Permeabilidad y saturación

La no linealidad de la permeabilidad del material puede graficarse para una mejor comprensión. Colocaremos la cantidad de intensidad de campo (H), igual a la fuerza de campo (mmf) dividida por la longitud del material, en el eje horizontal del gráfico. En el eje vertical, colocaremos la cantidad de densidad de flujo (B), igual al flujo total dividido por el área de la sección transversal del material.

Usaremos las cantidades de intensidad de campo (H) y densidad de flujo (B) en lugar de fuerza de campo (mmf) y flujo total (Φ) para que la forma de nuestro gráfico permanezca independiente de las dimensiones físicas de nuestro material de prueba. Lo que estamos tratando de hacer aquí es mostrar una relación matemática entre la fuerza de campo y el flujo para cualquier trozo de una sustancia en particular, con el mismo espíritu que describe la resistencia específica de un material en ohm-cmil / ft en lugar de su resistencia real en ohmios.

Esto se denomina curva de magnetización normal o curva B-H , para cualquier material en particular. Observe cómo la densidad de flujo para cualquiera de los materiales anteriores (hierro fundido, acero fundido y chapa de acero) se nivela con cantidades crecientes de intensidad de campo. Este efecto se conoce como saturación . Cuando hay poca fuerza magnética aplicada (H bajo), solo unos pocos átomos están alineados y el resto se alinea fácilmente con fuerza adicional.

Sin embargo, a medida que se acumula más flujo en la misma área de sección transversal de un material ferromagnético, hay menos átomos disponibles dentro de ese material para alinear sus electrones con fuerza adicional, por lo que se necesita más y más fuerza (H) para obtener cada vez menos "Ayuda" del material para crear más densidad de flujo (B). Para poner esto en económico términos, estamos viendo un caso de rendimientos decrecientes (B) en nuestra inversión (H). La saturación es un fenómeno limitado a los electroimanes de núcleo de hierro.

Los electroimanes de núcleo de aire no se saturan, pero por otro lado, no producen tanto flujo magnético como un núcleo ferromagnético para la misma cantidad de vueltas de cable y corriente.

Histéresis magnética

Otra peculiaridad para confundir nuestro análisis del flujo magnético frente a la fuerza es el fenómeno de la histéresis magnética. . Como término general, histéresis significa un desfase entre la entrada y la salida en un sistema ante un cambio de dirección. Cualquiera que haya conducido un automóvil viejo con la dirección "floja" sabe lo que es la histéresis:para cambiar de girar a la izquierda a girar a la derecha (o viceversa), debe girar el volante una cantidad adicional para superar el "retraso" incorporado en el sistema de articulación mecánica entre el volante y las ruedas delanteras del automóvil.

En un sistema magnético, la histéresis se ve en un material ferromagnético que tiende a permanecer magnetizado después de que se ha eliminado una fuerza de campo aplicada (ver "retentividad" en la primera sección de este capítulo) si la fuerza se invierte en polaridad.

Usemos el mismo gráfico nuevamente, solo extendiendo los ejes para indicar cantidades tanto positivas como negativas. Primero, aplicaremos una fuerza de campo creciente (corriente a través de las bobinas de nuestro electroimán). Deberíamos ver que la densidad de flujo aumenta (sube y hacia la derecha) de acuerdo con la curva de magnetización normal:

A continuación, detendremos la corriente que pasa a través de la bobina del electroimán y veremos qué sucede con el flujo, dejando la primera curva todavía en el gráfico:

Debido a la capacidad de retención del material, todavía tenemos un flujo magnético sin fuerza aplicada (sin corriente a través de la bobina). Nuestro núcleo de electroimán actúa como un imán permanente en este punto. Ahora aplicaremos lentamente la misma cantidad de fuerza de campo magnético en el opuesto dirección a nuestra muestra:

La densidad de flujo ha alcanzado ahora un punto equivalente al que tenía con un valor positivo total de intensidad de campo (H), excepto en la dirección negativa u opuesta. Detengamos la corriente que pasa por la bobina nuevamente y veamos cuánto flujo queda:

Una vez más, debido a la retentividad natural del material, mantendrá un flujo magnético sin que se aplique energía a la bobina, excepto que esta vez está en una dirección opuesta a la de la última vez que detuvimos la corriente a través de la bobina. Si volvemos a aplicar potencia en una dirección positiva, deberíamos ver que la densidad de flujo alcanza su pico anterior en la esquina superior derecha del gráfico nuevamente:

La curva en forma de "S" trazada por estos pasos forma lo que se llama la curva de histéresis de un material ferromagnético para un conjunto dado de extremos de intensidad de campo (-H y + H).

Ejemplo de histéresis en automóviles

Considere un gráfico de histéresis para el escenario de dirección del automóvil descrito anteriormente, un gráfico que muestra un sistema de dirección "apretado" y otro que muestra un sistema "suelto":

Al igual que en el caso de los sistemas de dirección de los automóviles, la histéresis puede ser un problema. Si está diseñando un sistema para producir cantidades precisas de flujo de campo magnético para cantidades dadas de corriente, la histéresis puede obstaculizar este objetivo de diseño (debido al hecho de que la cantidad de densidad de flujo dependería de la corriente y ¡Cuán fuertemente estaba magnetizado antes!). De manera similar, un sistema de dirección flojo es inaceptable en un automóvil de carreras, donde la respuesta de la dirección precisa y repetible es una necesidad.

Además, tener que superar la magnetización previa en un electroimán puede ser una pérdida de energía si la corriente utilizada para energizar la bobina está alternando hacia adelante y hacia atrás (CA). El área dentro de la curva de histéresis da una estimación aproximada de la cantidad de energía desperdiciada.

Otras veces, la histéresis magnética es algo deseable. Tal es el caso cuando se utilizan materiales magnéticos como medio para almacenar información (discos de computadora, audio y cintas de video). En estas aplicaciones, es deseable poder magnetizar una mota de óxido de hierro (ferrita) y confiar en la capacidad de retención de ese material para "recordar" su último estado magnetizado.

Otra aplicación productiva para la histéresis magnética es el filtrado de "ruido" electromagnético de alta frecuencia (picos de voltaje que se alternan rápidamente) del cableado de señales al pasar esos cables por el medio de un anillo de ferrita. La energía consumida para superar la histéresis de la ferrita atenúa la fuerza de la señal de "ruido". Curiosamente, la curva de histéresis de la ferrita es bastante extrema:

REVISAR:

• La permeabilidad del material cambia con la cantidad de flujo magnético forzado a través de él.
• La relación específica entre la fuerza y ​​el flujo (intensidad de campo H y densidad de flujo B) se representa gráficamente en una forma llamada curva de magnetización normal .
• Es posible aplicar tanta fuerza de campo magnético a un material ferromagnético que ya no se puede acumular más flujo en él. Esta condición se conoce como saturación magnética. .
• Cuando la remanencia de una sustancia ferromagnética interfiere con su re-magnetización en la dirección opuesta, una condición conocida como histéresis ocurre.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de electromagnetismo intermedio e inducción electromagnética
• Hoja de trabajo de unidades de medida magnéticas