Histéresis Magnética

Sabemos que el flujo magnético generado por una bobina electromagnética es la cantidad de campo magnético o líneas de fuerza producidas dentro de un área determinada y que es más comúnmente llamado «Densidad de Flujo». Dado el símbolo B con la unidad de densidad de flujo es el Tesla, T.

También sabemos por los tutoriales anteriores que la fuerza magnética de un electroimán depende del número de vueltas de la bobina, la corriente que fluye a través de la bobina o el tipo de material del núcleo que se utiliza, y si aumentamos ya sea la corriente o el número de vueltas podemos aumentar la fuerza del campo magnético, símbolo H.

Antes, la permeabilidad relativa, símbolo μr se definía como la relación entre la permeabilidad absoluta μ y la permeabilidad del espacio libre μo (un vacío) y se daba como una constante. Sin embargo, la relación entre la densidad de flujo, B y la intensidad del campo magnético, H puede definirse por el hecho de que la permeabilidad relativa, μr no es una constante sino una función de la intensidad del campo magnético dando así la densidad de flujo magnético como: B = μ H.

Entonces la densidad de flujo magnético en el material se incrementará en un factor mayor como resultado de su permeabilidad relativa para el material en comparación con la densidad de flujo magnético en el vacío, μoH y para una bobina con núcleo de aire esta relación se da como:

Así pues, para los materiales ferromagnéticos la relación entre la densidad de flujo y la intensidad de campo ( B/H ) no es constante sino que varía con la densidad de flujo. Sin embargo, para las bobinas con núcleo de aire o cualquier núcleo de medio no magnético como maderas o plásticos, esta relación puede considerarse como una constante y esta constante se conoce como μo, la permeabilidad del espacio libre, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).

Trazando los valores de la densidad de flujo, ( B ) frente a la intensidad de campo, ( H ) podemos producir un conjunto de curvas denominadas Curvas de Magnetización, Curvas de Histéresis Magnética o más comúnmente Curvas B-H para cada tipo de material del núcleo utilizado como se muestra a continuación.

Curva de magnetización o B-H

El conjunto de curvas de magnetización, M anterior representa un ejemplo de la relación entre B y H para núcleos de hierro blando y acero, pero cada tipo de material de núcleo tendrá su propio conjunto de curvas de histéresis magnética. Usted puede notar que la densidad de flujo aumenta en proporción a la intensidad de campo hasta que alcanza un cierto valor donde no puede aumentar más convirtiéndose casi en un nivel y constante a medida que la intensidad de campo sigue aumentando.

Esto se debe a que hay un límite en la cantidad de densidad de flujo que puede ser generada por el núcleo ya que todos los dominios en el hierro están perfectamente alineados. Cualquier aumento adicional no tendrá ningún efecto sobre el valor de M, y el punto de la gráfica en el que la densidad de flujo alcanza su límite se denomina Saturación Magnética también conocida como Saturación del Núcleo y en nuestro sencillo ejemplo anterior el punto de saturación de la curva del acero comienza en unos 3000 amperios-vuelta por metro.

La saturación se produce porque como recordamos del anterior tutorial de Magnetismo que incluía la teoría de Weber, la disposición aleatoria de la estructura de las moléculas dentro del material del núcleo cambia a medida que los diminutos imanes moleculares dentro del material se «alinean».

A medida que aumenta la intensidad del campo magnético, ( H ) estos imanes moleculares se alinean más y más hasta que alcanzan la alineación perfecta produciendo la máxima densidad de flujo y cualquier aumento en la intensidad del campo magnético debido a un aumento de la corriente eléctrica que fluye a través de la bobina tendrá poco o ningún efecto.

Retentividad

Supongamos que tenemos una bobina electromagnética con una alta intensidad de campo debido a la corriente que fluye a través de ella, y que el material del núcleo ferromagnético ha alcanzado su punto de saturación, la máxima densidad de flujo. Si ahora abrimos un interruptor y eliminamos la corriente magnetizante que fluye por la bobina, esperaríamos que el campo magnético alrededor de la bobina desapareciera al reducirse el flujo magnético a cero.

Sin embargo, el flujo magnético no desaparece por completo, ya que el material del núcleo electromagnético sigue conservando parte de su magnetismo incluso cuando la corriente ha dejado de fluir por la bobina. Esta capacidad de una bobina de retener parte de su magnetismo dentro del núcleo después de que el proceso de magnetización se haya detenido se denomina Retentividad o remanencia, mientras que la cantidad de densidad de flujo que aún permanece en el núcleo se denomina Magnetismo Residual, BR.

La razón de esto es que algunos de los diminutos imanes moleculares no vuelven a un patrón completamente aleatorio y aún apuntan en la dirección del campo magnetizante original dándoles una especie de «memoria». Algunos materiales ferromagnéticos tienen una alta retentividad (magnéticamente duros) lo que los hace excelentes para producir imanes permanentes.

Mientras que otros materiales ferromagnéticos tienen una baja retentividad (magnéticamente blandos) lo que los hace ideales para su uso en electroimanes, solenoides o relés. Una forma de reducir esta densidad de flujo residual a cero es invirtiendo el sentido de la corriente que circula por la bobina, haciendo así que el valor de H, la intensidad del campo magnético, sea negativo. Este efecto se denomina Fuerza Coercitiva, HC .

Si se sigue aumentando esta corriente inversa, la densidad de flujo también aumentará en sentido inverso hasta que el núcleo ferromagnético alcance de nuevo la saturación, pero en sentido inverso al anterior. La reducción de la corriente magnetizante, i una vez más a cero producirá una cantidad similar de magnetismo residual pero en la dirección inversa.

Entonces, cambiando constantemente la dirección de la corriente magnetizante a través de la bobina de una dirección positiva a una dirección negativa, como sería el caso en un suministro de CA, se puede producir un bucle de histéresis magnética del núcleo ferromagnético.

Bucle de histéresis magnética

El bucle de histéresis magnética anterior, muestra gráficamente el comportamiento de un núcleo ferromagnético ya que la relación entre B y H es no lineal. Comenzando con un núcleo no magnetizado, tanto B como H estarán en cero, punto 0 en la curva de magnetización.

Si la corriente de magnetización, i se incrementa en una dirección positiva hasta cierto valor, la intensidad del campo magnético H aumenta linealmente con i y la densidad de flujo B también aumentará como se muestra en la curva desde el punto 0 hasta el punto a a medida que se dirige hacia la saturación.

Ahora bien, si la corriente de magnetización en la bobina se reduce a cero, el campo magnético que circula alrededor del núcleo también se reduce a cero. Sin embargo, el flujo magnético de la bobina no llegará a cero debido al magnetismo residual presente dentro del núcleo y esto se muestra en la curva del punto a al punto b.

Para reducir la densidad de flujo en el punto b a cero necesitamos invertir la corriente que circula por la bobina. La fuerza magnetizante que debe aplicarse para anular la densidad de flujo residual se denomina «Fuerza Coercitiva». Esta fuerza coercitiva invierte el campo magnético reordenando los imanes moleculares hasta que el núcleo se desmagnetiza en el punto c.

Un aumento de esta corriente inversa hace que el núcleo se magnetice en la dirección opuesta y el aumento de esta corriente de magnetización aún más hará que el núcleo alcance su punto de saturación pero en la dirección opuesta, el punto d de la curva.

Este punto es simétrico al punto b. Si la corriente de magnetización se reduce de nuevo a cero el magnetismo residual presente en el núcleo será igual al valor anterior pero en sentido inverso en el punto e.

Si se invierte de nuevo la corriente de magnetización que circula por la bobina, esta vez en sentido positivo, el flujo magnético llegará a cero, punto f de la curva y, al igual que antes, el aumento de la corriente de magnetización en sentido positivo hará que el núcleo alcance la saturación en el punto a.

Entonces, la curva B-H sigue la trayectoria de a-b-c-d-e-f-a a medida que la corriente de magnetización que circula por la bobina alterna entre un valor positivo y otro negativo, como el ciclo de una tensión alterna. Esta trayectoria se denomina bucle de histéresis magnética.

El efecto de la histéresis magnética muestra que el proceso de magnetización de un núcleo ferromagnético y, por lo tanto, la densidad de flujo depende de la parte de la curva en la que se magnetiza el núcleo ferromagnético, ya que esto depende de la historia pasada de los circuitos, dando al núcleo una forma de «memoria». Entonces, los materiales ferromagnéticos tienen memoria porque permanecen magnetizados después de que se haya eliminado el campo magnético externo.

Sin embargo, los materiales ferromagnéticos blandos, como el hierro o el acero al silicio, tienen bucles de histéresis magnética muy estrechos que dan lugar a cantidades muy pequeñas de magnetismo residual, lo que los hace ideales para su uso en relés, solenoides y transformadores, ya que pueden magnetizarse y desmagnetizarse fácilmente.

Como hay que aplicar una fuerza coercitiva para superar este magnetismo residual, hay que trabajar para cerrar el bucle de histéresis y la energía utilizada se disipa en forma de calor en el material magnético. Este calor se conoce como pérdida de histéresis, la cantidad de pérdida depende del valor de la fuerza coercitiva del material.

Al añadir aditivos al metal de hierro, como el silicio, se pueden hacer materiales con una fuerza coercitiva muy pequeña que tienen un bucle de histéresis muy estrecho. Los materiales con bucles de histéresis estrechos se magnetizan y desmagnetizan fácilmente y se conocen como materiales magnéticos blandos.

Los bucles de histéresis magnética para materiales blandos y duros

La histéresis magnética da lugar a la disipación de energía desperdiciada en forma de calor, siendo la energía desperdiciada proporcional al área del bucle de histéresis magnética. Las pérdidas por histéresis siempre serán un problema en los transformadores de CA, donde la corriente cambia constantemente de dirección y, por tanto, los polos magnéticos del núcleo causarán pérdidas porque invierten constantemente su dirección.

Las bobinas giratorias de las máquinas de CC también incurrirán en pérdidas por histéresis, ya que pasan alternativamente por los polos magnéticos norte y sur. Como se ha dicho anteriormente, la forma del bucle de histéresis depende de la naturaleza del hierro o del acero utilizado y en el caso del hierro que está sometido a grandes inversiones de magnetismo, por ejemplo los núcleos de los transformadores, es importante que el bucle de histéresis B-H sea lo más pequeño posible.

En el próximo tutorial sobre Electromagnetismo, veremos la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday y veremos que moviendo un cable conductor dentro de un campo magnético estacionario es posible inducir una corriente eléctrica en el conductor produciendo un simple generador.

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