Quirks del inductor

En un caso ideal, un inductor actúa como un dispositivo puramente reactivo. Es decir, su oposición a la corriente alterna se basa estrictamente en la reacción inductiva a los cambios en la corriente y no en la fricción electrónica como es el caso de los componentes resistivos.

Sin embargo, los inductores no son tan puros en su comportamiento reactivo. Para empezar, están hechos de alambre y sabemos que todos los cables poseen una cantidad medible de resistencia (a menos que sea un cable superconductor).

Esta resistencia incorporada actúa como si estuviera conectada en serie con la inductancia perfecta de la bobina, así:

Inductor Circuito equivalente de un inductor real.

En consecuencia, la impedancia de cualquier inductor real siempre será una combinación compleja de resistencia y reactancia inductiva.

Para agravar este problema se encuentra algo llamado efecto piel , que es la tendencia de CA a fluir a través de las áreas externas de la sección transversal de un conductor en lugar de a través del medio. Cuando los electrones fluyen en una sola dirección (CC), utilizan toda el área de la sección transversal del conductor para moverse.

Los electrones que cambian las direcciones del flujo, por otro lado, tienden a evitar viajar a través del medio de un conductor, lo que limita el área de sección transversal efectiva disponible. El efecto de la piel se vuelve más pronunciado a medida que aumenta la frecuencia.

Además, el campo magnético alterno de un inductor energizado con CA puede irradiarse al espacio como parte de una onda electromagnética, especialmente si la CA es de alta frecuencia. Esta energía irradiada no regresa al inductor, por lo que se manifiesta como resistencia (disipación de potencia) en el circuito.

Corrientes de Foucault en los inductores

Sumado a las pérdidas resistivas del cable y la radiación, hay otros efectos en funcionamiento en los inductores de núcleo de hierro que se manifiestan como una resistencia adicional entre los cables. Cuando un inductor se energiza con CA, los campos magnéticos alternos producidos tienden a inducir corrientes circulantes dentro del núcleo de hierro conocidas como corrientes parásitas .

Estas corrientes eléctricas en el núcleo de hierro tienen que superar la resistencia eléctrica que ofrece el hierro, que no es tan buen conductor como el cobre. Las pérdidas por corrientes de Foucault se contrarrestan principalmente dividiendo el núcleo de hierro en muchas láminas delgadas (laminaciones), cada una separada de la otra por una capa delgada de barniz eléctricamente aislante.

Con la sección transversal del núcleo dividida en muchas secciones eléctricamente aisladas, la corriente no puede circular dentro de esa área de sección transversal y no habrá (o muy pocas) pérdidas resistivas por ese efecto.

Como era de esperar, las pérdidas por corrientes parásitas en los núcleos de inductores metálicos se manifiestan en forma de calor.

El efecto es más pronunciado a frecuencias más altas y puede ser tan extremo que a veces se explota en los procesos de fabricación para calentar objetos metálicos.

De hecho, este proceso de “calentamiento inductivo” se usa a menudo en operaciones de fundición de metales de alta pureza, donde los elementos metálicos y aleaciones deben calentarse en un ambiente de vacío para evitar la contaminación por aire y, por lo tanto, la tecnología estándar de calentamiento por combustión sería inútil.

Es una tecnología "sin contacto", la sustancia calentada no tiene que tocar la (s) bobina (s) que produce el campo magnético.

En el servicio de alta frecuencia, las corrientes parásitas pueden incluso desarrollarse dentro de la sección transversal del propio cable, lo que contribuye a efectos resistivos adicionales. Para contrarrestar esta tendencia, un alambre especial hecho de hilos muy finos, aislados individualmente, llamado alambre Litz (abreviatura de Litzendraht ) se puede utilizar.

El aislamiento que separa los hilos entre sí evita que las corrientes parásitas circulen a través del área de la sección transversal de todo el cable.

Además, cualquier histéresis magnética que deba superarse con cada inversión del campo magnético del inductor constituye un gasto de energía que se manifiesta como resistencia en el circuito.

Algunos materiales del núcleo (como la ferrita) son particularmente notorios por su efecto histerético. La mejor forma de contrarrestar este efecto es mediante la selección adecuada del material del núcleo y los límites de la intensidad máxima del campo magnético generado con cada ciclo.

En conjunto, las propiedades resistivas parásitas de un inductor real (resistencia del cable, pérdidas por radiación, corrientes parásitas y pérdidas por histéresis) se expresan bajo el término único de "resistencia efectiva":

Circuito equivalente de un inductor real con pérdidas por efecto de piel, radiación, corrientes parásitas e histéresis.

Vale la pena señalar que el efecto piel y las pérdidas por radiación se aplican tanto a tramos rectos de cable en un circuito de CA como a un cable enrollado. Por lo general, su efecto combinado es demasiado pequeño para notarlo, pero en las frecuencias de radio, pueden ser bastante grandes.

Una antena de transmisor de radio, por ejemplo, está diseñada con el propósito expreso de disipar la mayor cantidad de energía en forma de radiación electromagnética.

Factor de calidad (factor Q)

La resistencia efectiva en un inductor puede ser una consideración seria para el diseñador de circuitos de CA. Para ayudar a cuantificar la cantidad relativa de resistencia efectiva en un inductor, existe otro valor llamado factor Q , o "factor de calidad" que se calcula de la siguiente manera:

El símbolo “Q” no tiene nada que ver con una carga eléctrica (culombios), lo que tiende a confundir. Por alguna razón, los poderes fácticos decidieron usar la misma letra del alfabeto para denotar una cantidad totalmente diferente.

Cuanto mayor sea el valor de "Q", más "puro" será el inductor. Debido a que es tan fácil agregar resistencia adicional si es necesario, un inductor de Q alto es mejor que un inductor de Q bajo para propósitos de diseño. Un inductor ideal tendría una Q de infinito, con una resistencia efectiva cero.

Debido a que la reactancia inductiva (X) varía con la frecuencia, también lo hará Q.Sin embargo, dado que los efectos resistivos de los inductores (efecto de revestimiento del alambre, pérdidas por radiación, corrientes parásitas e histéresis) también varían con la frecuencia, Q no varía proporcionalmente con la reactancia. Para que un valor Q tenga un significado preciso, debe especificarse a una frecuencia de prueba particular.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

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