02/06/2015
MAGNETIZACIÓN Existen dos fuentes del campo magnético:
CAP
5
CAMPO MAGNÉTICO EN MEDIOS MATERIAL MATERIALES ES
Una ddebida ebida a una corriente verdadera verdadera con transporte de carga o movimiento de elec electro trones nes libres libres (c o rr rr i en en t e d e conducción) Otra Otra deb debida ida a una una corri corrien ente te atómi atómica ca con movimiento de electrones en sus propias órbitas (corriente (corriente electrónica) electrónica)
CORRIENTES ATÓMICAS e e e
e e
I
N
N
N e
N
e
e
e
CORRIENTE DE CONDUCCIÓN
e e
e
BH
e
BM = 0
Cada una de las corrientes originan un campoo magn camp magnético ético.. La acción de ambas corrientes (por tanto de ambos campos maggnéti ma nético cos) s) dan dan como como resu result ltad ado o la INDUCCIÓN MAGNÉTICA
B = BH + BM
CONDUCTOR e
e e N
BM BH MEDIO MATERIAL
1
02/06/2015
El campo magnético debido a la influencia externa se denomina INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO (H) y es función únicamente del valor de la corriente y de la posición en el espacio del punto donde se quiere encontrar el valor del campo magnético
SUSCEPTIBILIDAD Y PERMEABILIDAD MAGNÉTICAS
B BH BM B 0 H
0
M
B 0 H M Donde las unidades de H y M son el (A/m)
de H en forma directa y aproximadamente lineal
M depende H=0
El campo magnético debido a la influencia interna se denomina MAGNETIZACIÓN o IMANACIÓN (M) y es función del tipo de material, de la corriente y de la posición del punto en el espacio donde se quiere encontrar el valor del campo magnético.
La INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO H depende de una corriente exterior (corriente de conducción) y que actuando sobre el material que la rodea, da lugar a una especie de “polarización” de los momentos magnéticos. Esta “polarización” da como resultado un campo magnético interior que se ha denominado MAGNETIZACIÓN M
M H M mH M
m H
M m H La susceptibilidad magnética se define como la capacidad de magnetización que tiene un material
2
02/06/2015
B 0 H M
0
B 0 H 1 m
H mH 0 r
H H
B H
1 m
0
r
Permeabilidad magnética relativa (adimensional) Permeabilidad magnética absoluta (N/A2) (W b/A-m)
• FERROMAGNÉTICOS • NO FERROMAGNÉTICOS
MATERIALES NO FERROMAGNÉTICO S PARAMAGNÉTIC OS
FERROMAGNÉTICO S
DIAMAGNÉTICOS
DIAMAGNÉTICAS SUBTANCIA Bismuto, Hidrógeno Helio, Cloruro de sodio Cobre Oro Silicio Germanio Grafito Plomo
• Existen algunas substancias en las que la magnetización se produce con una pequeña excitación exterior , en cambio otras no. • De acuerdo a los valores que tienen las constantes de susceptibilidad y permeabilidad magnéticas los materiales se clasifican en:
donde r
CLASIFICACIÓN DE LAS SUBSTANCIAS MAGNÉTICAS
SUBTANCIA Carbono Bronce, Azufre, Nitrógeno, Alcohol, Zinc Plata Mercurio Cloro
DIAMAGNÉTICOS • Se magnetizan débilmente en el sentido opuesto al de campo magnético aplicado. • La susceptibilidad magnética es negativa y pequeña • La permeabilidad relativa es ligeramente menor a 1
DIAMAGNÉTICOS
PERMEABILIDAD RELATIVA µr
Bismuto
0,999833
Mercurio
0,999968
Plata Plomo
0,9999736 0,9999831
Cobre
0,9999906
Agua
0,9999912
Todos los citados tienen número par de electrón
3
02/06/2015
PARAMAGNÉTICOS • Se magnetizan débilmente en el mismo sentido que el campo magnético aplicado. • La susceptibilidad magnética es positiva y pequeña • La permeabilidad magnética relativa es ligeramente mayor a 1
PARAMAGNÉTICAS SUBTANCIA Aluminio Sodio Aire Oxígeno Magnesio Titanio
SUBTANCIA Platino Paladio Estaño Tungsteno Manganeso
Los materiales paramagnéticos son materiales atraídos por imanes, pero no se convierten en materiales permanentemente magnetizados
PARAMAGNETICOS
PERMEABILIDAD RELATIVA µr
Aire
1,00000037
Aluminio
1,000021
Tungsteno Paladio
1,00008 1,000782
Platino
1,0003
Manganeso
1,001
• En los materiales ferromagnéticos la magnetización adquiere valores mayores que la excitación magnética a la que están sometidos, ya que algunos alcanzan a valores inclusive de 1.000.000 de veces.
FERROMAGNÉTICOS • Se magnetizan fuertemente en el mismo sentido que el campo magnético aplicado • La susceptibilidad magnética es positiva y grande • Su permeabilidad magnética relativa es mucho mayor que 1 • Conservan la imanación cuando se suprime el campo. • Tienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez imanados.
• Los materiales ferromagnéticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan para el diseño y constitución de núcleos de los transformadores y máquinas eléctricas. • Estos materiales han evolucionado mucho con el paso del tiempo lo que implica más eficiencia, reducción de volúmenes y costo, en el diseño de transformadores y máquinas eléctricas.
4
02/06/2015
Propiedades: • Se las puede llevar a un estado muy intenso de magnetización por medio de un campo magnético • Retienen una cantidad considerable de su magnetización al retirarlos del campo • Pierden sus propiedades ferromagnéticas y se convierten en paramagnéticos lineales cuando su temperatura se eleva por encima de cierto nivel (conocido como temperatura de Curie). Si se calienta un imán por encima de su temperatura de Curie (para el hierro 770 °C) pierde completamente su magnetización
FERROMAGNETICOS
PERMEABILIDAD RELATIVA µr (valores típicos ) COBALTO 250 NIQUEL 600 ACERO DULCE 2.000 HIERRO CON IMPUREZAS 5.000 HIERRO SILICIO (4%) 7.000 PERMALLOY (78,5% Ni) 100.000 HIERRO PURIFICADO 200.000 SUPERMALLOY (5 Mo 79 Ni) 1.000.000
B (Wb/m2)
M (A/m)
H (A/m)
• Son no lineales, es decir la relación B= µ H no se satisface para los materiales ferromagnéticos, porque µr depende de B y no puede representarse por un valor único. Por tanto los valores de la tabla son sólo típicos. • Por ejemplo el Níquel tiene un valor µr de 50 en ciertas condiciones y 600 en otras
CURVAS DE MAGNETIZACIÓN • La característica de los materiales ferromagnéticos se representa mediante una curva denominada CURVA DE MAGNETIZACIÓN o curva de IMANACIÓN, en la que la relación M/H (B/H) no es constante, lo que no muestra que no se pueden expresar mediante una función analítica.
• Al aplicar un campo magnetizante (campo excitatriz) H, los dipolos magnéticos de la materia se orientan según este campo, llegando un momento en que todos los dipolos quedan orientados, o sea que la magnetización se hace constante (el cuerpo se ha saturado)
5
02/06/2015
PUNTO DE SATURACI ÓN
Debido al efecto de saturación, la permeabilidad magnética µf de una sustancia ferromagnética alcanza un máximo y luego declina
Comparación de permeabilidades
Ferromagnetos (µ f ) Paramagnetos (µ p) Diamagnetos (µ d) Vacío (µ0).
6
02/06/2015
1.Hoja de acero 2. Acero al silicio 3. Acero crucible 4. Acero al tungsteno 5. Acero magnético 6. Hierro crucible 7. Niquel 8. Cobalto 9.Magnetita
CURVAS DE HISTÉRESIS • Por otro lado M no depende únicamente de H, sino también de su historial magnético (si ha sido sometido anteriormente a un campo magnetizante). • Si se disminuye la excitación H, disminuye también la imanación, pero sigue una curva distinta a la anterior
En vez de tener B un valor nulo, como al inicio, el campo magnético toma un valor indicado con 2 en la gráfica, es decir tiene un campo
Para anular este magnetismo remanente se tendría que invertir el sentido de la excitación magnética hasta un valor Hc que viene representado por 3 en la siguiente imagen y que se conoce como campo coercitivo o f uerza coercitiva.
magnético remanente.
Este hecho, es decir este valor de magnetismo remanente que designamos B r es lo que se denomina HISTÉRESIS, que es una palabra que proviene del griego que significa quedarse atrás.
7
02/06/2015
Si se sigue aumentando la corriente para ver cuál es el val or máximo del campo magnético en sentido contrario y después se quisiera anular tal y como se ha hecho anteriormente, el resultado sería como el de la imagen.
CICLO DE HISTÉRESIS
De acuerdo a la forma que los materiales magnéticos tienen con el ciclo de histéresis estas de clasifican en:
Materiales magnéticamente blandos Usados en máquinas eléctricas
Materiales magnéticamente duros Usados en imanes permanentes, porque tienen una gran fuerza coercitiva
CIRCUITO MAGNÉTICO MATERIALES MAGNETICAMENTE BLANDOS
MATERIALES MAGNETICAMENTE DUROS
Se llama circuito magnético al camino por el cual se cierra un flujo magnético. Este camino puede ser el aire como también un medio material ferromagnético . Parte del flujo magnético creado por la corriente (NI=f.m.m.) no se cierra en su totalidad por el trayecto predestinado. Una parte se cierra a través del aire (FLUJO DE DISPERSIÓN). El flujo magnético que debe crear las bobinas debe ser igual a la suma del flujo activo más el de dispersión
8
02/06/2015
Sea la siguiente parte de un circuito magnético:
NI H dl H dl
dl B NI dl m A
NI
m
dR
.m.m. m.R Donde
R
l A 1
1
R
Ley de HOPPKINSON
I
NI
Re luc tancia
NI f .m.m. P
Analogía entre un circuito eléctrico y un circuito magnético
fuerza magnetomotirz
R
E
φ R
+ NI
Permeancia
-
φ R
CIRCUITO ELÉCTRICO CIRCUITO MAGNÉTICO Ley de Ohm V=R I f.e.m. Resistencia l R A 1
Conductividad = σ Densidad de corriente LCK Σ I = 0 Σ V = Σ RI
Ley de Hoppkinson NI=Ʀ φ f.m.m. Reluctancia l R A 1
Permeabilidad = µ Densidad de flujo
Diferencias existentes entre un circuito eléctrico y un circuito magnético: CIRCUITO ELÉCTRICO CIRCUITO MAGNÉTICO Existe aislante es el aire No existe aislante para el flujo magnético La conductibilidad es La permeabilidad no es constante constante Circuitos largos (l >> A) Circuito cortos ( l =A)
Σ φ =
0 ΣNI = Σ H. l = Σ φ Ʀ
9
02/06/2015
ENTREHIERRO
Ejemplo: En el circuito magnético de la figura calcular la
Es una pequeña distancia existente entre dos partes ferromagnéticas
Motor
corriente en la bobina de 500 vueltas, que producirá una densidad de flujo magnético de 1,5 W b/m 2 en el entrehierro si se considera que µ= 100 µ o y que todas las ramas tienen la misma área de sección transversal de 25 cm 2.
Electroimán
10
