Materiales magnéticos
Sin entrehierro, un inductor de ferrita de 30 vueltas tiene 2,8 mH pero se satura con 0,31 A. Con medio milímetro de entrehierro baja a 0,2 mH y soporta 4,3 A: la energía se guarda en el aire.
01Magnetización e histéresis
Un material ferromagnético responde al campo \( H \) con una inducción \( B \) mucho mayor que la del vacío, pero no de forma lineal: la curva de magnetización sube con una pendiente alta, la permeabilidad, y se aplana en la saturación, donde el material ya no puede alinear más dominios. Al recorrer un ciclo, la curva de bajada no coincide con la de subida: es el ciclo de histéresis, con una remanencia \( B_r \) y un campo coercitivo \( H_c \). El origen físico se vio en propiedades magnéticas de la materia.
02Materiales magnéticos blandos
| Material | Bsat aproximada | Frecuencias | Uso |
|---|---|---|---|
| Acero al silicio laminado | 1,5 a 2 T | 50 Hz a unos kHz | Transformadores de red, motores |
| Aleaciones amorfas | ≈ 1,5 T | hasta decenas de kHz | Transformadores de distribución de bajas pérdidas |
| Nanocristalinos | ≈ 1,2 T | hasta unos 100 kHz | Filtros de modo común, transformadores de conmutación |
| Polvo de hierro y aleaciones en polvo | ≈ 1 T o más | hasta el MHz | Inductores con corriente continua, entrehierro distribuido |
| Ferritas de manganeso y cinc | 0,4 a 0,5 T | kHz a unos MHz | Transformadores e inductores de fuentes conmutadas |
| Ferritas de níquel y cinc | 0,3 a 0,4 T | MHz a cientos de MHz | Supresores de interferencia, transformadores de RF |
Las ferritas son cerámicas de óxidos: su resistividad alta casi elimina las corrientes parásitas y por eso sirven en alta frecuencia, pero saturan con menos de la mitad de inducción que el hierro y su saturación baja con la temperatura. Todas pierden el magnetismo por encima de la temperatura de Curie.
Los imanes permanentes se eligen por su remanencia, su campo coercitivo y su producto de energía máximo: ferrita de bario o estroncio, barata; AlNiCo, estable con la temperatura; y neodimio-hierro-boro y samario-cobalto, los más potentes.
03Pérdidas en el núcleo
Un núcleo en alterna disipa por histéresis, proporcional al área del ciclo y a la frecuencia, y por corrientes parásitas, proporcionales al cuadrado de la frecuencia, que se reducen laminando el hierro o usando materiales de alta resistividad. Los fabricantes dan las pérdidas por unidad de volumen, que se ajustan con la ecuación de Steinmetz:
04El entrehierro
Un inductor que lleva corriente continua, o el transformador de una fuente flyback, necesita guardar energía. Un núcleo cerrado de alta permeabilidad tiene mucha inductancia, pero se satura con muy poca corriente. Un entrehierro de longitud \( \ell_g \) agrega una reluctancia en serie que domina el circuito magnético:
Un núcleo E de ferrita de Ae = 97 mm², ℓe = 79 mm y μr = 2000, diseñado para una inducción máxima de 0,3 T. En función del entrehierro, la inductancia (azul, escala izquierda) y la corriente de saturación (amarillo, escala derecha).
En los núcleos E el entrehierro se rectifica en la pata central; si en cambio se pone un separador entre las dos mitades, el entrehierro aparece dos veces en el camino del flujo. El diseño de inductores y transformadores de potencia sigue en Electrónica de Potencia.
05En el laboratorio
Con un transformador, un resistor de muestra y un integrador RC, observar en el osciloscopio en modo XY el ciclo de histéresis del núcleo y llevarlo a la saturación.
Medir con un medidor LCR la inductancia de un bobinado sobre un núcleo de ferrita cerrado y con separadores de papel de distintos espesores.
Aplicar pulsos de tensión a un inductor y observar la rampa de corriente; identificar el punto donde se empina porque el núcleo se satura.
06Errores frecuentes
- Diseñar con la Bsat a 25 °C. En una ferrita caliente la saturación es bastante menor.
- Buscar la máxima inductancia sin entrehierro. Con corriente continua, el núcleo se satura enseguida.
- Olvidar que un separador cuenta dos veces. Queda en las patas externas y en la central.
- Usar acero al silicio en alta frecuencia. Las corrientes parásitas lo calientan.
07Autoevaluación
¿Qué pasa con la inductancia y la corriente de saturación al duplicar el entrehierro?
Si domina el entrehierro, la inductancia cae casi a la mitad y la corriente de saturación casi se duplica.
¿Y al duplicar las vueltas con el mismo entrehierro?
La inductancia se multiplica por cuatro y la corriente de saturación se reduce a la mitad; la energía máxima no cambia.
¿Por qué las ferritas sirven en alta frecuencia?
Por su resistividad alta, que casi elimina las corrientes parásitas.
¿Qué diferencia a un material blando de uno duro?
El blando tiene un ciclo de histéresis angosto, con poco campo coercitivo; el duro, uno ancho, y conserva la magnetización.
08Para ampliar
- Colonel Wm. T. McLyman. Transformer and Inductor Design Handbook. 4.ª ed., CRC Press, 2011. El diseño práctico de inductores y transformadores, con los datos de los materiales.
- B. D. Cullity y C. D. Graham. Introduction to Magnetic Materials. 2.ª ed., Wiley-IEEE Press, 2009. La física y la tecnología de los materiales magnéticos.
- Robert W. Erickson y Dragan Maksimović. Fundamentals of Power Electronics. 3.ª ed., Springer, 2020. Los capítulos de componentes magnéticos y su diseño en fuentes conmutadas.