunii auto-induse pentru o anumita rata de variatie a curentului). Simbolul acesteia este "L", iar unitatea de masura este Henry, prescurtat "H".

Observatie

Daca conectam bursc o bobina nemagnetizata la o sursa de putere, bobina va rezista initial curgeri electronilor prin generarea unei caderi de tensiune egala cu cea a sursei. Pe masura ce curentul incepe sa creasca, se va crea un camp magnetic din ce in ce mai puternic ce absoarbe energie de la sursa. Eventual, curentul atinge valoarea maxima si cresterea sa se opreste. In acest moment, bobina nu mai absoarbe energie de la sursa, iar caderea de tensiune la bornele sale este minima (tinde spre zero) (curentul ramane la valoarea sa maxima).

Pe masura ce o bobina stocheaza o cantitate mai mare de energie, curentul prin aceasta creste, iar caderea de tensiune scade. Observati ca acest comportament este exact opus comportamentului condensatorului, acolo unde stocarea energiei duce la cresterea caderii de tensiune pe component! Condensatoarele stocheaza energia prin mentinerea unei tensiuni statice intre armaturile sale, iar bobinele stocheaza energie prin mentinerea unui curent prin infasurarile lor.