Curva de
magnetización
Magnetización de los materiales
Los materiales ferro magnético, compuesto 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 ferro magnéticos
para dar forma a los campos, de modo que se logren hacer
máximas las características de producción de
par. Estos materiales han evolucionado mucho con el paso del
tiempo lo que implica mas eficiencia, reducción de
volúmenes y costo, en el diseño de transformadores
y maquinas eléctricas. Los materiales ferro
magnéticos poseen las siguientes propiedades y
características que se detallan a
continuación.
Propiedades de los materiales ferro
magnéticos.
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 ferro
magnéticos.
Los materiales ferro magnéticos se caracterizan
por uno o varios de los siguientes atributos:
Pueden imantarse mucho más fácilmente que
los demás materiales. Esta característica viene
indicada por una gran permeabilidad relativa. Se imantan 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 originaria una
disminución igual de campo magnético. Este atributo
indica que las relaciones que expresan la inducción
magnética y la permeabilidad, como funciones del campo
magnético, no son lineales ni uniformes. Conservan la
imantación cuando se suprime el campo. Tienden a oponerse
a la inversión del sentido de la imantación una vez
imantados.
Curva magnetización para diferentes
materiales
Observamos que al principio un pequeño aumento en
la fuerza magnetomotriz produce un enorme aumento en el flujo
resultante. Después de cierto punto, los subsiguientes
aumentos en la fuerza magnetomotriz, producen relativamente poco
aumento en el flujo. Finalmente, un aumento en la fuerza
magnetomotriz casi no produce cambio alguno. Si luego de la
saturación aplicamos desmedidamente H dañaremos las
caracterisiticas magneticas del material.
La región de la curva de magnetización en
que la curva se aplana se llama región de
saturación y se dice, entonces que el núcleo esta
saturado. En contraste, la región donde el flujo cambia
muy rápidamente se llama región no saturada de la
curva y se dice que el núcleo no esta saturado. La zona de
transición entre la región no saturada y la
saturada, en ocasiones se llama la "rodilla" de la
curva.
La cual es la zona recomendada para trabajar tanto en
potencia como magnetizacion
El núcleo debe hacerse funcionar en la
región no saturada de la curva de magnetización
debido a que el flujo resultante debe ser proporcional, o
aproximadamente proporcional, a la fuerza magnetomotriz aplicada.
La permeabilidad esta en función de la inducción
magnetica por lo cual nos intresara mucho conocer los valores de
permeabilidad de los distintos materiales
Las maquinas modernas tienen permeabilidades relativas
entre 2000 0 6000 esto quiere decir que para una corriente dada
habrá 2000 a 6000 veces mas flujo que en el
aire.
La permeabilidad relativa es la comparación entre
la permeabilidad del material y el aire
Entre más fuerte sea el campo magnético
externo, mayor será la alineación de los dominios.
El efecto de saturación ocurre cuando ya
prácticamente todos los dominios se encuentran alineados,
por lo que cualquier incremento posterior en el campo aplicado no
puede causar una mayor alineación.
Presentaremos las diferentes permeabilidades relativas
en función del material, observando que los materiales
ferromagneticos tienen grandes cualidades para la
magnetización.
Igualmente presentamos diferentes curvas de
magnetización en función de la intensidad de campo
magnético y el material.
Aplicación para
transformadores:
La aleación ferro magnética más
utilizada para el diseño de núcleos de
transformadores es la aleación hierro-silicio, esta
aleación es la producida en mayor cantidad y esta
compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio,
dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material.
Dando a esta aleación un tratamiento térmico
adecuado, se obtiene un material que comparado con el hierro,
tiene mejores propiedades magnéticas para campos
magnéticos débiles, una resistividad mayor y sufren
perdidas totales menores en el núcleo. Esta
aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de
espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el
lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al silicio
o Chapa magnética.
La modificación del núcleo en chapas se ha
dado como una solución al problema de las corrientes
parasitas.
Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en
silicio, entre el 4 y el 5. El silicio eleva la dureza del
material, por lo que su porcentaje se determina según el
empleo al que se designa la chapa. Para maquinas rotatorias el
limite superior es aproximadamente del 4%, teniendo en cuenta el
peligro de la fragilidad. También se prefieren chapas de
menor contenido de silicio cuando las densidades de
funcionamiento son elevadas o cuando se desea una elevada
conductividad calorífica. Las perdidas en el núcleo
y el coeficiente de envejecimiento aumentan al disminuir el
contenido de silicio.
La fabricación de la chapa magnética ha
llegado a estar normalizada en considerable extensión por
lo que los datos magnéticos publicados por diversos
fabricantes no se diferencian, calidad por calidad,
excesivamente.
Aislamiento interlaminar
El aislamiento interlaminar se consigue formando una
capa de óxido natural sobre la superficie de la chapa
magnética laminada plana o aplicando un revestimiento
superficial. Evidentemente este tratamiento no reduce las
corrientes parásitas en el interior de las chapas.
Generalmente se consigue una mejora en la resistencia entre
chapas recociendo la chapa bajo condiciones ligeramente oxidantes
que aumentan el espesor del óxido superficial y cortando
entonces las formas acabadas para los núcleos.
Ciclo de
histéresis
Esto es básicamente la curva de
saturación. Sin embargo, cuando la corriente
disminuye nuevamente, el flujo sigue una ruta diferente
de la seguida cuando la corriente se
aumentó. Cuando la corriente disminuye, el flujo
en el núcleo sigue la ruta bcd y
luego cuando la corriente aumenta nuevamente, el flujo
sigue la ruta deb. Nótese que la
cantidad de flujo presente en el núcleo depende no
solamente de la cantidad de corriente aplicada a su embobinado,
sino también de la historia previa del flujo en el
núcleo. Esta dependencia de la historia precedente del
flujo y la falla resultante para volver sobre el trazo de la
trayectoria del flujo se
llama histéresis. La
trayectoria bcdeb trazada en la figura
1, mientras la corriente aplicada cambia, se
llama curva de histéresis.
Si una fuerza magnetomotriz grande se
aplica primero al núcleo y luego se elimina, la
trayectoria del flujo en el núcleo
será abc. Cuando la fuerza
magnetomotriz se elimina, el flujo en el
núcleo no llega a cero. En lugar de
esto, un campo magnético permanece en él. Este
campo magnético se denomina
flujo remanente en el
núcleo.
Es precisamente en esta forma como se producen los
imanes. Para llevar el flujo hasta cero, una cantidad de fuerza
magnetomotriz, conocida como la fuerza coercitiva
magnetomotriz Fc, se debe aplicar al núcleo en
la dirección opuesta.
El comportamiento de los materiales
ferromagnéticos es necesario conocer algo relativo a su
estructura. Los átomos de hierro y de metales similares
(cobalto, níquel y algunas de sus aleaciones) tienden a
tener sus campos magnéticos estrechamente alineados entre
sí. Dentro del metal hay pequeñas regiones
llamadas dominios. En cada dominio los
átomos están alineados con sus campos
magnéticos señalando en la misma dirección,
de tal manera que cada dominio dentro del material actúa
como un pequeño imán permanente. La razón
por la cual un bloque entero de hierro puede parecer sin flujo es
que estos numerosos y diminutos dominios se orientan
desordenadamente dentro del material.
Cuando a este bloque de hierro se le aplica un campo
magnético externo, produce dominios que señalan la
dirección del campo y que crecen a expensas de dominios
que señalan otras direcciones. Los dominios que
señalan la dirección del campo magnético
crecen puesto que los átomos en sus límites cambian
físicamente su orientación para alinearse con el
campo magnético. Los átomos extras alineados con el
campo aumentan el flujo magnético en el hierro, que a su
vez causa el cambio de orientación de otros átomos,
aumentando en consecuencia la fuerza del campo magnético.
Este efecto positivo de retroalimentación, es lo que causa
que el hierro tenga una permeabilidad mucho mayor que la del
aire.
Como la fuerza del campo magnético externo
continúa en aumento, la totalidad de los dominios que
están alineados en la dirección equivocada,
eventualmente, se reorientarán como una sola unidad para
alinearse con aquél. Finalmente, cuando casi todos los
átomos y dominios del hierro se alinean con el campo
externo, cualquier aumento posterior en la fuerza magnetomotriz
puede causar solamente el mismo aumento de flujo que
causaría en el espacio libre. (Una vez que todo se alinea,
no puede haber más efecto de retroalimentación que
fortalezca el campo). En este punto el hierro
está saturado con el flujo.
La causa para la histéresis es que cuando el
campo magnético externo se suspende, los dominios no se
desordenan por completo nuevamente. reorientar los átomos
en ellos
requiere energía. Originalmente, la
energía la suministró el campo magnético
externo para lograr el alineamiento; cuando el campo se suspende,
no hay fuente de energía que impulse los dominios a
reorientarse. El trozo de hierro es ahora un imán
permanente.
Una vez los dominios están alineados, algunos de
ellos permanecerán así hasta que una fuente de
energía externa les sea aplicada para cambiarlos. Ejemplos
de fuentes de energía externa que puedan cambiar los
límites entre dominios entre los alineamientos de los
dominios son la fuerza magnetomotriz aplicada en otra
dirección, un choque mecánico fuerte y el
calentamiento. Cualquiera de estos hechos puede suministrar
energía a los dominios y posibilitar el cambio de su
alineamiento. (Por esta razón un imán permanente
puede perder su magnetismo si se cae, se golpea con un martillo o
se calienta).
El hecho de que reorientar los dominios en el hierro
requiera energía lleva a un cierto tipo de pérdida
de ella en todas las máquinas y transformadores.
La pérdida por histéresis en un
núcleo de hierro es la energía necesaria para
lograr la reorientación de los dominios durante cada ciclo
de la corriente alterna aplicada a un núcleo. Se puede
mostrar que el área encerrada en la curva de
histéresis, formada por la aplicación de una
corriente alterna al núcleo, es directamente proporcional
a la pérdida de energía en un ciclo dado de
ca.
Entre más pequeño sea el recorrido de la
fuerza magnetomotríz aplicada en el núcleo,
más pequeña es el área de la curva de
histéresis y en la misma forma, más pequeñas
las pérdidas resultantes. Por lo cual la curva de
histéresis nos dará una visión de la calidad
del material
Ley de
Faraday
La Ley de Faraday establece que la corriente inducida en
un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que
cambia el flujo magnético que lo atraviesa
Ley
Lenz
La Ley de Lenz nos dice que las fuerzas
electromotrices o las corrientes inducidas serán de un
sentido tal que se opongan a la variación del flujo
magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia
del principio de conservación de la
energía.
Ley bio-savart
La ley de bio-savart nos indica que al
existir un campo magnético; introducimos en el un
conductor por donde circula corriente, va a producirse una fuerza
que tratara de sacarle del campo.
Ley
Fleming
Regla mano izquierda
motores
Si el dedo pulgar de la mano izquierda se
extiende en la dirección del movimiento de corte de las
líneas y el índice hacia delante en la
orientación del campo, el dedo cordial iniciara la
trayectoria de la corriente inducida"
Regla mano derecha
Indica que el pulgar en dirección de
la fuerza magnética el dedo índice en
dirección del campo magnético formando un
ángulo de 90° con el dedo cordial en dirección
de la corriente I
Bibliografía
CHAPMAN Stephen J., Máquinas
Eléctricas Editorial MaGraw Hill, Tercera edición,
Colombia, 2000
KOSOW, Irving L., Máquinas
eléctricas y transformadores. Editorial Prentice Hall
Hispanoamericana S.A.. México 1991
Autor:
William Pauzhi
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA
SALESIANA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
MAQUINAS ELÉCTRICAS