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La fisica y quimica

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 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. Utilizaremos las cantidades de intensidad de campo (H) y densidad de flujo (B) en lugar de la fuerza de campo (mmf) y el 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 fragmento 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.

 

mathematical relationship between field force and flux

 

Esto se llama 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 alinea fácilmente con una fuerza adicional. Sin embargo, a medida que más flujo se concentra 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 menos y menos “Ayuda” del material para crear más densidad de flujo (B). Para poner esto en términos económicos , estamos viendo un caso de rendimientos decrecientes (B) en nuestra inversión (H). La saturación es un fenómeno limitado a los electroimanes con núcleo de hierro. Los electroimanes con núcleo de aire no se saturan, pero por otro lado, no producen casi 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 versus 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 ante un cambio de dirección. Cualquiera que haya conducido un automóvil viejo con dirección “floja” sabe qué 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 haya eliminado una fuerza de campo aplicada (consulte ” retentividad ” en la primera sección de este capítulo) si la fuerza se invierte en polaridad.

 

Usemos nuevamente el mismo gráfico, extendiendo solo los ejes para indicar cantidades positivas y 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:

 

flux density and field intensity example

 

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

 

flux density and field intensity example

 

Debido a la retentividad 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 aplicaremos lentamente la misma cantidad de fuerza de campo magnético en la dirección opuesta a nuestra muestra:

 

flux density and field intensity example

 

La densidad de flujo ahora ha alcanzado 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 la corriente que pasa por la bobina nuevamente y veamos cuánto flujo queda:

 

flux density and field intensity example

 

Una vez más, debido a la retentividad natural del material, mantendrá un flujo magnético sin energía aplicada 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 energía en una dirección positiva nuevamente, deberíamos ver que la densidad de flujo alcanza su pico anterior en la esquina superior derecha del gráfico nuevamente:

 

flux density and field intensity example

 

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 “ajustado” y otro que muestra un sistema “suelto”:

 

ideal steering system

 

loose steering system

 

Al igual que en el caso de los sistemas de dirección de 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 dificultar este objetivo de diseño (debido al hecho de que la cantidad de densidad de flujo dependerá de la corriente y ¡Qué fuerte estaba magnetizado antes!). Del mismo modo, un sistema de dirección suelto es inaceptable en un auto de carrera, donde la respuesta precisa y repetible de la dirección 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 se alterna de un lado a otro (AC). 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 usan materiales magnéticos como un 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 consiste en filtrar el “ruido” electromagnético de alta frecuencia (picos de voltaje que se alternan rápidamente) del cableado de la señal pasando esos cables por el medio de un anillo de ferrita. La energía consumida para superar la histéresis de ferrita atenúa la intensidad de la señal de “ruido”. Curiosamente, la curva de histéresis de ferrita es bastante extrema:

 

hysteresis curve for ferrite

 

REVISIÓN:

 

     

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