14.4: Permeabilidad y Saturación

La no linealidad de la permeabilidad del material puede ser graficada 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 de la gráfica. 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. Utilizaremos 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 nuestra gráfica 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 parte de una sustancia en particular, con el mismo espíritu que describir 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 (bajo H), solo unos pocos átomos están alineados, y el resto se alinean fácilmente con fuerza adicional. Sin embargo, a medida que más flujo se abarrota 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, y así se necesita más y más fuerza (H) para obtener cada vez menos “ayuda” del material en la creación de más densidad de flujo (B). Para poner esto en términos económicos, estamos viendo un caso de rendimientos decrecientes (B) sobre nuestra inversión (H). La saturación es un fenómeno limitado a los electroimanes de núcleo de hierro. Los electroimanes de núcleo de aire no saturan, pero por otro lado no producen casi tanto flujo magnético como un núcleo ferromagnético para el mismo número de vueltas de cable y corriente.

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 retraso entre la entrada y la salida en un sistema tras un cambio de dirección. Cualquiera que alguna vez haya conducido un automóvil viejo con dirección “suelta” sabe lo que es la histéresis: para cambiar de girar a la izquierda a girar a la derecha (o viceversa), hay que girar el volante una cantidad adicional para superar el “retraso” incorporado en el sistema de enlace mecánico entre el volante y el ruedas delanteras del auto. En un sistema magnético, la histéresis se observa en un material ferromagnético que tiende a permanecer magnetizado después de que se haya eliminado una fuerza de campo aplicada (ver “retentividad” en la primera sección de este capítulo), si la fuerza se invierte en polaridad.

Volvamos a usar la misma gráfica, 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 el aumento de la densidad de flujo (subir y hacia la derecha) de acuerdo con la curva de magnetización normal:

A continuación, detendremos la corriente pasando por la bobina del electroimán y veremos qué sucede con el flujo, dejando la primera curva aún en la gráfica:

Debido a la retencividad del material, todavía tenemos un flujo magnético sin fuerza aplicada (sin corriente a través de la bobina). Nuestro núcleo de electroimán está actuando como un imán permanente en este punto. Ahora vamos a aplicar lentamente la misma cantidad de fuerza de campo magnético en la dirección opuesta a nuestra muestra:

La densidad de flujo ha llegado ahora a un punto equivalente a lo que era con un valor positivo completo de intensidad de campo (H), excepto en la dirección negativa, u opuesta. Detengamos nuevamente la corriente pasando por la bobina y veamos cuánto flujo queda:

Una vez más, debido a la retencividad natural del material, mantendrá un flujo magnético sin energía aplicada a la bobina, excepto que esta vez es en una dirección opuesta a la de la última vez que paramos la corriente a través de la bobina. Si volvemos a aplicar energía en una dirección positiva nuevamente, deberíamos ver que la densidad de flujo alcanza su pico anterior en la esquina superior derecha de la gráfica 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). Si esto no tiene sentido, considere un gráfico de histéresis para el escenario de dirección del automóvil descrito anteriormente, un gráfico que representa un sistema de dirección “apretado” y otro que representa un sistema “suelto”:

Al igual que en el caso de los sistemas de dirección de automóviles, la histéresis puede ser un problema. Si estás diseñando un sistema para producir cantidades precisas de flujo de campo magnético para cantidades dadas de corriente, la histéresis puede dificultar este objetivo de diseño (¡debido al hecho de que la cantidad de densidad de flujo dependería de la corriente y cuán fuertemente se magnetizó antes!). Del mismo modo, un sistema de dirección flojo es inaceptable en un auto de carreras, donde una respuesta de dirección precisa y repetible es una necesidad. Además, tener que superar la magnetización previa en un electroimán puede ser un desperdicio 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 esta energía desperdiciada.

Otras veces, la histéresis magnética es algo deseable. Tal es el caso cuando se utilizan materiales magnéticos como medio de almacenamiento de información (discos de computadora, cintas de audio y video). En estas aplicaciones, es deseable poder magnetizar una mota de óxido de hierro (ferrita) y confiar en la retencividad de ese material para “recordar” su último estado magnetizado. Otra aplicación productiva para la histéresis magnética es filtrar el “ruido” electromagnético de alta frecuencia (sobretensiones alternas rápidamente) del cableado de la señal haciendo pasar esos cables a través de la mitad de un anillo de ferrita. La energía consumida para superar la histéresis de la ferrita atenúa la intensidad de la señal de “ruido”. Curiosamente, la curva de histéresis de la ferrita es bastante extrema:

Revisar

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