Bizarres de l'inducteur

Dans un cas idéal, un inducteur agit comme un dispositif purement réactif. C'est-à-dire que son opposition au courant alternatif est strictement basée sur une réaction inductive aux changements de courant, et non sur le frottement des électrons comme c'est le cas avec les composants résistifs.

Cependant, les inducteurs ne sont pas aussi purs dans leur comportement réactif. Pour commencer, ils sont faits de fil, et nous savons que tous les fils possèdent une certaine résistance mesurable (à moins qu'il ne s'agisse d'un fil supraconducteur).

Cette résistance intégrée agit comme si elle était connectée en série avec l'inductance parfaite de la bobine, comme ceci :

Inductance Circuit équivalent d'une vraie inductance.

Par conséquent, l'impédance de tout inducteur réel sera toujours une combinaison complexe de résistance et de réactance inductive.

Ce problème est aggravé par ce qu'on appelle l'effet de peau , qui est la tendance du courant alternatif à traverser les zones extérieures de la section transversale d'un conducteur plutôt que par le milieu. Lorsque les électrons circulent dans une seule direction (DC), ils utilisent toute la section transversale du conducteur pour se déplacer.

D'un autre côté, les électrons qui changent de sens de circulation ont tendance à éviter de traverser le milieu même d'un conducteur, ce qui limite la section efficace disponible. L'effet de peau s'accentue à mesure que la fréquence augmente.

En outre, le champ magnétique alternatif d'un inducteur alimenté en courant alternatif peut rayonner dans l'espace dans le cadre d'une onde électromagnétique, en particulier si le courant alternatif est à haute fréquence. Cette énergie rayonnée ne retourne pas à l'inducteur et se manifeste donc sous forme de résistance (dissipation de puissance) dans le circuit.

Courants de Foucault dans les inducteurs

En plus des pertes résistives du fil et du rayonnement, d'autres effets sont à l'œuvre dans les inductances à noyau de fer qui se manifestent par une résistance supplémentaire entre les conducteurs. Lorsqu'un inducteur est alimenté en courant alternatif, les champs magnétiques alternatifs produits ont tendance à induire des courants de circulation dans le noyau de fer connus sous le nom de courants de Foucault .

Ces courants électriques dans le noyau de fer doivent surmonter la résistance électrique offerte par le fer, qui n'est pas un aussi bon conducteur que le cuivre. Les pertes par courants de Foucault sont principalement contrecarrées en divisant le noyau de fer en plusieurs feuilles minces (lamelles), chacune séparée l'une de l'autre par une fine couche de vernis électriquement isolant.

Avec la section transversale du noyau divisé en de nombreuses sections électriquement isolées, le courant ne peut pas circuler dans cette section transversale et il n'y aura pas (ou très peu) de pertes résistives de cet effet.

Comme on pouvait s'y attendre, les pertes par courants de Foucault dans les noyaux d'inductance métalliques se manifestent sous forme de chaleur.

L'effet est plus prononcé à des fréquences plus élevées, et peut être si extrême qu'il est parfois exploité dans les processus de fabrication pour chauffer des objets métalliques !

En fait, ce processus de « chauffage par induction » est souvent utilisé dans les opérations de fonderie de métaux de haute pureté, où les éléments et alliages métalliques doivent être chauffés dans un environnement sous vide pour éviter la contamination par l'air, et donc où la technologie de chauffage par combustion standard serait inutile.

C'est une technologie "sans contact", la substance chauffée n'ayant pas à toucher la ou les bobines produisant le champ magnétique.

En service haute fréquence, des courants de Foucault peuvent même se développer dans la section transversale du fil lui-même, contribuant à des effets résistifs supplémentaires. Pour contrer cette tendance, un fil spécial composé de brins très fins isolés individuellement, appelé fil de Litz (abréviation de Litzendraht ) peut être utilisé.

L'isolation séparant les brins les uns des autres empêche les courants de Foucault de circuler dans toute la section transversale du fil.

De plus, toute hystérésis magnétique qui doit être surmontée à chaque inversion du champ magnétique de l'inducteur constitue une dépense d'énergie qui se manifeste par une résistance dans le circuit.

Certains matériaux de noyau (comme la ferrite) sont particulièrement connus pour leur effet hystérétique. Il est préférable de contrer cet effet en sélectionnant correctement le matériau du noyau et en limitant l'intensité du champ magnétique de pointe généré à chaque cycle.

Au total, les propriétés de résistance parasite d'un inducteur réel (résistance du fil, pertes par rayonnement, courants de Foucault et pertes par hystérésis) sont exprimées sous le seul terme de « résistance efficace » :

Circuit équivalent d'un vrai inducteur avec pertes par effet de peau, rayonnement, courants de Foucault et hystérésis.

Il convient de noter que l'effet de peau et les pertes par rayonnement s'appliquent aussi bien aux longueurs droites de fil dans un circuit alternatif qu'à un fil enroulé. Habituellement, leur effet combiné est trop faible pour être remarqué, mais aux fréquences radio, ils peuvent être assez importants.

Une antenne d'émetteur radio, par exemple, est conçue dans le but exprès de dissiper la plus grande quantité d'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique.

Facteur de qualité (facteur Q)

La résistance efficace dans une inductance peut être une considération sérieuse pour le concepteur de circuits CA. Pour aider à quantifier la quantité relative de résistance efficace dans un inducteur, une autre valeur existe appelée le facteur Q , ou « facteur de qualité » qui est calculé comme suit :

Le symbole « Q » n'a rien à voir avec une charge électrique (coulombs), ce qui a tendance à prêter à confusion. Pour une raison quelconque, les pouvoirs en place ont décidé d'utiliser la même lettre de l'alphabet pour désigner une quantité totalement différente.

Plus la valeur de « Q » est élevée, plus l'inducteur est « pure ». Parce qu'il est si facile d'ajouter une résistance supplémentaire si nécessaire, un inducteur à Q élevé est meilleur qu'un inducteur à faible Q à des fins de conception. Un inducteur idéal aurait un Q infini, avec une résistance effective nulle.

Étant donné que la réactance inductive (X) varie avec la fréquence, Q varie également. Cependant, étant donné que les effets résistifs des inducteurs (effet de peau de fil, pertes de rayonnement, courants de Foucault et hystérésis) varient également avec la fréquence, Q ne varie pas proportionnellement avec la réactance. Pour qu'une valeur Q ait une signification précise, elle doit être spécifiée à une fréquence de test particulière.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail des inducteurs