Propiedades magnticas de la

materia

Pastora Vega CruzGrado en Ingeniera Qumica

Universidad de Salamanca

Con objeto de aumentar el flujo magntico muchas piezas de dispositivos

electrotcnicos (motores, transformadores, etc.) se construyen de hierro

o aleaciones de este metal.

En este tema se estudiarn las propiedades del hierro y sustancia

similares (ferromagnticas) sino de la materia en general cuyos

movimientos electrnicos son asimilables a espiras , cada una de las

cuales crea su campo magntico

Motivacin

Anlisis de circuitos I Electrotecnia

Contenidos

Comportamiento magntico de la materia Permeabilidad y susceptibilidad magnticas

Interpretacin del comportamiento magntico de la materia

Excitacin magntica

Ciclo de histresis

Circuito magntico

Prdidas en circuitos magnticos

Todos los materiales presentan propiedades magnticas en mayor

o menor escala cuando estn sometidas a la accin de un campo

magntico.

El estudio experimental de las propiedades magnticas de un

material se lleva a cabo mediante el mtodo conocido con el

nombre anillo de Rowland.

Anillo de Rowland es un solenoide toroidal de espiras muy

prximas en el que prcticamente no existe dispersin de flujo

magntico cuando circula por l una corriente.

Comportamiento magntico de la materia

Un solenoide toroidal presenta la caracterstica de que en campo en su interior es constante. Cuando el medio es el vaco

Cuando el medio es una sustancia cuyo comportamiento magntico queremos estudiar, el campo tiene un valor distinto que en el vaco

pudiendo suceder que:

Sea menor : Sustancia diamagntica

Sea algo mayor: Sustancia paramagntica

Sea mucho mayor: Sustancia ferromagntica

El campo puede expresarse siendo la induccin

magntica producida por el material interior

Se define la permeabilidad relativa de la sustancia respecto al vaco

Se define la susceptibilidad magntica de la sustancia

Se verifica que

Comportamiento magntico de la materia

l

NIB 0=

0 MB B B= +MB

0

r

B

B =

0

M

M

B

B =

1r M

= +

Contenidos

Comportamiento magntico de la materia Permeabilidad y susceptibilidad magnticas

Interpretacin del comportamiento magntico de la materia

Excitacin magntica

Ciclo de histresis

Circuito magntico

Prdidas en circuitos magnticos

Comportamiento magntico de la materia

Todos los materiales presentan propiedades magnticas en mayor o menor escala cuando estn sometidas a la accin de un campo magntico.

Un electrn girando alrededor del ncleo crea un campo magntico perpendicular a su rbita y su spin origina otro campo magntico independiente. Si estos campos se suman en un tomo polielectrnico pueden dar lugar a un momento magntico permanente y comportarse como imanes

Todas las sustancias en presencia de un campo magntico exterior se tienen un cierto comportamiento magntico al experimentar la distorsin del movimiento electrnico consistente en la aparicin de un campo magntico contrario al anterior

Si los tomos de la sustancia tienen un momento magntico permanente , adems del efecto anterior los momentos se alinean con el campo exterior reforzndole (Magnetizacin por alineacin)

Interpretacin.

Clasificacin por su comportamiento magntico

Sustancias diamagnticas: Presentan magnetizacin slo por distorsin del movimiento electrnico. Su permeabilidad relativa es menor que la unidad y la susceptibilidad es negativa e independiente de la temperatura

Sustancias paramagnticas: Presentan magnetizacin por distorsin del movimiento electrnico y por alineacin predominando el ltimo. Su permeabilidad relativa es algo mayor que la unidad y la susceptibilidad es positiva con valor prximo a cero y disminuye con la temperatura.

Sustancias ferromagnticas: Presentan magnetizacin incluso en ausencia de campo exterior. En presencia de ste distorsionan enormemente sus lneas de campo ya que su permeabilidad relativa y susceptibilidad son mucho mayores que la unidad. La susceptibilidad magntica depende de su historial magntico (histresis)

0 0

1 MB B

B B= + 1

r M = +Recordando

Contenidos

Comportamiento magntico de la materia

Permeabilidad y susceptibilidad magnticas

Interpretacin del comportamiento magntico de la materia

Excitacin magntica

Ciclo de histresis

Circuito magntico

Prdidas en circuitos magnticos

Excitacin magntica

En sustancias paramagnticas y ferromagnticas el campo aumenta cuando se introducen en un campo magntico (solenoide toroidal). Como la induccin magntica en el vaco es proporcional a la intensidad, podemos suponer que este aumento se debe a una corrientedenominada amperiana.

Ley de Ampere

En el caso del anillo de Rowland

Siendo el vector magnetizacin o imanacin y la excitacin magntica o intensidadde campo.

En sustancias paramagnticas y diamagnticas: por ser M y H proporcionales

En sustancias ferromagnticas: M y H no son proporcionales y aunque se cumple tambin

la permeabilidad no es constante depende de la curva de imanacin de B y H

0 ( )Mc

Bdl I I= +

0 0 0

( )M M

N I I NI NIB

L L L += = +

0 0B H M = +

M

H

B H=

B H=

Curva de imanacin de una sustancia

Contenidos

Comportamiento magntico de la materia Permeabilidad y susceptibilidad magnticas

Interpretacin del comportamiento magntico de la materia

Excitacin magntica

Ciclo de histresis

Circuito magntico

Prdidas en circuitos magnticos

Ciclo de histresis

Ciclo de histresis:

Se obtiene imantando un material ferromagntico introducido en el

interior de una bobina, aumentando la corriente y representando B en

funcin de H hasta que primero se llega a una saturacin.

En la desimantacin (disminucin de H) queda un magnetismo remanente

que puede anularse invirtiendo el sentido de H hacindola crecer hasta

Hc. Este valor se denomina campo coercitivo o fuerza coercitiva

Si se sigue aumentando H se produce una saturacin.

SI se disminuye H se llega a otro punto de magnetismo remanente (punto

e). Invirtiendo de nuevo el sentido de I (y de H) volvemos a la saturacin

(punto a)

La desimantacin de un material ferromagntico se

consigue invirtiendo la corriente magnetizante un nmero de

veces y disminuyendo su intensidad en cada inversin

Energa perdida por histresis: Cuando se describe un ciclo

de histresis se pierde energa en forma de calor.

Ciclo de histresis

Contenidos

Comportamiento magntico de la materia Permeabilidad y susceptibilidad magnticas

Interpretacin del comportamiento magntico de la materia

Excitacin magntica

Ciclo de histresis

Circuito magntico

Prdidas en circuitos magnticos

Circuitos magnticosLas lneas del campo magntico son cerradas y sugieren una analoga entre las trayectorias cerradas de estas lneas y el recorrido de la corriente elctrica. Por ello, se denomina

Circuito magntico: Camino cerrado de material ferromagntico sobre el que circula un flujo magntico.

Ejemplos de circuitos en serie:Caso a) Anillo de Rowland: es el ms sencilloCaso c). Anillo de hierro y un entrehierro de aire: Aunque hay una pequea dispersin de flujo en el entrehierro pero la mayora se confina de nuevo formando un circuito cerrado

Caso e) Motor. Son cuatro circuitos.Dos de hierro (Rotor y esttor) y dos de entrehierroEjemplo de circuito paralelo/serie :

Caso d) Ncleo de un transformador: A y C se encuentran en paralelo y ambas en serie con B

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Circuitos magnticos

Definicin de magnitudes de circuitos magnticos

Toroide con sustancia ferromagntica

Intensidad de campo magntico (excitacin magntica)

Relacin entre B y H

Flujo magntico

Fuerza magnetomotriz

Reluctancia magntica

l

NIH =

no aparece en su definicin

HB =

S

l

NI

l

NISBS

===

NIFm

=

S

lRm

=

m

m

R

F=

Ley de Hopkinson

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Circuitos magnticos Circuito magntico

Camino cerrado de material ferromagntico sobre el que acta la fuerza magnetomotriz

Fuerza magnetomotriz (Amperios)

Causa imanadora que produce el flujo a travs del circuito magntico

Su equivalente en circuito elctrico la f.e.m

Flujo magntico

Nmero total de lneas de induccin que existen en el circuito magntico

Su equivalente en circuitos elctricos es la Intensidad

Reluctancia magntica (1/Henrios) (H-1)

Mayor o menor oposicin que ofrece el circuito magntico al establecimiento del flujo

Su equivalente en circuito elctrico la resistencia

NIFm

=

S

lRm

=

m

m

R

F=

Circuitos magnticos Electrotecnia 19

Circuitos magnticos

Analoga entre magnitudes elctricas y magnticas

Circuitos magnticos Electrotecnia 20

Circuitos magnticos

Ejemplo

Contenidos

Comportamiento magntico de la materia Permeabilidad y susceptibilidad magnticas

Interpretacin del comportamiento magntico de la materia

Excitacin magntica

Ciclo de histresis

Circuito magntico

Prdidas en circuitos magnticos

Prdidas en circuitos magnticos

Prdidas por histresis

Siempre que una sustancia describa un ciclo de histresis se producen prdidas por calorEstas son debidas al rozamiento interno existente entre los dominios (zonas en las que los momentos magnticos de los tomos tienen la misma orientacin) al cambiar stos de sentidoEl calor por unidad de volumen en cada ciclo es proporcional al rea encerrada en el ciclo de histresis.

Relacin emprica de Steinmentz

W: Calor desprendido por unidad de volumen y por cicloBm: Valor mximo de la induccin que se ha alcanzado

:Coeficiente de Steinmentz (valor entre 1,5 y 2,5)

Prdidas en circuitos magnticos

Prdidas por corrientes de Foucault

Estas prdidas son debidas a las corrientes inducidas sobre elmaterial ferromagntico como consecuencia de estar sometido aun campo magntico variable con el tiempo.

Dependen del valor mximo Bm , frecuencia, as como de las caractersticas del material(conductividad y densidad) y de geometradel material empleado (espesor de la chapa) Chapa de seccin rectangular

Prdidas totales en el el material: Suma de prdidas por histresis y prdidas por efecto Joule debido a las corrientes de Foucault

Son prdidas por efecto Joule