Comprender Circuitos de CA con Inductores: Reactancia, Desfase y Dinámica de Potencia

Resistores vs. Inductores

Los inductores se comportan de manera muy diferente a los resistores. Un resistor simplemente produce una caída de voltaje proporcional a la corriente que lo atraviesa. En cambio, un inductor se opone a los cambios de corriente generando un voltaje proporcional a la tasa de cambio de esa corriente. Esta relación se rige por la Ley de Lenz, que asegura que el voltaje inducido siempre actúa para mantener la corriente en su valor actual.

Cuando la corriente aumenta, el voltaje inducido se opone al aumento; cuando la corriente disminuye, la polaridad se invierte y el voltaje ayuda a la disminución. Esta oposición al cambio de corriente se llama reactancia, no resistencia. La ecuación gobernante es:

Corriente Alterna en un Circuito Inductivo Simple

En análisis de CA, di/dt denota la tasa de cambio instantánea de corriente (amperios por segundo). La inductancia (L) se mide en Henrios, y el voltaje inducido (v o e) en voltios. La relación fundamental para un inductor es v = L·di/dt.

Considere un circuito puramente inductivo alimentado por una fuente sinusoidal:

Circuito inductivo puro: la corriente del inductor retrasa al voltaje 90°.

Las formas de onda de voltaje y corriente están 90° fuera de fase:

Formas de onda en un circuito inductivo puro.

Como el voltaje inducido depende de la tasa de cambio de corriente, el voltaje es cero en los picos de la forma de onda de corriente (donde la pendiente es cero) y alcanza su máximo cuando la pendiente de la corriente es más pronunciada.

Esta relación de fase significa que el voltaje adelanta a la corriente en 90°, y la corriente se retrasa respecto al voltaje.

El voltaje adelanta a la corriente 90° en un circuito inductivo puro.

Potencia Instantánea y Potencia Negativa

La potencia instantánea es el producto del voltaje y corriente instantáneos (p = v·i). En un circuito puramente inductivo, este producto oscila entre valores positivos y negativos porque el voltaje y la corriente están 90° fuera de fase.

Cuando el voltaje y la corriente comparten el mismo signo, la potencia es positiva —indicando absorción de energía. Cuando tienen signos opuestos, la potencia se vuelve negativa, lo que significa que el inductor devuelve energía al circuito. En un ciclo completo, las áreas positivas y negativas se cancelan, por lo que el intercambio neto de energía es cero (los inductores ideales no tienen pérdidas resistivas).

La potencia instantánea oscila entre positiva y negativa.

Reactancia vs. Resistencia

Si bien tanto la resistencia como la reactancia inductiva se oponen a la corriente, la reactancia introduce un desfase y no disipa potencia neta. La reactancia se mide en ohmios y se denota por X, mientras que la resistencia usa R.

Para inductores, la reactancia se representa como XL y se calcula mediante:

Aquí, f es la frecuencia (Hz) y ω = 2πf es la velocidad angular en radianes por segundo. Como la reactancia escala con la frecuencia, las señales de mayor frecuencia encuentran mayor oposición del mismo inductor.

Por ejemplo, un inductor de 10 mH exhibe las siguientes reactancias:

Reactancia de un Inductor de 10 mH

Frecuencia (Hz)	Reactancia (Ω)
60	3,77
120	7,54
2500	157,08

Velocidad Angular en Sistemas de CA

La velocidad angular, denotada por ω (omega), representa la tasa de cambio de la forma de onda de CA en radianes por segundo. Es igual a 2πf y es distinta de la velocidad mecánica del eje del generador que produce la CA.

En alternadores de múltiples polos, ω puede ser varias veces la velocidad del eje, por lo que a menudo se expresa en radianes eléctricos por segundo para evitar confusión.

Ángulos de Fase y Representación Compleja

Como el voltaje y la corriente no están en fase, es conveniente expresar la oposición del inductor como una cantidad compleja. La impedancia de un inductor ideal es ZL = jXL = jωL, donde j indica un adelanto de fase de 90° del voltaje sobre la corriente.

La corriente retrasa al voltaje 90° en un inductor.

El uso de notación compleja simplifica el análisis de circuitos de CA que incluyen componentes resistivos y reactivos, permitiendo el cálculo directo de magnitudes y relaciones de fase.

Repaso

• La reactancia inductiva es la oposición que un inductor presenta a la CA debido a su almacenamiento de campo magnético, medida en ohmios y denotada por X.
• Se calcula con XL = 2πfL.
• La velocidad angular ω = 2πf describe la velocidad de la forma de onda en radianes por segundo.
• La reactancia inductiva aumenta con la frecuencia, lo que significa que las señales de mayor frecuencia experimentan mayor oposición.

Hojas de Trabajo Relacionadas

• Hoja de trabajo de inductores
• Hoja de trabajo de reactancia inductiva