Mediciones Magnéticas

Generalidades

Todas las máquinas eléctricas están construidas con núcleos de materiales

magnéticos. La medición más importante dentro del área de estos materiales son las

pérdidas que presenta una laminación cuando se establece un flujo alterno

determinado.

Tales pérdidas se deben a los efectos denominados: corrientes parásitas o de Foucault

y por Histéresis magnética.

Las medidas magnéticas pueden dividirse en 2 tipos:

Aquellas en las que se determina la intensidad de un campo magnético (tal como el

campo magnético terrestre, el campo producido por un conductor recorrido por una

corriente, el campo entre el entrehierro de un imán.

Las que se efectúan para determinar las propiedades de un material magnético.

Las medidas de intensidad de campo pueden efectuarse por métodos de inducción

con una barra imanada oscilante, con un espiral de bismuto o con el magnetrón. En el

método de inducción, se dispone de una bobina de número de espiras de sección

conocida, de tal forma que pueda cortar el campo en la región deseada en una

dirección perpendicular del mismo.

Fórmula para calcular la intensidad de campo mediante el método de inducción.

La densidad de flujo en líneas por centímetro cuadrado= B, por definición en el aire

B=H por consiguiente:

Intensidad de campo= 10⁸dkRxan

Donde:

D= desviación del galvanómetro

K= constante del galvanómetro en coulomb por división de escala.

R= resistencia total del circuito del galvanómetro.

N= número de espiras de la bobina.

A= superficie media de la bobina en centímetro cuadrados

X=1 cuando la bobina se retira del campo; x=2 cuando la bobina gira 180 grados en el

campo.

PROPIEDADES MAGNETICAS DE LA MATERIA

MATERIALES MAGNETICOS

Muchos dispositivos, como transformadores, motores o electroimanes, contienen

siempre hierro o aleaciones de hierro en sus estructuras, para aumentar el flujo

magnético y confinarlo en una región deseada.

Las propiedades magnéticas no son exclusivas de una parte de la materia, sino que

están presentes en todos los materiales o sustancias, aunque en unos en mayor grado

que en otros.

Podemos clasificar todas las sustancias, de acuerdo con su comportamiento al ser

sometidas a la acción de un campo magnético, en una de estas tres categorías:

Sustancias paramagnéticas, débilmente atraídas hacia la zona de campo más intenso;

b) sustancias diamagnéticas, débilmente repelidas hacia las regiones de menor campo;

c) sustancias ferromagnéticas fuertemente atraídas hacia la zona de campo más

intenso con fuerzas entre 10 3 y 10 6 veces más intensas que las paramagnéticas.

Los tipos de magnetismos son creados por el movimiento de la carga eléctrica básica:

el electrón. Cuando los electrones se mueven por un hilo conductor se origina un

campo magnético alrededor del hilo. Las propiedades magnéticas macroscópicas de los

materiales, son consecuencia de los momentos magnéticos asociados con electrones

individuales. Cada electrón en un átomo tiene momentos magnéticos que se

generan dos fuentes. Una está relacionada con su movimiento orbital alrededor del

núcleo; siendo una carga en movimiento, un electrón se puede considerar como un

pequeño circuito cerrado de corriente, generando un campo magnético muy pequeño

y teniendo un momento magnético a lo largo de su eje de rotación Cada electrón se

puede considerar rotando alrededor de su eje; el otro momento magnético se forma

de la rotación (spin) del electrón, este se dirige a lo largo del eje de rotación y puede

estar hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la dirección de rotación del electrón.

El momento magnético generado por el spin del electrón es conocido

como magnetón de Bohr

(mB= 9.27 x 10-24A.m2)

Que puede ser positivo o negativo, teniendo en cuenta el sentido de giro del electrón.

Los tipos de magnetismo incluyen diamagnetismo, paramagnetismo y

Ferromagnetismo. Además el anti ferromagnetismo y el ferromagnetismo

se consideran subclases de ferromagnetismo. Todos los materiales tienen al Menos

uno de estos tipos y el comportamiento depende de la respuesta del Electrón y los

dipolos magnéticos atómicos a la aplicación de un campo Magnético aplicado

externamente.

FERROMAGNETISMO

Propiedad de algunos materiales que hace que resulten intensamente imantados cuando se sitúan en un campo magnético, y conserven parte de su imantación cuando desaparece dicho campo.

En los materiales ferromagnéticos los momentos magnéticos individuales de grandes

grupos de átomos o moléculas se mantienen lineados entre sí debido a un fuerte

acoplamiento, aún en ausencia de campo exterior Estos grupos se denominan

Dominios, y actúan como un pequeño imán permanente. Los dominios tienen tamaños

entre 10−12 y 10−8 y contienen entre 1021 y 1027 átomos. Los dominios se forman para

minimizar la energía magnética entre ellos. En ausenciade campo aplicado, los

dominios tienen sus momentos magnéticos netos distribuidos al azar.

Cuando se aplica un campo exterior, los dominios tienden a alinearse con el campo.

Este alineamiento puede permanecer en algunos casos de muy fuerte acoplamiento

cuando se retira el campo, creando un imán permanente. Las características

esenciales del ferromagnetismo son:

Los materiales ferromagnéticos se magnetizan fuertemente en el mismo

sentido que el campo magnético aplicado. Resulta así que aparece una fuerza

de atracción sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.

La susceptibilidad magnética es positiva y grande y la permeabilidad relativa es

entonces mucho mayor que 1.

La agitación térmica tiende a desalinear los dominios. A temperatura normal, la

energía térmica no es en general suficiente para desmagnetizar un material

magnetizado sin embargo, por encima de una cierta temperatura, llamada

temperatura de Curie, el material se vuelve paramagnético, debido a que los efectos

térmicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la interacción

magnética entre dominios. Una forma de desmagnetizar un material ferromagnético

es entonces calentarlo por encima de esta temperatura.

Los materiales ferromagnéticos responden mecánicamente al campo magnético impuesto, cambiando ligeramente su longitud en la dirección del campo aplicado. Esta propiedad, llamada magnetostricción, origina el zumbido familiar de los transformadores, que es la respuesta mecánica a los voltajes de corriente alterna de 60 Hz.

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

maquinas eléctricas. En un transformador se usan para maximizar el acoplamiento

entre los devanados, así como para disminuir la corriente de excitación necesaria para

la operación del transformador. En las maquinas eléctricas se usan los materiales

ferromagnéticos para dar forma a los campos, de modo que se logren hacer máximas

las características de producción de par.

Clasificación de materiales ferromagnéticos

Diamagnetismo El diamagnetismo es un efecto universal porque se basa en la

interacción entre el campo aplicado y los electrones móviles del material. El

diamagnetismo queda habitualmente enmascarado por el paramagnetismo, salvo en

elementos formados por átomos o iones que se disponen en “capas” electrónicas

cerradas, ya que en estos casos la contribución paramagnética se anula. Las

características esenciales del diamagnetismo son:

Los materiales diamagnéticos se magnetizan débilmente en el sentido opuesto

al del campo magnético aplicado. Resulta así que aparece una fuerza de

repulsión sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.

La susceptibilidad magnética es negativa y pequeña y la permeabilidad relativa

es entonces ligeramente menor que 1.

La intensidad de la respuesta es muy pequeña. Se puede modelar en forma

sencilla el comportamiento diamagnético mediante la aplicación de la ley de

Lenz al movimiento orbital de los electrones .El diamagnetismo fue descubierto

por Faraday en 1846.

Paramagnetismo

Los materiales paramagnéticos se caracterizan por átomos con un momento

magnético neto, que tienden a alinearse paralelo a un campo aplicado. Las

características esenciales del paramagnetismo son:

Los materiales paramagnéticos se magnetizan débilmente en el mismo sentido

que el campo magnético aplicado. Resulta así que aparece una fuerza de

atracción sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.

Propiedades y características de materiales ferromagnéticas

Propiedades de los materiales ferromagnéticos.

Aparece una gran inducción magnética al aplicarle un campo magnético.

Permiten concentrar con facilidad líneas de campo magnético, acumulando

densidad de flujo magnético elevado.

Se utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los campos magnéticos en

trayectorias bien definidas.

Permite que las maquinas eléctricas tengan volúmenes razonables y costos

menos excesivos.

Características de los materiales ferromagnéticos.

Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por uno o varios de los siguientes

atributos:

Pueden imanares mucho más fácilmente que los demás materiales. Esta

característica viene indicada por una gran permeabilidad relativa m /m r.

Tienen una inducción magnética intrínseca máxima muy elevada.

Se imanan con una facilidad muy diferente según sea el valor del campo

magnético. Este atributo lleva una relación no lineal entre los módulos de

inducción magnética (B) y campo magnético.

Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujo diferente

de la variación que originaría una disminución igual de campo magnético. Este

atributo indica que las relaciones que expresan la inducción magnética y la

permeabilidad (m) como funciones del campo magnético, no son lineales ni

uniformes.

Conservan la imanación cuando se suprime el campo.

Tienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez

imanados.

Curvas de imanación

HISTÉRESIS

Cuando un material ferromagnético, sobre el cual ha estado actuando un campo

magnético, cesa la aplicación de éste, el material no anula completamente su

magnetismo, sino que permanece un cierto magnetismo residual.

Para desimantarlo será precisa la aplicación de un campo contrario al inicial.

Este fenómeno se llama HISTERESIS magnética, que quiere decir, inercia o retardo.

Los materiales tienen una cierta inercia a cambiar su campo magnético.

La figura representa el llamado CICLO DE HISTERESIS (también lazo o bucle de

histéresis) de un determinado material magnético. Se supone que una bobina crea

sobre dicho material magnético una intensidad de campo H, el cual induce en ese

material magnético una inducción (valga la redundancia) de valor B.

Así a una intensidad de campo H0 le corresponderá una inducción de valor B0.

Si ahora aumenta H (aumentando la corriente que circula por la bobina) hasta un valor

H1, B también aumentará hasta B1. (Ver figura)

Pero si ahora restituimos H a su valor inicial H0, B no vuelve a B0, sino que toma un

valor diferente B2. (Obsérvese que el camino "a la ida" es distinto que "a la vuelta" lo

que implica que para restituir la inducción en el núcleo a su primitivo valor, es preciso

aplicar una corriente suplementaria de signo opuesto).

El punto S representa la saturación del núcleo magnético. Una vez saturado el núcleo,

B no puede aumentar por mucho que lo haga H.

Después de someter a una sustancia magnética a la acción de un campo magnético,

cuando este desaparece, la sustancia manifiesta todavía un cierto nivel de inducción

magnética, que llamamos magnetismo remanente.

Ciclos estático y dinámico de histéresis

Características y propiedades

Perdidas en el hierro por histéresis y corriente parásitas

Pérdidas en el Núcleo (Hierro): Este se subdivide en

Pérdidas por histéresis magnética

Pérdidas por corrientes parásitas

Histéresis Magnética

Se produce histéresis al someter al núcleo a un campo creciente, los imanes

elementales giran para orientarse según el sentido del campo. Al decrecer el campo, la

mayoría de los imanes elementales recobran su posición inicial, sin embargo, otros no

llegan a alcanzarla debido a los rozamientos moleculares conservando en mayor o

menor grado parte de su orientación forzada, haciendo que persista

un magnetismo remanente que obligue a cierto retraso de la inducción respecto de la

intensidad de campo.

Las pérdidas por histéresis representan una pérdida de energía que se manifiesta en

forma de calor en los núcleos magnéticos. Con el fin de reducir al máximo estas

pérdidas, los núcleos se construyen de materiales magnéticos de características

especiales.

Las corrientes de Foucault o corrientes parásitas

En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a

las variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones

inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo, que no son

óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste.

Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. En otras

palabras dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética,

en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil. A su vez disminuyen

la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como

los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas son

minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja

conductividad eléctrica como un ejemplo tenemos a la ferrita o utilizando delgadas

hojas de material magnético, conocidas como laminados.

SENSORES MAGNETICOS

Principio de Funcionamiento:

Los sensores magnéticos constan de un sistema de contactos cuyo accionamiento

vendrá ocasionado por la aparición de un campo magnético. Los contactos se cerrarán

bajo la influencia de un campo magnético provocado por un dispositivo imantado

alojado en el objeto a detectar, en los cilindros neumáticos el imán permanente va

integrado en el émbolo, estos cuando el campo magnético se acerca al sensor, estos

transmiten una señal eléctrica o neumática a los controles, electro válvulas o

elementos de conmutación neumáticos

Aplicaciones:Los sensores magnéticos están destinados a monitorizar la posición de puertas deslizantes, pivotantes, y desmontables de seguridad. Los sensores desprovistos de evaluación integral, sólo podrán ser utilizados en aquellas aplicaciones de seguridad

El fluxómetro

El galvanómetro balístico

Es un instrumento de cuadro o bobina móvil, habitualmente dotado con suspensión

por cinta o hilo, siendo un instrumento galvanométrico capaz de medir intensidades de

corriente continua. Suele ser de gran sensibilidad posee un cero central que permite

obtener mediciones tanto positivas como negativas.

Se diferencian de los galvanómetros normales en que se construye en forma de inercia

mecánica de su conjunto móvil sea artificialmente elevado de modo que en él se suele

incluir parte del núcleo móvil magnético

SENSOR DE EFECTO HALL

Definición.

Se basa en el fenómeno por el cual una corriente eléctrica atraviesa un material

conductor mientras se aplica un campo magnético que forma un ángulo recto con la

corriente. Esto daba como resultado una acumulación de electrones, llamada tensión

de Hall, a lo largo de uno de los filos del conductor.

El sensor de efecto Hall o simplemente sensor Hall o sonda Hall (denominado según

Edwin Herbert Hall) se sirve del efecto Hall para la medición de campos magnéticos o

corrientes o para la determinación de la posición.

Si fluye corriente por un sensor Hall y se aproxima a un campo magnético que fluye en

dirección vertical al sensor, entonces el sensor crea un voltaje saliente proporcional al

producto de la fuerza del campo magnético y de la corriente. Si se conoce el valor de la

corriente, entonces se puede calcular la fuerza del campo magnético; si se crea el

campo magnético por medio de corriente que circula por una bobina o un conductor,

entonces se puede medir el valor de la corriente en el conductor o bobina.

Si tanto la fuerza del campo magnético como la corriente son conocidas, entonces se

puede usar el sensor Hall como detector de metales.

Los sensores Hall se producen a partir de finas placas de semiconductores, ya que en

ella el espesor de los portadores de carga es reducido y por ello la velocidad de los

electrones es elevada, para conseguir un alto voltaje de Hall. Típicos formatos son:

Forma rectangular

Forma de mariposa

Forma de cruz

Utilización:

Los sensores Hall se utilizan en señales salientes análogas para campos magnéticos

muy débiles (campo magnético terrestre), ej. Brújula en un sistema de navegación.

Como sensores de corriente se usan como bobinas, recorridas con una corriente por

medir situadas en la separación del núcleo de hierro. Estos sensores de corriente se

comercializan como componentes íntegros, son muy rápidos, se pueden usar para la

medición de corrientes continuas (a diferencia de los transformadores de corriente) y

proveen una separación de potencial entre circuitos de rendimiento y la electrónica de

control.

Como sensor de reconocimiento de posición o tecla a distancia trabajan en conexión

con imanes permanentes y disponen de un interruptor de límite integrado.

Aplicaciones de los sensores Hall

Mediciones de campos magnéticos (Densidad de flujo magnético)

Mediciones de corriente sin potencial (Sensor de corriente)

Emisor de señales sin contacto

Aparatos de medida del espesor de materiales

Como sensor de posición o detector para componentes magnéticos los sensores Hall

son especialmente ventajosos si la variación del campo magnético es

comparativamente lenta o nula. En estos casos el inductor usado como sensor no

provee un voltaje de inducción relevante.

En la industria del automóvil el sensor Hall se utiliza de forma frecuente, ej. En el cierre

del cinturón de seguridad, en sistemas de cierres de puertas, para el reconocimiento

de posición del pedal o del asiento, el cambio de transmisión y para el reconocimiento

del momento de arranque del motor. La gran ventaja es la invariabilidad frente a

suciedad (no magnética) y agua.

Además puede encontrarse este sensor en circuitos integrados, en impresoras láser

donde controlan la sincronización del motor del espejo, en disqueteras de ordenador

así como en motores de corriente continua sin escobillas, ej. En ventiladores de PC. Ha

llegado a haber incluso teclados con sensores Hall bajo cada tecla.