3.5: Quirks del inductor

En un caso ideal, un inductor actúa como un dispositivo puramente reactivo. Es decir, su oposición a la corriente CA 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 cierta cantidad medible de resistencia (a menos que sea su cable superconductor). Esta resistencia incorporada actúa como si estuviera conectada en serie con la inductancia perfecta de la bobina, así: (Figura abajo)

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 agrandar este problema hay algo llamado efecto piel, que es la tendencia de AC 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 de flujo, por otro lado, tienden a evitar viajar a través de la mitad de un conductor, limitando el área de sección transversal efectiva disponible. El efecto cutáneo 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 radiada no regresa al inductor, por lo que se manifiesta como resistencia (disipación de potencia) en el circuito.

Sumado a las pérdidas resistivas de alambre y radiación, hay otros efectos en el trabajo en inductores de núcleo de hierro que se manifiestan como 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 un conductor tan bueno como el cobre. Las pérdidas por corrientes parásitas se contrarrestan principalmente dividiendo el núcleo de hierro en muchas láminas delgadas (laminaciones), cada una separada de la otra por una fina capa 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 transversal y no habrá (o muy pocas) pérdidas resistivas por ese efecto.

Como cabría esperar, las pérdidas por corrientes parásitas en los núcleos 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 procesos de fabricación para calentar objetos metálicos! De hecho, este proceso de “calentamiento inductivo” se utiliza a menudo en operaciones de fundición de metales de alta pureza, donde los elementos metálicos y las aleaciones deben calentarse en un ambiente de vacío para evitar la contaminación por aire, y así donde 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, se puede usar alambre especial hecho de hilos muy finos aislados individualmente llamados alambre Litz (abreviatura de Litzendraht). El aislamiento que separa las hebras entre sí evita que las corrientes parásitas circulen por toda el área de la sección transversal del cable.

Adicionalmente, 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 centrales (como la ferrita) son particularmente notorios por su efecto histerético. Contrarrestar este efecto se realiza mejor por medio de una selección adecuada del material del núcleo y límites en la intensidad máxima del campo magnético generado con cada ciclo.

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

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

Cabe señalar que el efecto de la piel y las pérdidas de radiación se aplican igual de bien a longitudes rectas de cable en un circuito de CA como lo hacen a un cable enrollado. Por lo general su efecto combinado es demasiado pequeño para notarlo, pero a frecuencias de radio pueden ser bastante grandes. Una antena transmisora de radio, por ejemplo, está diseñada con el propósito expreso de disipar la mayor cantidad de energía en forma de radiación electromagnética.

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 la carga eléctrica (culombios), lo que tiende a ser confuso. Por alguna razón, los Poderes Que Ser decidieron utilizar la misma letra del alfabeto para denotar una cantidad totalmente diferente.

Cuanto mayor sea el valor para “Q”, “más puro” es el inductor. Debido a que es muy fácil agregar resistencia adicional si es necesario, un inductor de alta Q es mejor que un inductor de baja Q para fines de diseño. Un inductor ideal tendría una Q de infinito, con cero resistencia efectiva.

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 cable, pérdidas de 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