6.- PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA 6.1- MAGNETIZACIÓN un material es la Magnetización, imantación o imanación de un material densidad de momentos dipolares magnéticos que son magnetizados por el metal: En la mayoría de los materiales, la magnetización aparece cuando se aplica un campo magnético a un cuerpo. En unos pocos materiales, principalmente los ferromagnéticos, los ferromagnéticos, la magnetización puede tener valores altos y existir aun en ausencia de un campo externo. También se puede pue de magnetizar un cuerpo haciéndolo girar. El cálculo analítico de la magnetización de un cuerpo es, en general, imposible, lo que incluye casos tan simples como los electroimanes los electroimanes en forma de barra o de herradura. En ciertos casos en los que el cuerpo adopta una forma concreta es posible la solución analítica, como en un toro un toro o un anillo completamente arrollado con un conductor (anillo de Rowland) o en esferas en campos uniformes; hay también situaciones físicas en las que son posibles ciertas simplificaciones para su resolución. Para describir la imanación se recurre a tres campos promediados en el espacio, que describen de forma macroscópica las cargas en movimiento, los momentos magnéticos cuánticos y el campo de inducción de inducción magnética B:
B es el promedio del campo magnético microscópico (que se representa con la misma letra que el campo real, lo que da origen a confusiones).
M se refiere a los momentos dipolares magnéticos de las cargas ligadas.
la excitación magnética y se refiere a las corrientes libres y los polos H es la magnéticos. Aunque se identifica con el campo externo, el campo H puede tener fuentes en el cuerpo magnetizado.
La relación entre estos tres campos es:
En un anillo de Rowland, el campo M depende del campo H, y están relacionados por la susceptibilidad magnética: (Aunque debería depender de B, depende de H por razones históricas. Véase Campo magnético: nombre.) Dado que en general M y H no tienen la misma dirección, se puede definir la susceptibilidad a partir de sus módulos: A su vez, B y H se relacionan de la siguiente manera: donde μ es la permeabilidad magnética del medio en el que aparece el campo
magnético. Es una ecuación constitutiva en la que, según el medio material puede ser una constante, un campo escalar dependiente del tiempo y/o de la posición, un tensor (matriz) en el caso de los materiales anisótropos o incluso estar indefinido. También depende de la forma del cuerpo, ya que la relación solo es lineal en casos muy concretos, como barras infinitas, esferas en campos uniformes y anillos de Rowland. Si la magnetización es positiva, el campo magnético se refuerza en el interior del material (como ocurre en los paramagnetos y en los ferromagnetos, por ejemplo). En cambio, si la magnetización es negativa, el campo magnético se debilita en el interior del material (como ocurre en los diamagnetos). En los superconductores, la inducción magnética B es nula, así que la magnetización ha de ser siempre de la misma magnitud y dirección que el campo magnético H, pero en sentido inverso.
El campo de imanación se puede expresar por sus efectos macroscópicos de dos formas:
donde tiene componente tangencial, con una corriente superficial. Formalmente es rot M y contribuye al campo B;
donde tiene componente normal, con un polo magnético. Formalmente es div M y contribuye al campo H.
Intensidad de Campo Magnético Los campos magnéticos generados por las corrientes y que se calculan por la ley de Ampere o la ley de Biot-Savart, se caracterizan por el campo magnético B medido en Teslas. Pero cuando los campos generados pasan a través de materiales magnéticos que por sí mismo contribuyen con
sus
campos
magnéticos
internos,
surgen
ambigüedades sobre que parte del campo proviene de las corrientes externas, y que parte la proporciona el material en sí. Como práctica común se ha definido otra cantidad de campo magnético, llamada usualmente "intensidad de campo magnético", designada por la letra H. Se define por la relación: H = B0/μ0 = B/μ0 - M
y tiene un valor que designa de forma inequívoca, la influencia que ejerce la corriente externa en la creación del campo magnético del material, independientemente de la respuesta magnética del material. La relación de B se puede escribir de forma equivalente: B = μ0 (H
+ M)
H y M tendrán las mismas unidades, amperios/metro. Para distinguir aún más B de H, a veces se le llama a B densidad de flujo magnético o inducción magnética. A la cantidad M en estas fórmulas, se le llama magnetización del material. Otro uso común para la relación entre B y H es: B = μmH
Donde: μ = μm = Kmμ0
siendo μ0 la permeabilidad magnética del vacío y Km la permeabilidad relativa del
material. Si el material no responde al campo magnético externo, no produciendo ninguna magnetización, entonces Km = 1. Otro cantidad magnética comúnmente usada es la susceptibilidad magnética, la cual especifica en cuanto difiere de 1, la permeabilidad relativa. En los materiales paramagnéticos y diamagnéticos, la permeabilidad relativa está muy próxima a 1, y consiguientemente la susceptibilidad magnética muy próxima a 0. En los materiales ferromagnéticos, estas cantidades pueden ser muy grandes. La unidad para la intensidad del campo magnético H, se puede obtener de su relación con el campo magnético B, B = μH. Como la unidad de permeabilidad magnética μ es N/A2, entonces la unidad para la intensidad del campo magnético
es: T/(N/A2) = (N/Am)/(N/A2) = A/m El Oersted es una unidad más antigua de intensidad de campo magnético: 1 A/m = 0.01257 Oersted
6.2 – INTENSIDAD MAGNÉTICA La intensidad magnética es un fenómeno que normalmente se expresa en términos de magnetización y el campo magnético. Magnetización puede ser fuerte o débil, dependiendo de cómo la magnetización tuvo lugar o el material que adquiere propiedades magnéticas. Fuerza del campo magnético puede ser débil o fuerte dependiendo de la magnitud de la poseen material de magnetismo. Todos estos influyen directamente en el valor de la intensidad del imán. Un material que no es magnetizado tiene su dominio dispuesta al azar.
Con una introducción de un campo magnético a través d el cuerpo, el dominio tiende a alinear a una dirección específica y por lo tanto un material puede decirse que han adquirido algunas propiedades magnéticas. En un momento dado, un campo magnético pueden clasificarse por su magnitud y la dirección. Allí por ser una cantidad vectorial. Campo magnético que existe en un “espacio vacío” se denota
por la letra B y sus unidades de medida es el tesla. La calidad de cualquier imán sólo puede deducirse mediante el análisis de sus líneas de campo. Intensidad magnética se refiere a la fuerza de una fuerza externa de un experimentado por un cuerpo colocado en un específico situado dentro del campo del imán y se denota por la letra H. La intensidad magnética también puede ser descrita como una fuerza que magnetiza. Es muy importante en la caracterización de la fuerza de
un
imán
campo
externo;
no
incluye
contribuciones de campo magnético interno de materiales. La posición donde se lleva a la prueba de fuerza magnética depende de la posición en las líneas de campo, por ejemplo, un cuerpo colocado lejos del imán experimentará una fuerza de magnitud menor que uno más cerca al imán. La unidad de H es el amperio por metro. La fuerza del campo varía con imanes diferentes. Si por ejemplo es un electroimán, entonces definitivamente tiene que depender de lo que lo hace para adquirir propiedades magnéticas como eléctricas actuales, número de vueltas de la herida s i se utiliza un solenoide etc… La medida en que tiene lugar de magnetización también puede medirse y se conoce como intensidad de magnetización. Matemáticamente, es representada por; Donde I es la propiedad de magnetización, p m es el momento magnético total mientras que v es el volumen. Fuerza del campo magnético es muy importante para determinar la adecuada aplicación de imanes. Para aumentar la intensidad magnética en generadores, normalmente se utiliza un imán curvo. Puede aumentar la intensidad de un imán para una aplicación determinada.
Magnitudes magnéticas Al igual que para definir el comportamiento de un circuito eléctrico utilizamos las magnitudes eléctricas, para definir los campos electromagnéticos utilizamos las magnitudes magnéticas. Flujo magnético (Φ): El campo magnético se representa a través de las líneas de
fuerza. La cantidad de estas líneas se le denomina flujo magnético. Se representa por la letra griega Φ; sus unidades son:
El weber (Wb), en el sistema internacional. El maxvelio, en el sistema cgs (Mx). La relación que existe entre ambas unidades es 1 Wb = 108 Mx.
Inducción magnética (B): La inducción magnética se define como la cantidad de líneas de fuerza que atraviesan perpendicularmente la unidad de superficie. En cierta forma, nos indica lo densas que son las líneas de fuerza, o lo concentradas que están, en una parte del campo magnético. Se representa por la letra griega B; sus unidades son: El tesla (T), en el sistema internacional. El gauss (Gs), en el sistema cgs. La relación que existe entre ambas unidades es 1 T = 104 Gs. Se dice que existe una inducción de una tesla cuando el flujo de un weber atraviesa perpendicularmente una superficie
de un metro
cuadrado.
6.3 CONSTANTES MAGNÉTICAS Constante magnética es constante física denotada por µo, ampliamente conocida como permeabilidad de espacio libre o permeabilidad del vacío antes de organización estándar se estableció en el término magnético constante. Es una constante física ideal y es el valor de la permeabilidad magnética en el vacío clásico; la resistencia total con experiencia en la formación de un campo magnético. Su derivación es de un movimiento de carga eléctrica o la producción del campo magnético de una corriente eléctrica.
Esta constante utiliza un sistema de amplia gama de SI de unidades en función de la situación que se aplica. En electromagnetismo, la permeabilidad se describe como la medida de un grado importante para apoyar el establecimiento de un campo magnético dentro del material. El valor fue como resultado de la definición de amperio en términos de fuerzas en los cables de un metro de distancia en el vacío. Amperios dieron su definición como “el ampere es la corriente constante que se
mantiene en dos conductores rectas paralelos de longitud indefinida de sección circular despreciable y colocado aparte un metro en el vacío procesaría a estos conductores una fuerza igual a 2 * 10 –7 N/m”. La constante magnética es un parámetro muy importante en describir y sobre radiación
electromagnética,
propiedades
eléctricas y magnéticas que muestra la relación de permeabilidad y densidad de magnetización y también utiliza el cálculo de la velocidad de la luz en el vacío. La constante magnética varía en función de distintos parámetros, es decir, la temperatura, la humildad y la posición de los materiales del medio. Permeabilidad magnética también puede ser descrita en su dimensión SI métrica que otorga; longitud * masa * tiempo−2 * corriente electrica −2
Susceptibilidad magnética: Esto es una constante de proporcionalidad que también es muy importante en el magnetismo. Es una cantidad que describe el fenómeno magnético en el campo magnético alrededor de él y la magnitud de la magnetización adquirida. Muestra el grado de magnetización de un material. Toma de dipolos magnéticos una cantidad determinada de tiempo infinito para responder a la existencia de cualquier campo magnético alrededor de ellos, lo que implica que las constantes dependen también de frecuencia. Está dada por la fórmula: k = M / H
Donde k es la susceptibilidad magnética, M es la magnetización y H es el campo externo aplicado. Normalmente se expresa por unidad de volumen. Susceptibilidad específica está dada por: Χ = k/r D,onde r es la densidad del material. Su valor depende del tipo del sistema de medición utilizado. Puede ser utilizado para medir los cambios en la composición de las sustancias. Estas constantes son muy importantes en los cálculos aritméticos y magnetismo de entendimiento en general.
6.4 - CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES MAGNÉTICOS De forma general, suele clasificarse a los materiales magnéticos en dos grandes grupos: materiales magnéticos blandos y materiales magnéticos duros. En la
siguiente
presentan
las
figura
se
curvas
de
histéresis características de dos materiales magnéticos, uno blando y otro duro. . Materiales Magnéticos B landos Un material magnético blando es aquel que una vez magnetizado hasta la saturación Bs, si se elimina el campo aplicado H se desmagnetiza con facilidad, .
es decir, presenta de forma espontánea un valor Br bajo, que desaparece completamente con valores de H de signo contrario también bajos. Como consecuencia, presentan curvas de histéresis magnética muy estrecha, con bajas pérdidas de energía por ciclo.
.
Un material magnético blando es por tanto aquel cuya imantación y desimantación resulta fácil, es decir, aquellos en los que el movimiento de las .
paredes de los dominios y su rotación resulta fácil.
Estas características de fácil imantación y desimantación permiten su utilización para construir circuitos magnéticos en aplicaciones con corriente alterna: transformadores, generadores, motores, etc. y también en otras aplicaciones donde el material debe desmagnetizarse con facilidad, como relés, electroimanes, accionamiento
de
servo
válvulas,
etc.
.
Materiales Magnéticos Duros
.
Una definición simple de material magnético duro es aquel, que una vez
magnetizado, se comporta como un imán permanente . Es decir, presenta un alto valor de Br y resulta difícil de desimantar aún en presencia de campos H de sentido contrario grandes, lo que significa que también deben presentar una alta fuerza coercitiva Hc. Este comportamiento se debe a que una vez orientados los dominios tienen grandes dificultades para volver al estado original, con direcciones de sus momentos magnéticos al azar. . Un imán permanente proporciona un campo magnético al exterior, al igual que una bobina por la que circula corriente. Gracias a ello, se emplean en la construcción de motores eléctricos y generadores de corriente continua. Las aplicaciones electrónicas incluyen imanes para auriculares, altavoces, timbres de teléfonos, etc. MATERIALES MAGNÉTICOS: Todos los asuntos se clasifican según sus características intrínsecas y su comportamiento en un campo magnético aplicado. El renombrado Faraday fue el primero a clasificar la materia como: paramagnéticos y ferromagnéticos y diamagnética sustancias a través de su observación de sustancias bajo heterogéneo campo magnético cuando se ejerce una fuerza sobre las sustancias. Diamagnética sustancias Son los que representan una
susceptibilidad
magnética
negativa;
lo
produce un campo magnético muy débil; sustancias poseen opuesto magnetización y campos magnéticos. Normalmente, los átomos en esta clase se emparejaron y no experimentan ningún momento magnético bajo un fuerte campo magnético
aplicado.
Cuando
un
asunto
diamagnético se coloca en un campo magnético, sus átomos adquieren e inducida por un momento magnético apuntando en la dirección opuesta al campo externo.
Los ejemplos de este tipo de sustancias con estas exposiciones son metales de cobre y aluminio. Se utiliza en curva agua y levitación. Sustancias paramagnéticas Estas sustancias muestran una susceptibilidad magnética positiva; también producen un campo débil. A diferencia de las sustancias diamagnética, los átomos de sustancias paramagnéticos no emparejar sus electrones en la misma vuelta. Estas sustancias muestran un momento magnético permanente como los átomos están alineados en la dirección del campo magnético externo aplicado. La introducción del movimiento térmico Aleatorizado las direcciones de los á tomos. Tierra rara, actínidos y algunos metales son ejemplos de sustancias paramagnéticas. Sustancias ferromagnéticas Estos tienen las susceptibilidades magnéticas más altas; debido al mayor grado de magnetismo el resultado de su configuración electrónica. El giro de un solo átomo trae consigo el efecto cuántico llamado intercambio de acoplamiento, a los átomos vecinos; alineación de los átomos en la ausencia de cualquier campo aplicado externamente. La adición de energía térmica superior a la temperatura de Curie permite la sustancia dejar de ser un ferromagnéticos debido al mayor movimiento de los átomos que destruye la alineación de la dipolo. Estos elementos son de hierro, níquel, cobalto, aleación de acero, gadolinio y una aleación de cobalto aluminio níquel.
Sustancias ferromagnéticas: tienen las aplicaciones más atrayentes que los otros.
Sustancias Antiferromagngeticas: Estos materiales se comportan de manera similar como sustancias ferromagnéticas, pero en este caso los átomos vecinos intercambian resultados de interacción a los momentos magnéticos atómicos para mostrar una alineación antiparalelo.
6.5 - CIRCUITOS MAGNÉTICOS Se denomina circuito magnético a un dispositivo en el cual las líneas de fuerza del campo magnético se hallan canalizadas trazando un camino cerrado. Para su fabricación
se
utilizan
materiales ferromagnéticos, pues
éstos
tienen
una permeabilidad magnética mucho más alta que el aire o el espacio vacío y por tanto el campo magnético tiende a confinarse dentro del material, llamado núcleo. El
llamado acero
eléctrico es
un
material cuya permeabilidad magnética es excepcionalmente alta y por tanto apropiado para la fabricación de núcleos. Un circuito magnético sencillo es un anillo
o toro hecho
ferromagnético
de
material
envuelto
por
un arrollamiento por el cual circula una corriente eléctrica. Esta última crea un flujo magnético en el anillo cuyo valor viene dado por:
Donde
es el flujo magnético,
es la fuerza magnetomotriz, definida como el
producto del número de espiras N por la corriente I (
) y
es
la reluctancia, la cual se puede calcular por:
Donde
es
la permeabilidad (henrio/metro)y
la longitud del
circuito,
magnética del
medida
material,
en metros, representa medida
en
H/m
el Área de la sección del circuito (sección del núcleo magnético,
perpendicular al flujo), en metros cuadrados. Los circuitos magnéticos son importantes en electrotecnia, pues son la base teórica para la construcción de transformadores, motores eléctricos, muchos interruptores automáticos, relés, etc.
Clases de Circuitos Magnéticos
Homogéneos: una sola sustancia, sección uniforme y sometido a igual inducción en todo su recorrido.
Heterogéneos: varias sustancias, distintas secciones o inducciones, o coincidencia de estas condiciones.
Las leyes de los circuitos magnéticos son formalmente similares a las de los circuitos eléctricos, aunque al contrario que en este último, no hay nada material que circule. Esta analogía entre circuitos eléctricos y circuitos magnéticos se puede explotar para encontrar soluciones simples para flujos en circuitos magnéticos de considerable complejidad. En la siguiente tabla se describen las variables que se comportan de manera análoga en los circuitos magnéticos y eléctricos:
CIRCUITO MAGN TICO
CIRCUITO EL CTRICO
Fuerza magnetomotriz
Diferencia de potencial (Tensión eléctrica ó Voltaje)
Flujo magnético
Corriente
Reluctancia
Resistencia
Densidad de flujo
Densidad de corriente
Permeabilidad
Conductividad
Excitación magnética
Campo eléctrico
R ES OLUCIÓN DE CIR CUITOS MAG NÉTICOS Sistema empírico (utilizando tablas) Conocida la inducción, B, calcular la intensidad de campo H, mediante tablas y viceversa. siendo parciales.
las intensidades de campo parciales y
las longitudes del circuito
Proceso:
Determinar la inducción para cada una de las partes.
Conocida l y S, determinar los amperivueltas con ayuda de una tabla.
Calcular los amperivueltas parciales para cada tramo.
Calcular los amperivueltas totales sumando los parciales obtenidos. Sistema teórico
Conocido el flujo, calcular la fuerza magnetomotriz (
) y viceversa.
Se parte del supuesto de que un mismo material tiene un coeficiente de permeabilidad relativo constante
BIBLIOGRAFÍA
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Wikipedia (2015). Magnetización. Diciembre 2015, de Wikipedia.org de Sitio web: https://es.wikipedia.org/wiki/Magnetizaci%C3%B3n
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