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Electricidad y Magnetismo 2010/2011
Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 1
Magnetostática
• Definición.
• El potencial vector magnético. Medios indefinidos. Propiedades.
• Ley de Biot y Savart.
• Ley de Ampère.
• Campo en puntos alejados. Momento magnético.
– Comportamiento en el infinito.
– Corrientes ligadas.
• Energía Magnética.
– Relación con las corrientes. Formación e Interacción.
– Sistemas de corrientes filiformes.
– Coeficientes de inducción. Autoinducción.
– Coeficientes de autoinducción de corrientes volumétricas.
• Fuerzas magnéticas. Efecto Hall
EyM 5d-1J.L. Fernández Jambrina
• Al estudiar el Teorema de Poynting se definió la Energía del Campo Magnético almacenada en un volumen V como:
– Si lo que se desea es calcular la energía asociada a una distribución, Vdebe abarcar toda la región en la que exista campo magnético: habitualmente todo el espacio.
– Observando esta expresión se intuye que la energía se encuentra almacenada en donde existe campo. Por tanto es posible definir una densidad de energía por unidad de volumen como:
– La energía de una distribución debe ser positiva. En el caso concreto de medios isótropos y lineales:
– Sólo toma el valor 0 si los campos son nulos.
Energía del Campo Magnético Estacionario
∫∫∫ ⋅=V
m dVHBWrr
2
1
HBdV
dWmrr
⋅=2
1
02
1
2
1
2
1 22
≥µ
=µ=⋅= BHHBdV
dWmrrrr
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-2
Electricidad y Magnetismo 2010/2011
Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 2
Relación Energía - Corrientes
• Puesto que el campo magnético tiene su origen en las corrientes, es interesante relacionarlas con la energía.
– Como punto de partida conviene recordar que:
– y sustituyendo en la expresión de la energía:
– Si el campo cumple las condiciones de regularidad en el infinito la primera de las integrales se cancela:
» al hacer tender la superficie S al infinito
• Por tanto:
– V se puede limitar al volumen en que hay corrientes.
∫∫∫ ⋅=J
Vm dVJAW
rr
2
1
( ) ( ) JAHABHJHAB
HAAHHA rrrrrrrrrr
rrrrrr
⋅+×⋅∇=⋅⇒
=×∇×∇=
×∇⋅−×∇⋅=×⋅∇
;
( ) ( ) ∫∫∫∫∫∫∫∫∫∫∫ ⋅+⋅×=⋅+×⋅∇=VSVV
m dVJASdHAdVJAdVHAWrrrrrrrrr
2
1
2
1
2
1
2
1
( ) ( ) 01
,1
,1
3
2
32=⋅×⇒∝⋅×⇒∝∝∝ ∫∫∫∫
∞→ SSSSSdHAlim
rSdHArS
rB
rA
rrrrrrrr
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-3
∫∫∫∫∫∫ ⋅+⋅+⋅=CS
SV
m ldAI
dSJAdVJAWrrrrrr
22
1
2
1
( ) ( )( ) ( )
∫∫∫ ∫∫∫∫∫∫
∫∫∫′
′−⋅′
πµ
=⇒
⋅=
′′−
′
πµ
=
V Vm
Vm
V
dVVdrr
rJrJW
dVJAW
Vdrr
rJrA
rr
rrrr
rr
rr
rrrr
8
2
1
4
( ) ( )∫ ∫∫∫ ∫∫ ′′ ′−
⋅′
πµ
=′′−
⋅′
πµ
=C C
mS S
SSm
rr
ldldIWdSSd
rr
rJrJW rr
rr
rr
rrrr
88
2
Relación Energía - Corrientes (2)
• La expresión anterior puede generalizarse para el caso de corrientes superficiales y filiformes:
– Hay que mencionar que la expresión para corrientes filiformes conduce a una energía infinita. Esto no debe preocupar ya que se trata de una aproximación de corrientes que circulan por conductores muy delgados.
• Se puede seguir eliminando los campos de la expresión de la energía: Así para un medio lineal, isótropo, homogéneo e indefinido:
– Y para distribuciones superficiales y filiformes:
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Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 3
Energías de interacción y formación
• Los conceptos de energías de formación y de interacción son también aplicables a la energía asociada al campo magnético:
» Se puede demostrar que
siguiendo un procedimiento similar al seguido para demostrar:
– Las energías de formación deben ser positivas.
– Las energías de interacción pueden ser tanto positivas como negativas.
( ) ( )
⋅+⋅+⋅
⋅+⋅+⋅=
+⋅+
+=
∫∫∫∫∫∫∫∫∫
∫∫∫∫∫∫∫∫∫
∫∫∫
∫∫∫
+ 12121
212211
212211
2121
2
21
2
1
2
1
2
1
2
1
nInteracció2Formación1Formación
2
1
2
1
Total
VVV
VVV
VV
V
m
dVAJdVAJdVAJ
dVHHdVHHdVHH
dVAAJJ
dVHHW
rrrrrr
rrrrrr
rrrr
rrµµµµ
∫∫∫∫∫∫ ⋅=⋅21
1221
VV
dVAJdVAJrrrr
∫∫∫∫∫∫ ⋅=⋅=J
VVm dVJAdVBHW
rrrr
2
1
2
1
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-5
Energía magnética de una corriente filiforme.
• La energía magnética de una corriente filiforme es infinita.
– Si se escoge un elemento de longitud suficientemente pequeña como para considerarlo recto,El campo a una distancia D<∆R<<∆L será fundamentalmente el debido al propio elemento, considerado como de longitud infinita:
– La energía almacenada en esta región (cilindro) será:
– La energía es infinita en las proximidades de la corriente filiforme.
» Es decir, donde la aproximación de corriente filiforme no es válida.
∆L
∆R
z
( ) ϕπρ
≈ ˆ2
IrHrr
( ) ∞=−∆π∆µ
=ρρ
π∆µ
=
=ϕρρ
πρ
µ=
µ=∆
∫
∫ ∫ ∫∫∫∫∆
∆+ π ∆
∆
0lnln44
222
2
0
2
2
0 0
22 0
0
RLIdLI
dzddI
dVHW
R
Lz
z
R
V
H
r
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-6
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Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 4
Energía de interacción de sistemas de corrientes lineales
• Si se tiene un sistema de corrientes que pueda aproximarse por corrientes filiformes, la energía magnética de interacción entre dosde los contornos, Ci y Cj, toma la forma:
– Como el flujo a través de Ci del campo debido a Ij vale:
– Resulta:
– Es más, puesto que, para medios lineales, el campo total es la suma de los campos creados por cada corriente, la suma de las energías de interacción será:
I1
C1
Ik
Ck
IN
CN
∑ ∑∑ ∑
∑∑∫∫∫∫∑∫∫∑
=≠== +=
Φ=Φ=⇒
⇒Φ=⋅=⋅=⋅=Φ⇒=
N
i
N
ijj
jii
N
i
N
ij
jiim
j
ji
j S
j
S j
j
S
i
j
j
IIW
SdBSdBSdBBB
iii
1 1
,
1 1
,
,
2
1
rvrvrrvr
∫ ⋅=iC
ijijiH ldAIWrr
,
( ) ∫∫∫∫∫ ⋅=⋅×∇=⋅=ΦiC
iji
Sj
iS
jji ldASdASdBrrrrrr
,
jiijim IW ,, Φ=
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-7
Coeficientes de Inducción Mutua
• En medios lineales existe una relación de proporcionalidad entre la corriente y el campo que esta genera. Esta proporcionalidad, consecuencia de la linealidad de las ecuaciones de Maxwell, se extiende también al flujo.
– Este factor de proporcionalidad recibe el nombre de coeficiente de inducción: Li,j
– En función de Li,j la energía de interacción queda como:
– Recordando que:
Se obtiene fórmula de Neumann:
» Nota: el coeficiente de autoinducción, Li,i , es infinito.
∑∑∑ ∑≠≠
=Φ=i
ij
j
jiji
i
ij
j
jiim LIIIW ,,2
1
2
1
∫ ∫ −
⋅
πµ
=i jC C ji
ji
jirr
ldldL rr
rr
4,
∫ ∫ ′ ′−⋅′
πµ
=C C
mrr
ldldIW rr
rr
8
2
jji
S
ijji ILSdB
i
,, =⋅=Φ ∫∫rr
∫∫ ⋅=iS
ij
j
ji SdBI
Lrr1
,
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-8
Electricidad y Magnetismo 2010/2011
Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 5
Coeficientes de inducción de distribuciones no filiformes
• Se ha visto que existen dos métodos para el cálculo de coeficientes de inducción mutua para corrientes filiformes: la fórmula de Neumann y la energía.
– La expresión basada directamente en la energía se utiliza para generalizar la definición de coeficiente de inducción mutua a distribuciones superficiales y volumétricas.
– Esta misma expresión puede utilizarse para definir el coeficiente de autoinducción de una distribución superficial o volumétrica:
» La presencia del factor 2 en la expresión de la autoinducción y su ausencia en la de los coeficientes de inducción mutua proviene de las definiciones de energías de formación e interacción.
∫ ∫ −
⋅
πµ
=i jC C ji
ji
jirr
ldldL rr
rr
4,
( )∫∫∫ ⋅
µ==
V
ji
jiji
jim
ji dVHHIIII
WL
rr,
,
( )∫∫∫==V
i
ii
iim
ii dVHII
WL
2
22
,
,
2 rµ
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-9
Energías de interacción y formación
• Los conceptos de energías de formación y de interacción son también aplicables a la energía asociada al campo magnético:
• Las energías de formación deben ser positivas.
• Las energías de interacción pueden ser tanto positivas como negativas.
( ) ( )
++
⋅+⋅+⋅
⋅µ+⋅µ+⋅µ
=
+⋅+
+µ
=
∫∫∫∫∫∫∫∫∫
∫∫∫∫∫∫∫∫∫
∑∑
∫∫∫
∫∫∫
+
2,1212,2
2
21,1
2
1
212211
212211
2 2
,
2121
2
21
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
nInteracció2Formación1Formación
2
1
2
1
2
1Total
21
LIILILI
dVAJdVAJdVAJ
dVHHdVHHdVHH
LII
dVAAJJ
dVHH
W
VVV
VVV
i j
jiji
VV
V
m rrrrrr
rrrrrr
rrrr
rr
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-10
Electricidad y Magnetismo 2010/2011
Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 6
• Los coeficientes de inducción son parámetros geométricos.
– su valor no depende de las corrientes que circulan tal como puede verse de su expresión.
• Los coeficientes de inducción mutua son simétricos: Lij = Lji– Se deduce de su expresión.
– (ojo) Su signo cambia si se cambia el sentido considerado comopositivo para una de las corrientes, circulaciones o flujos.
• Los coeficientes de autoinducción de circuitos filiformes son infinitos
– Las integrales son impropias.
– La energía asociada con un sistema de corrientes filiformes es infinita.
– Las corrientes filiformes son un modelo matemático sin realidad física.
» Se necesita energía infinita para hacer pasar una corriente finita por un conductor de sección transversal nula.
• Los coeficientes de autoinducción de distribuciones volumétricas o superficiales son finitos y positivos.
Propiedades de los Coeficientes de Inducción
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Autoinducción de distribuciones volumétricas
• El coeficiente de autoinducción de distribuciones volumétricas se define a partir de su energía:
• Puesto que parte de esta energía se está asociada al campo en el interior de la distribución y parte fuera, se acostumbra a descomponer la autoinducción en dos sumandos, llamados:
– coeficiente de autoinducción interno, asociado a la energía interior.
– coeficiente de autoinducción externo, asociado a la energía exterior.
– Es posible relacionar estos coeficientes de autoinducción con el concepto de flujo.
∫∫∫ ⋅==V
m dVHBII
WL
rr
22
12
⋅==
⋅==
⇔
+=
+=
∫∫∫
∫∫∫
e
i
V
em
e
V
im
i
ei
emimm
dVHBII
WL
dVHBII
WL
LLL
WWW
rr
rr
22
,
22
,
,,
12
12
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Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 7
• Datos de la distribución de corriente
– Radio a.
– Se supone que la corriente se distribuye de forma uniforme:
– El campo creado es:
– Calculando el coeficiente de autoinducción a partir de la energía:
» En el exterior:
» El coeficiente de autoinducción externo por unidad de longitud es infinito. (Debido fundamentalmente a que no se cumplen las condiciones de regularidad)
Autoinducción de un Hilo Conductor Cilíndrico Indefinido.
2
0
2
I
WL m=
a
Z
I0
∞=ρρ
πµ
=ρϕρ
πρ
µ= ∫∫ ∫ ∫∞+ ∞
=ρ
π
=ϕ a
lz
z a
ext ddzdd
I
lIl
L
22
1 0
0
2
0
2
0
2
0
( )
ρ≤ϕπρ
≤ρ≤ϕρ
π=a
I
aa
I
rH;ˆ
2
0;ˆ2
0
2
0
rr
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• En el interior:
– Puede observarse como un hilo conductor tiene una autoinducción interna por unidad de longitud que puede ser importante.
– Puesto que el campo en el interior de un hilo cilíndrico será fundamentalmente debido a la corriente que circula por él, este resultado se puede utilizar como aproximación en muchos casos.
Autoinducción Interna de un Hilo Conductor Cilíndrico Indefinido.
ϕρ
π= ˆ2 2
0
a
IH i
r
πµ
=ρϕρ
ρπ
µ= ∫ ∫=ρ
π
=ϕ 1622
12
0
0
2
0
2
2
0int Idd
a
I
l
W a
( ) mnH508
22
intint =πµ
==m
HI
mW
l
L
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-14
Electricidad y Magnetismo 2010/2011
Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 8
• En el conductor interior:
– la situación es idéntica a la del hilo indefinido:
• En la región intermedia:
– La autoinducción externa por unidad de longitud:
• En el conductor exterior:
Autoinducción de un Cable Coaxial
ϕπρ
= ˆ2
0IHr
∫ ∫∫= =
==
=
b
a
b
a
ext
a
bddd
I
Il
L
ρ
π
ϕ πµ
ρρ
πµ
ρϕρπρ
µln
222
2
0
2
0
2
0
( )
( )( ) ( )
−+−−−
=
=
−
−= ∫ ∫ ∫= = =
442224
222
1
0
2
0
22
22
0
2
0
int
4
1ln
2
2
1
bcbccb
cc
bc
dzddc
bc
I
Il
L
z
c
b
π
µ
ρϕρρρπ
µρ
π
ϕ
πµ
==8
22
0,0
i
aHa
lI
W
l
L
Z
I0
ab
c
I0
( ) ( ) ϕρρπ
ˆ2
2
22
0
−
−=
c
bc
IrHrr
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• Utilizando:
• Para valores normales, α= [1.5, 5], el coeficiente de inducción interno del conductor interior contribuye a la inducción total de forma significativa.
Autoinducción de un Coaxial. (2)
απµ
=πµ
=⇒=α ln2
ln2 a
b
l
L
a
b ab
1 2 3 4 50
Lab/l
αααα
400nH/m
200nH/m
L0a /l
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Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 9
Autoinducción de un Coaxial. (3)
• Utilizando:
• Para valores normales, β<1.2, el coeficiente de inducción interno del conductor exterior no contribuye a la inducción total de forma significativa.
( )( ) ( )
( )( )
−ββ−
−β+ββ
−βπµ
=
=
−+−−−π
µ=⇒=β
14
1ln
1
1
2
4
1ln
2
224
4
22
442224
222bcbcc
b
cc
bcl
L
b
c bc
1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
ββββ
40nH/m
60nH/m
80nH/m
20nH/m l
Lbc
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Autoinducción: Método de los tubos de flujo.
• En un medio isótropo el dV puede construirsea partir de un dS ortogonal a las líneas de y un dl paralelo a las líneas de .
–
La integral de contorno, según la ley de Ampère es la corriente encerrada por el contorno, es decir, por el tubo de flujo. Denominando a esta corriente I(CH) resulta:
– Para que esta expresión se pueda aplicar, el flujo debe calcularse según una superficie normal a las líneas de campo, y que I(CH) es la corriente encerrada por la línea de campo correspondiente al dΦΦΦΦ.
∫∫ ∫∫∫∫ Φ
⋅=⋅=
B HS
B
CV
m dldHdVHBWrrrr
2
1
2
1
rB
rH
( )( ) ( )BdldHSdBldHdVHB Φ⋅=⋅⋅=⋅
rrrrrrrr
( )∫∫ Φ=BS
BHm dCIW2
1
I
dSr dl
r
( ) ( )( )( ) ( )( )ldHSdB
dV
ldSdHB
SdHldBrrrr
43421
rrrr
rrrr
⋅⋅−⋅⋅=
=×⋅×=0
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-18
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Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 10
Autoinducción: Método de los tubos de flujo.
• Si no hay líneas de campo que corten a las corrientes es posible separar las energías de las regiones interna y externa:
– Obsérvese que la corriente encerrada por las líneas de campo externas es constante y en muchos casos coincide con la corriente total.
• En este caso los coeficientes de inducción interno y externo quedan como:
– En un conductor filiforme no existe la región interior y, por tanto, la única contribución a L es la externa.
( ) ∫∫∫∫ Φ+Φ=e
S
B
iS
BHm dI
dCIW22
1
( )
II
d
I
WL
I
dCI
I
WL eBe
S
B
em
ei
S
BH
im
i
,
2
,
22
, 2;
2 Φ=
Φ
==
Φ
==∫∫∫∫
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• Utilizando el método de los tubos de flujo:
– Para el cable coaxial la autoinducción externa por unidad de longitud se obtiene del flujo a través de la sección Se indicada en la figura.
– La autoinducción por unidad de longitud correspondiente resulta:
– De forma análoga se obtiene la autoinducción interna del conductor interior a partir del flujo a través de Si :
Autoinducción Cable Coaxial
∫ ∫∫= =ρ
π
µ=
ρρ
πµ
=ρ
πρ
µ=Φ1
0ln
222z
b
a
b
a a
bIdIdzd
I
πµ
=Φ
=a
b
Im
L extext ln2
( ) ∫ ∫∫∫∫ = =ρ πµ
=ρρπµ
=
ρρ
πµ
ππρ
=Φ′=1
0 0
3
40 22
2
22 822
11
z
aa
Si d
adzd
a
I
aI
IdlI
IL
i
b
a
dρρρρ
z=0 z=1
Se
Si
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Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 11
Línea Bifilar.
• Una línea bifilar está formada por dos conductores cilíndricos paralelos por los que circula la misma corriente en sentidos contrarios.
I
Iaa d
4 2 0 2 4
2
1
0
1
2
BJ.L. Fernández Jambrina
EyM 5d-21
Línea bifilar. (2)
• Aproximaciones para d>>a:
– Dentro de cada conductor el campo es el propio.
– En la superficie de los conductores el campo es tangencial
4 2 0 2 4
2
1
0
1
2
B
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-22
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Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 12
Línea Bifilar (3)
• Aproximación 1:
– Dentro de cada conductor el campo es el debido a su propia corriente:
» La energía dentro de cada conductor será la misma que para un conductor sólo.
» El coeficiente de autoinducción interno será el doble del de un conductor cilíndrico indefinido:
nH/m10048
2 =πµ
=πµ
=iL
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-23
Línea Bifilar. (4)
• Aproximación 2:
– El campo es tangencial a las superficies.
» Esto permite aplicar la fórmula del flujo del campo magnético utilizando cualquier superficie limitada por los conductores.
» Como: y utilizando la simetría.
» Utilizando la superficie y=0.
• Resultado:
Xb
Zb
Yb
rra
rrb
ϕb
d xb$
a
addzd
I
Il
L
z
ad
a
e −πµ
=ρϕ⋅
ϕ
πρµ
= ∫ ∫=
−
=ρlnˆˆ
2
12
1
0
ba BBBrrr
+=
I
SdB
I
SdB
I
SdB
I
SdBL eS
beS
beS
aeS
e
∫∫∫∫∫∫∫∫ ⋅=
⋅+
⋅=
⋅=
rrrrrrrr
2
a
ad
l
L −πµ
+πµ
= ln4
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Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 13
2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
5 107
1 106
d/a
30
L
l
d a
a
e aprox,ln=
−µπ
L
l
d
a
e exacto,ln=
µπ
4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
5
10
15
20
25
d/a
Error
Línea Bifilar. (5)
• La figura compara los valores autoinducción externa en función de la relación d/a para las expresiones exacta Le y aproximada La por unidad de longitud.
• El error relativo cometido al usar la expresión aproximada es menordel 5% para d/a > 10.
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-25
• Aproximación para el cálculo de la inductancia:
– Si w>>d, se puede suponer que las líneas de campo tienen el aspecto de la figura:
» No cortan a los conductores.
» Así se puede aplicar fácilmente el método de los anillos de flujo, lo que equivale a calcular el flujo entre dos puntos cualquiera de los conductores:
» Y la inductancia:
• Cálculo exacto:
– El cálculo exacto conviene hacerlo a través de:
» Es engorroso.
Autoinducción de una línea biplaca.
( ) ( )w
dIdlnB
IdlnBCIdCI
ll
W
BL
BL
H
BS
BHm
2ˆ
2ˆ
2
1
2
1 2µ=⋅=⋅=Φ= ∫∫∫∫
rr
w
d
I
W
l
L m µ==2
2
dlAJl
W
SJS
mrr
⋅= ∫21
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-26
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Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 14
Autoinducción de una línea biplaca. (2)
• Comparación entre el valor aproximado de la inductancia y el exacto:
– Las escalas son logarítmicas.w/d
L/l
1 10 100
10µH/m
1µH/m
0.1µH/m
0.01µH/m
Exacta
Aproximada
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-27
• Sea un arrollamiento sobre un toroide de sección transversal rectangular como el indicado en la figura de radios a y b y altura d.
• El arrollamiento tiene N espiras totales y la corriente que circula es de I amperios.
– El campo en su exterior es nulo.
– El campo en su interior es:
» Verifica la ley de Ampère y las condiciones en el infinito y en la superficie del solenoide.
• El flujo en una espira:
• El flujo total será N veces el anterior, y
Autoinducción de un Solenoide Toroidal
ϕπρ
= ˆ2
NIHr
a
bNIddzd
NId
z
b
aex ln
2ˆˆ
20 πµ
=ρϕ⋅
ϕ
πρµ=Φ ∫ ∫= =ρ
a
bdN
I
NL ex ln
2
2
πµ
=Φ
=
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-28
Electricidad y Magnetismo 2010/2011
Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 15
Inducción mutua entre dos espiras.
• Sean las dos espiras de la figura:
» Filiformes
» Contenidas en planos paralelos separados una distancia d.
» Coaxiales de radios a y b.
– Al ser filiformes se puede aplicar la fórmula de Neumann:
» Los diferenciales de longitud son:
X
r rr r1 2−
a
b
d
C2
C1
Z
Y
dlr
1
dlr
2
∫ ∫ −⋅
πµ
=1 2
21
2112
4 C C rr
ldldL rr
rr
( )( )
( ) ( ) 211221212121
22222
11111
coscoscossensen
ˆcosˆsenˆ
ˆcosˆsenˆ
ϕϕϕ−ϕ=ϕϕϕϕ+ϕϕ=⋅
ϕ+ϕ−=ϕϕ=
ϕ+ϕ−=ϕϕ=
ddabddabldld
yxbbdld
yxaadld
rr
r
r
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-29
Inducción mutua entre dos espiras circulares.
» Los vectores de posición y el módulo de su diferencia:
» Sustituyendo:
» Realizando el cambio:
( )( )
( ) ( )( ) 2
12
22
12
121212
2222
1111
cos2
ˆˆsensenˆcoscos
ˆˆsenˆcosˆˆ
ˆsenˆcosˆ
dabbarr
zdyabxabrr
zdyxbzdbr
yxaar
+ϕ−ϕ−+=−
+ϕ−ϕ+ϕ−ϕ=−
+ϕ+ϕ=+ρ=
ϕ+ϕ=ρ=
rr
rr
r
r
( )( )∫ ∫
π
=ϕ
π
=ϕ +ϕ−ϕ−+
ϕϕϕ−ϕπµ
=2
01
2
02
2
12
22
211212
cos2
cos
4 dabba
ddabL
12 ϕ−ϕ=α
∫∫ ∫π
=α
π
=ϕ
ϕ+π
ϕ=α +α−+
ααµ=
+α−+
αϕαπµ
=2
0 222
2
01
12
1222
112
cos2
cos
2cos2
cos
4 dabba
dab
dabba
ddabL
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-30
Electricidad y Magnetismo 2010/2011
Magnetostática d: Energía y coeficientes de
inducción 16
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
2
4
6
d/a
b/a=1.1
b/a=1.5
b/a=2
Inducción mutua entre dos espiras circulares (2)
– La primitiva de esta última integral implica funciones elípticas.
– La figura representa la inducción mutua normalizada (L12/µa) en función de la separación entre espiras normalizada al radio de la mayor (d/a) y tomando como parámetro la relación entre sus radios (b/a).
» La inducción mutua siempre es máxima cuando las espiras son coplanares.
» Si las dos espiras son de radios muy parecidos la inducción mutua crece muy rápidamente cuando se hacen coplanares.
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-31
Fórmulas aproximadas de autoinducción
• Autoinducción de un hilo recto corto:
» RF Systems, components and Circuits Handbook. Ferril Losse, Artech House. ISBN:0-89006-933-6. pág 427
• Autoinducción de un solenoide:
» RF Systems, components and Circuits Handbook. Ferril Losse, Artech House. ISBN:0-89006-933-6. pág 428
(cm) hilo del diametro
hilo(cm) del longitud
(H) ainductanci4
ln2
0
=
=
=
=
d
l
L
d
llL
πµ
(in) solemoide del longitud
(in) solenoide del radio
vueltasde numero
H)( ainductanci
109
22
=
=
=
µ=
+=
l
r
n
L
lr
rnL
J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-32