Histéresis magnética

Sabemos que el flujo magnético creado por una bobina electromagnética es la cantidad de campo magnético o líneas de fuerza creadas en un área determinada, y se lo conoce más comúnmente como «densidad de flujo». Dado el símbolo B con la unidad de densidad de flujo como Tesla, T.

De los tutoriales anteriores, también sabemos que la fuerza magnética de un electroimán depende del número de vueltas de la bobina, la corriente que fluye a través de la bobina, o al tipo de material del núcleo utilizado y si aumentamos la corriente o el número de vueltas aumentamos la fuerza del campo magnético, el símbolo aumenta.

Antes, el símbolo de permeabilidad relativa µr se definía como la relación entre la permeabilidad absoluta µ y la permeabilidad del espacio libre µo (un vacío), y esto se daba como una constante. Sin embargo, la relación entre la densidad de flujo B y la intensidad del campo magnético, H se puede definir por el hecho de que la permeabilidad relativa µr no es una constante sino una función de la intensidad del campo magnético, lo que da como resultado una densidad de flujo magnético como: B = µH .

Luego, la densidad de flujo magnético en el material aumenta en un factor mayor debido a su permeabilidad relativa para el material en comparación con la densidad de flujo magnético en el vacío μoH y para una bobina con núcleo de aire. Esta relación es da como:

Para materiales ferromagnéticos, la relación entre la densidad de flujo y la intensidad de campo (B/H) no es constante, sino que varía con la densidad de flujo. Sin embargo, para bobinas con un núcleo de aire o un núcleo medio no magnético como madera o plástico, esta relación puede considerarse una constante, y esta constante se conoce como μo, la permeabilidad del espacio libre (μo = 4π). 10-7 H/m).

Al trazar los valores de la densidad de flujo (B) frente a la intensidad del campo (H), podemos crear un conjunto de curvas llamadas curvas de magnetización, curvas de histéresis magnética, o más comúnmente, curvas BH para cualquier tipo de material de núcleo, como se muestra a continuación.

Magnetización o curva BH

El conjunto de curvas de magnetización, M anterior, proporciona un ejemplo de la relación entre B y H para núcleos de hierro dulce y acero, pero cada tipo de material de núcleo tiene su propio conjunto de curvas de histéresis magnética. Puedes encontrar que la densidad de flujo aumenta proporcionalmente a la intensidad del campo hasta que alcanza un cierto valor, cuando ya no puedes aumentar y se vuelve casi uniforme y constante al aumentar la intensidad del campo.

Esto se debe a que la cantidad de densidad de flujo que puede generar el núcleo es limitada, ya que todos los dominios del hierro están perfectamente alineados. Aumentarlo más no tiene ningún efecto sobre el valor de M, y el punto en el gráfico donde la densidad de flujo alcanza su límite se llama saturación magnética, que también se llama saturación del núcleo, y en nuestro ejemplo simple por encima del punto de saturación de la curva de acero comienza alrededor de 3000 amperios-vueltas por metro.

La saturación se produce porque, como recordamos del tutorial de magnetismo anterior que incluía la teoría de Weber, la disposición aleatoria de la estructura molecular dentro del material del núcleo cambia cuando los diminutos imanes moleculares están «alineados» dentro del material.

A medida que aumenta la intensidad del campo magnético (H), estos imanes moleculares se alinearán cada vez más hasta que alcancen una alineación perfecta, creando una densidad de flujo máxima, y ​​cualquier aumento en la intensidad del campo magnético debido a un aumento en la corriente eléctrica que fluye a través de la bobina aumentará. tienen poco o menos algún efecto.

Remanencia

Supongamos que tenemos una bobina electromagnética con una alta intensidad de campo debido a la corriente que fluye a través de ella y que el material del núcleo ferromagnético ha alcanzado su punto de saturación, la máxima densidad de flujo. Si ahora abrimos un interruptor y eliminamos la corriente magnetizante que fluye a través de la bobina, esperaríamos que el campo magnético alrededor de la bobina desapareciera cuando el flujo magnético se redujera a cero.

Sin embargo, el flujo magnético no desaparece por completo, ya que el material del núcleo electromagnético aún retiene parte de su magnetismo cuando la corriente en la bobina ya no fluye. Esta capacidad para una bobina que retiene una parte de su magnetismo dentro del núcleo después de que el proceso de magnetización se detuvo, a ello se le conoce como remanencia mientras que la cantidad de densidad de flujo en el núcleo que  aún permanece se le conoce como magnetismo residual, BR.

La razón de esto es que algunos de los diminutos imanes moleculares no vuelven a un patrón completamente aleatorio y aún apuntan en la dirección del campo magnetizante original, lo que les da una especie de «memoria». Algunos materiales ferromagnéticos tienen una alta remanencia (magnéticamente duros), lo que los hace ideales para la fabricación de imanes permanentes.

Mientras que otros materiales ferromagnéticos tienen una baja remanencia (magnéticamente blandos), son ideales para su uso en electroimanes, imanes o relés. Una forma de reducir esta densidad de flujo residual a cero es invertir la dirección de la corriente que fluye a través de la bobina, lo que hace que el valor de H, la intensidad del campo magnético, sea negativo. Este efecto se conoce como fuerza coercitiva HC.

Si esta corriente inversa aumenta más, la densidad de flujo también aumenta en la dirección inversa hasta que el núcleo ferromagnético alcanza la saturación nuevamente, pero en la dirección inversa de antes. Cuando la corriente de magnetización i se reduce a cero nuevamente, se genera un magnetismo residual similar, pero en la dirección opuesta.

Luego, cambiando constantemente la dirección de la corriente de magnetización a través de la bobina de una dirección positiva a una dirección negativa, como sería el caso con una fuente de alimentación de CA, un bucle de histéresis magnética del que se puede crear un núcleo ferromagnético.

Bucle de histéresis magnética

El bucle de histéresis magnética anterior muestra gráficamente el comportamiento de un núcleo ferromagnético porque la relación entre B y H no es lineal. Comenzando con un núcleo no magnetizado, tanto B como H están en cero, el punto 0 de la curva de magnetización.

Cuando la corriente de magnetización i aumenta a un cierto valor en la dirección positiva, la intensidad del campo magnético H aumenta linealmente con i, y la densidad de flujo B también aumenta, ya que la curva del punto 0 al punto a muestra a medida que se acerca a la saturación.

Si la corriente de magnetización en la bobina se reduce a cero, el campo magnético que circula alrededor del núcleo también se reduce a cero. Sin embargo, el flujo magnético de las bobinas no llega a cero debido al magnetismo residual presente en el núcleo, y esto se muestra en la curva del punto a al punto b.

Para reducir la densidad de flujo en el punto b a cero, tenemos que invertir la corriente que fluye a través de la bobina. La fuerza de magnetización que debe aplicarse para establecer la densidad de flujo residual en cero se denomina «fuerza coercitiva». Esta fuerza coercitiva invierte el campo magnético, que reordena los imanes moleculares hasta que el núcleo magnetizado en el punto c ya no está.

Un aumento en esta corriente de retorno hará que el núcleo se magnetice en la dirección opuesta y un aumento adicional en esta corriente de magnetización hará que el núcleo alcance su punto de saturación, pero en la dirección opuesta, el punto d de la curva.

Este punto es simétrico al punto b. Cuando la corriente de magnetización se reduce nuevamente a cero, el magnetismo residual presente en el núcleo es igual al valor anterior, pero viceversa en el punto e.

Si invierte la corriente de magnetización que fluye a través de la bobina esta vez en una dirección positiva nuevamente, el flujo magnético llegará a cero, punto f en la curva, y como antes, un aumento adicional en la corriente de magnetización aumenta en la dirección positiva que el núcleo en el punto de la saturación alcanzó a.

Luego, la curva BH- sigue el camino de a-b-c-d-e-f-a cuando la corriente de magnetización que fluye a través de la bobina cambia entre un valor positivo y uno negativo como el ciclo de un voltaje de CA. Esta ruta se conoce como bucle de histéresis magnética.

El efecto de la histéresis magnética muestra que el proceso de magnetización de un núcleo ferromagnético y, por lo tanto, la densidad de flujo depende de en qué parte de la curva está magnetizado el núcleo ferromagnético, ya que esto depende de los circuitos en el pasado que le dieron al núcleo una forma de «Memoria». Entonces, los materiales ferromagnéticos tienen memoria porque permanecen magnetizados después de que se elimina el campo magnético externo.

Sin embargo, los materiales ferromagnéticos blandos como el hierro o el acero al silicio tienen bucles de histéresis magnética muy ajustados, lo que resulta en muy poco magnetismo residual, lo que los hace ideales para su uso en relés, imanes y transformadores, ya que se pueden magnetizar y desmagnetizar fácilmente.

Dado que debe ejercerse una fuerza coercitiva para superar este magnetismo residual, se debe trabajar para cerrar el bucle de histéresis, por lo que la energía utilizada se disipa en forma de calor en el material magnético. Este calor se conoce como pérdida por histéresis, la cantidad de pérdida depende del valor de la fuerza coercitiva del material.

Al agregar aditivos al metal ferroso, como el silicio, se pueden producir materiales con una fuerza coercitiva muy baja que tienen un bucle de histéresis muy estrecho. Los materiales con bucles de histéresis ajustados se pueden magnetizar y desmagnetizar fácilmente y se denominan materiales magnéticos blandos.

Bucles de histéresis magnética para materiales duros y blandos

La histéresis magnética conduce a la disipación de la energía desperdiciada en forma de calor, siendo la energía desperdiciada proporcional al área del bucle de histéresis magnética. Las pérdidas por histéresis son siempre un problema con los transformadores de CA donde la corriente cambia constantemente de dirección y, por lo tanto, los polos magnéticos en el núcleo están causando pérdidas, ya que están constantemente invirtiendo la dirección.

Las bobinas giratorias en las máquinas de CC también causan pérdidas por histéresis, ya que se desplazan alternativamente hacia el norte desde los polos magnéticos norte. Como se mencionó anteriormente, la forma del bucle de histéresis depende del tipo de hierro o acero utilizado. Para el hierro que está sujeto a inversiones masivas de imanes, como los núcleos de transformadores, es importante que el bucle de histéresis BH sea lo más pequeño posible, como se indica a continuación.

En el próximo tutorial sobre electromagnetismo, veremos la ley de inducción electromagnética de Faraday y veremos que al mover un conductor de alambre dentro de un campo magnético estacionario, es posible inducir una corriente eléctrica en el conductor que crea un generador simple.