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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-1 J.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, V debe 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 dV H B W r r 2 1 H B dV dW m r r = 2 1 0 2 1 2 1 2 1 2 2 μ = μ = = B H H B dV dW m r r r r J.L. Fernández Jambrina EyM 5d-2

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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:

J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-4

Electricidad y Magnetismo 2010/2011

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

Electricidad y Magnetismo 2010/2011

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

=

+⋅+

=

∫∫∫∫∫∫∫∫∫

∫∫∫∫∫∫∫∫∫

∑∑

∫∫∫

∫∫∫

+

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

J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-11

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

J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-12

Electricidad y Magnetismo 2010/2011

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= ∫∫ ∫ ∫∞+ ∞

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

J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-13

• 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

J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-15

• 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

J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-16

Electricidad y Magnetismo 2010/2011

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

J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-17

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

Electricidad y Magnetismo 2010/2011

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

==∫∫∫∫

J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-19

• 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

πρ

µ=Φ1

0ln

222z

b

a

b

a a

bIdIdzd

I

πµ

=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

J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-20

Electricidad y Magnetismo 2010/2011

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

Electricidad y Magnetismo 2010/2011

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

J.L. Fernández JambrinaEyM 5d-24

Electricidad y Magnetismo 2010/2011

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

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

Electricidad y Magnetismo 2010/2011

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

=

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

π

=ϕ +ϕ−ϕ−+

ϕϕϕ−ϕπµ

=2

01

2

02

2

12

22

211212

cos2

cos

4 dabba

ddabL

12 ϕ−ϕ=α

∫∫ ∫π

π

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