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Tema 6
Fundamentos de las propiedades magnéticas de la materia.
Objetivo: El alumno describirá lascaracterísticas magnéticas de los materiales.
Contribución magnética de los átomos.
El comportamientode los materialesse puede explicarpor el giro de lospor el giro de loselectronesalrededor delnúcleo.
Contribución magnética de los átomos.
El electrón representa una espira decorriente, ya que en cada segundo puedepasar varias veces por un punto cualquierapasar varias veces por un punto cualquierade la trayectoria circular.
[ ]
π2rv
π2ωf
Afeqidonde
==
=
Momento dipolar magnético
La corrienteproduce unproduce unmomento dipolarmagnético pm,como se muestraen la figura.
Materiales diamagnéticos
Materiales que tienden aorientarse en sentidocontrario a las líneas delcampo magnético. A estoscampo magnético. A estosmateriales se les llamadiamagnéticos , comoejemplo típico seencuentra el carbón, elplomo, el cobre, el agua,etc.
Materiales paramagnéticos.
Materiales que experimentanuna fuerza en la dirección delcampo, es decir, son atraídoscampo, es decir, son atraídospor el imán pero de maneramuy débil. A estos se lesconoce comoparamagnéticos , comoejemplo se menciona alaluminio, al sodio, al platino,etc.
Materiales ferromagnéticos.
Materiales que sonatraídos con mayorfuerza que losfuerza que losanteriores, por elimán, se les llamaferromagnéticos y elejemplo másconocido es el fierro.
Vector magnetización.
Si en un material de volumen V, se tienen N dipolos magnéticos, el momento dipolar magnético total se expresa por:
∑nrr
magnético total se expresa por:
=m
A
V
pM mT
rr
∑=
=n
1imimT pp
rr
El vector magnetizaciónse define como elmomento dipolarmagnético total porunidad de volumen
Mr
Materiales ferromagnéticos
En esta clase de materiales los momentosdipolares tienden a alinearse, aun sin laexistencia de campo magnético externo,existencia de campo magnético externo,formando regiones dentro del materialdenominadas dominios.Cuando se aplica uncampo magnético externoestos dominios crecena expensas de otros enladirección del campo magnético aplicado,obteniendo unvector magnetización.
Materiales ferromagnéticos.
Dominios
Materiales ferromagnéticos.
� Los materiales ferromagnéticos,compuestos de hierro y sus aleaciones concobalto, gadolinio, níquel y otros metales,cobalto, gadolinio, níquel y otros metales,son los materiales magnéticos máscomunes. Sus permeabilidades relativasson mucho mayor que la unidad.
� http://www.paginadigital.org/articulos/2004/2004seg/tecnologia1/sica26cccc-3pl.asp
� Imán y desarmador es un buen ejemplo.
Magnetización de la materia
Cuando el material es homogéneo lamagnetización tiene la dirección delcampomagnéticoaplicadoy es causantecampomagnéticoaplicadoy es causantede producir un campo magnético como unimán..
Magnetización de la materia
El vector intensidad de campo magnético esel vector resultante de la diferencia delcampo magnético y el vector magnetizacióncampo magnético y el vector magnetizacióny da una indicación del campo magnéticoen todo el material .
( )MHµB;m
AM
µ
BH 0
0
rrrrr
r+=
−=
Parámetros usados para describir el comportamiento magnético de las
sustancias
El campo vector intensidad magnética (H) (que seha considerado tradicionalmente el campoprincipal, ya que se puede relacionar con lascargas, masas o polos magnéticos) y el vectorcargas, masas o polos magnéticos) y el vectormagnetización (momento dipolar magnéticopromedio por átomo por número de átomos porunidad de volumen) se relacionan a través de lasusceptibilidad magnética:
=m
AHχM m
rr
Parámetros usados para describir el comportamiento magnético de las
sustancias
El campo magnético se puede expresar como:
( ) [ ]TH1B m0 χ+µ=
Parámetros usados para describir el comportamiento magnético de las
sustancias
De manera análoga al caso de losdieléctricos, se puede definir lapermeabilidad del medio como:permeabilidad del medio como:
( )
⋅χ+µ=µ
mA
Wb1 m0
Por lo tanto:
[ ]THµB =
Curvas de histéresis
En muchos materiales ferromagnéticos larelación entre la magnetización y el campómagnético externo es diferente cuando elmagnético externo es diferente cuando elcampo magnético externo está aumentandoque cuando está disminuyendo. Estecomportamiento se llama histéresis ygeneralmente la información se proporcionapor medio de curvas o ciclos de histéresis.
Curvas de histéresis
Curva de histéresis o ciclo de histéresis para un material ferromagnético.
Curva de magnetización.
La curva que relaciona el campo magnético y el vector intensidad magnética se denomina curva de magnetización.curva de magnetización.
Circuitos magnéticos
Existe un grupo particular de problemas queinvolucran materiales ferromagnéticos, muycomún en ciertas áreas de ingeniería, en loscomún en ciertas áreas de ingeniería, en loscuales es posible aplicar los procedimientosde análisis desarrollados para circuitosresistivos, haciendo analogías entre estosfenómenos y algunos que involucranmateriales ferromagnéticos.
Circuitos magnéticos.
Estos problemas tienen que ver con el diseño yconstrucción de transformadores y sedenomina circuito magnético. Un circuitomagnético es un dispositivo en el que las líneasmagnético es un dispositivo en el que las líneasde fuerza del campo magnético estáncanalizadas en un camino cerrado. Se basa enque los materiales ferromagnéticos tienen unapermeabilidad mucho más alta que el aire o elespacio y por tanto el campo magnético tiendea quedarse dentro del material.
Circuitos magnéticos
Un circuito magnético sencillo es un anillode una material ferromagnético con unarrollamiento por el que circula unacorriente. Se puede demostrar que lascorriente. Se puede demostrar que lasrelaciones obtenidas son independientes dela forma geométrica del circuito magnético.
Circuitos magnéticos
El vector intensidad de campo magnético H a través de la trayectoria de radio rm es:
∫ =⋅ llrr
HdH∫ =⋅ ll HdH
De acuerdo con la Ley de Ampere sabemos que:
∫ =⋅ NIdH lrr
A esta expresión se le denominafuerza magnetomotriz y serepresenta por
[ ]∫ ⋅⋅=ℑ vueltaAdH lrr
Circuitos magnéticos
De la relación multiplicando por l/l y A/A se tiene:
µ
BH =
BAAB lll
Aµ
BA
A
A
µ
BH =
=⋅
Como
Por lo tanto:
BAb =φ
∫ ===⋅ NIφAµ
HdH b
lll
rr
Circuitos magnéticos
Al término se le denomina reluctancia (resistencia magnética) por su analogía con la resistencia.
ℜ=Aµ
l
llla resistencia.
AAR
σ=ρ= ll
==⋅=
⋅
=ℜH
1
henry
1
Wb
vueltaA
mAWbm
Aµ
l
Circuitos magnéticos
Por lo tanto
[ ]lrr [ ]
b
bb
φ
vueltaAφφAµ
dH
ℜ=ℑ
⋅ℜ==⋅=ℑ ∫l
lrr
Circuitos magnéticos
Los resultados anteriores se pueden generalizar acualquier forma de núcleo e inclusive que no seancontinuos, es decir, que tengan espacios de airellamados entrehierros. Los circuitos magnéticosllamados entrehierros. Los circuitos magnéticosson importantes en todas las áreas donde seutilizan los transformadores, motores eléctricos,interruptores automáticos, relevadores, etc.Dependiendo de la aplicación y de la construcciónde estos circuitos magnéticos se pueden tenerreluctancias en serie o en paralelo.
Circuitos magnéticos. Ejemplo
En la figura se tiene una bobina de 200 [vueltas]devanadas sobre un núcleo ferromagnético cuyacurva de magnetización aparece en la gráfica. SiI=1.6 [A] y l=2[cm], obtenga:I=1.6 [A] y l=2[cm], obtenga:
a) La magnitud de la intensidad de campomagnético H en el núcleo.
b) La magnitud del campo magnético B en elnúcleo.
c) La reluctancia R del núcleo.d) El circuito magnético y su flujo.
Circuitos magnéticos
.
Circuitos magnéticos
( )( )
===m
A2000
04.04
6.1200NIH
ml6. a)
b) De la gráfica se observa que B=0.54 [T]
⋅×=
⋅×===µ→µ= −−
mAWb
107.2AmT
107.22000
54.0HB
HB 44
( )
×=××
×=µ
=ℜ−−
−
Wb
A104815.1
102107.2
1016
A6
224
2ml
b) De la gráfica se observa que B=0.54 [T]
c)
Circuitos magnéticos
d)
( ) [ ]vueltaA3206.1200NI ⋅===ℑ
[ ]Wb1016.2104815.1
320 4
6
−×=×
=ℜℑ=φ→φℜ=ℑ
Reluctancia en serie
Un circuito magnéticose puede construircon un núcleo macizocon un núcleo macizode materialferromagnético queposee un espacio deaire o entrehierro deespesor la, como semuestra en la figura.
Reluctancia en serie
Determinar el flujo magnético cuando se aplica una fuerza magnetomotriz.
Sabemos : [ ]vueltaAdHNI ⋅⋅==ℑ ∫ lrr
Sabemos : [ ]vueltaAdHNI ⋅⋅==ℑ ∫ l
Esta integral cerrada puede ser evaluada através de la trayectoria media indicada, la cualconsta de dos partes. Una en el materialferromagnético y la otra en el entrehierro.
Reluctancia en serie
NIHHdH
dHdHdHaaff
=+=⋅
⋅+⋅=⋅
∫
∫∫∫lll
rr
lrr
lrr
lrr
� De las relaciones:
NIHHdH aaff =+=⋅∫ lll
a
aa
f
ff
BH
BH
µ=
µ=
Reluctancia en serie
� Al multiplicar por las longitudes
fff ABH φ=
= lll
a
aa
a
a
aa
a
aaa
f
ff
f
f
ff
f
fff
AA
ABH
AA
ABH
φµ
=
µ=
φµ
=
µ=
lll
lll
Reluctancia en serie
� Recordando que la reluctancia es:
aa
ff y
µ=ℜ
µ=ℜ ll
aa
a
ff
f Ay
A µ=ℜ
µ=ℜ
Además: φ=φ=φ af
Por lo tanto: φℜ+φℜ==ℑ afNI
φℜ+==ℑ affHNI lO
Reluctancia en serie
Por lo que:
fff ABH φℜ=φ=
= lll
aaa
aa
a
a
aa
a
aaa
fff
ff
f
f
ff
f
fff
AA
ABH
AA
ABH
φℜ=φµ
=
µ=
φℜ=φµ
=
µ=
lll
lll
Reluctancia en serie
� Si los datos son la fuerza magnetomotriz ylas dimensiones del núcleo, es necesarioconocer la intensidad magnética delconocer la intensidad magnética delmaterial y el flujo, por lo tanto
[ ]
[ ]TAA
ABB
dondede
WbABAB
ff
aaf
ffaa
φ==
==φ
Reluctancia en serie
� El circuito equivalente del circuito magnético es:
Reluctancia en serie
Ejemplo: Para el circuito magnético mostrado en la figura,construido por dos materiales ferromagnéticos distintos, elprimero de ellos es una aleación níquel-hierro y el segundoes acero-silicio, determinar:es acero-silicio, determinar:a) La magnitud del flujo magnético en el segundo material.b) La magnitud de la intensidad magnética en el segundomaterial.c) El valor del flujo;Si la fuerza magnetomotriz , y ladensidad de flujo magnético y la magnitud de la intensidadmagnética en el primer material son:
respectivamente.[ ]
==m
A228HyT21.1B 11
]vueltaA[42NI ⋅==ℑ
Reluctancia en serie
Circuitomagnéticoformado por dosformado por dosmaterialesferromagnéticos
Reluctancia en serie
Sabemos que:
queloPor
B5.1A
ABB 2
1
221 ==
]T[81.0B
queloPor
2 =
También:
−=−ℑ=m
AH643.0300HH 2
1
22
1
1l
l
l
Despejando:
=m
A112H2
Reluctancia en serie
c) El flujo: [ ]mWb48.0ABAB 2211 ===φ
Reluctancia en paralelo
El circuito magnético mostrado en la figuraestá construido con un solo materialferromagnético y una fuente magnetomotriz.ferromagnético y una fuente magnetomotriz.En esta caso las reluctancias están enparalelo y el circuito magnético equivalentesería el siguiente.
Reluctancia en paralelo
Circuito magnético con reluctancia en paralelo y su representación.
Reluctancia en paralelo
Para este circuito se puede plantear las siguientes ecuaciones:
321
332211
332211
:También
HHH
:O
φ+φ=φ==−ℑ
φℜ=φℜ=φℜ−ℑ
lll
Reluctancia en paralelo
En la figura se muestra un circuito magnéticoconstruido de hierro colado, utilizando lasiguiente curva de magnetización,compruebe que:compruebe que:
Reluctancia en paralelo
Curva de magnetización del hierro colado.
Reluctancia en paralelo
.
[ ][ ]=
=φT295.0B
mWb118.01[ ][ ]=
=φT497.0B
mWb119.02
[ ]
⋅×=µ
=
=
−
mA
Wb104538
m
A650H
T295.0B
7
1
1
1[ ]
⋅×=µ
=
=
−
mA
Wb10306
m
A1600H
T497.0B
7
2
2
2
Reluctancia en paralelo
.[ ][ ]=
=φT195.0B
mWb078.0
3
3
[ ]
⋅×=µ
=
=
−
mA
Wb104875
m
A400H
T195.0B
73
3
3
Gabriel A. Jaramillo Morales, Alfonso A. Alvarado Castellanos.Electricidad y magnetismo.
Bibliografía
Electricidad y magnetismo.Ed. Trillas. México 2003
Sears, Zemansky, Young, FreedmanFísica UniversitariaEd. PEARSON. México 2005