Electromagnetismo

Los imanes producen un campo magnético considerable, pero para ciertas aplicaciones éste resulta todavía muy débil. Para conseguir campos más intensos se utilizan bobinas fabricadas con conductores eléctricos, que al ser recorridos por una corriente eléctrica desarrollan campos magnéticos, cuya intensidad depende fundamentalmente de la intensidad de la corriente y del número de espiras de la bobina.

CONCEPTOS Y MAGNITUDES

1.-FLUJO MAGNÉTICO
El campo magnético se representa a través de las líneas de fuerza. La cantidad de estas lineas se le denomina flujo magnético. Su unidad es el Weber (Wb).
2.- INDUCCIÓN MAGNÉTICA
La inducción magnética se define como la cantidad de líneas de fuerza que atraviesan perpendicularmente la unidad de superficie. En cierta forma, nos indica lo densas que son las líneas de fuerza, o lo concentradas que están, en una parte del campo magnético. Se representa con la letra (B) y su unidad es el Tesla. Se dice que existe una inducción de una Tesla cuando el flujo de un Weber atraviesa perpendicularmente una superficie de un metro cuadrado.

Ejemplo N°1: ¿Cuál es la inducción magnética existente en la cara plana del polo de un imán recto de 30(cm2) de superficie cuando es atravesado por un flujo magnético de 0,009 Wb? Expresar el resultado en Teslas.

Ejemplo N°2: ¿Cuál será el flujo magnético que existe en el campo magnético producido por una bobina si esta tiene un núcleo de 20 (cm2) de superficie y la inducción magnética en la misma es de 1,5 Teslas?

3.- FUERZA MAGNETOMOTRIZ (F)

Se puede decir que es la capacidad que posee la bobina de generar líneas de fuerza en un circuito magnético. La fuerza magnetomotriz aumenta con la intensidad de la corriente que fluye por la bobina y con el numero de espiras de la misma.

Ejemplo N°3: Para el funcionamiento de un electroimán se necesita una fuerza magnetomotriz de 500 Av. Indicar las posibilidades de conseguirlo.

Respuesta: Si fabricamos una bobina con 500 espiras, el número de amperios que tendremos que hacer pasar por ella será de:

Para la fabricación de electroimanes muy potentes, como por ejemplo los que se utilizan para suspender en un colchón magnético un tren de alta velocidad sobre un monoriel, se necesitan fuerzas magnetomotrices muy elevadas. Es decir, bobinas con muchas espiras que son atravesadas por grandes intensidades de corriente. Para evitar fabricar bobinas de grandes dimensiones se utilizan materiales superconductores. De esta  forma se consiguen potentísimos campos magnéticos con pocas espiras y corrientes de miles de amperios, que no calientan los superconductores por el efecto Joule por carecer estos de resistencia eléctrica.

4.- INTENSIDAD DEL CAMPO MAGNÉTICO (H)
Indica lo intenso que es el campo magnético. La intensidad de campo magnético en una bobina depende de la fuerza magnetomotriz (N x I). Ahora bien, cuanto mas larga sea la bobina, más se dispersaran las líneas de campo, dando como resultado una intensidad de campo más débil; por lo que se puede decir que, para una fuerza magnetomotriz constante, la intensidad de campo (H) es inversamente proporcional a la longitud media de las líneas de campo, tal como se expresa en la siguiente ecuación:

Ejemplo N°4: Calcular la intensidad del campo en el interior de la bobina de la siguiente figura. El número de espiras corresponde a 300 y la corriente a 10A.

Respuesta: Primero se debe determinar la línea media por donde se van a establecer las líneas del campo. Para ello se suman las dimensiones del núcleo en donde ira  la bobina.

5.- PERMEABILIDAD MAGNÉTICA
Cuando se introduce en el núcleo de una bobina una substancia ferromagnética, se aprecia un aumento de líneas de fuerza en el campo magnético. Si llamamos (Bo) a la inducción magnética que produce el electroimán con un núcleo de aire, y (B) a la inducción magnética conseguida al introducir una substancia ferromagnética, tendremos que:

(ur) Es el poder que posee la substancia ferromagnética de multiplicar las líneas de campo. A este parámetro se le conoce por el nombre de permeabilidad. En este caso, se trata de la Permeabilidad Relativa (ur) con respecto al aire o al vacío. En la práctica es mas usual utilizar el concepto de Permeabilidad Absoluta (u). Ésta nos relaciona la intensidad de campo que produce la bobina (H) con el nivel de inducción magnética alcanzado al introducir una substancia ferromagnética en el núcleo.

La Unidad de la permeabilidad es de (H/m) Henrios/metros.
Cada substancia magnetica tiene su propio coeficiente de permeabilidad. Cuanto mayor es este coeficiente, mejores propiedades magneticas poseerán estas substancias. La permeabilidad del Aire o el Vacío es de:

Se relaciona la permeabilidad absoluta con la permeabilidad relativa lo que da una formula:

Ejemplo N°5: Determinar la permeabilidad absoluta y relativa que aparecerá en el núcleo de hierro de un electroimán si se ha medido un flujo magnético de 5 mWb. Los datos que se conocen son: N°= 500 espiras; I = 15A; Longitud media del núcleo (L) = 30 cm; Superficie recta del núcleo (S) = 25(cm2).

Respuesta: Calcular primeramente la inducción magnética:

Luego la intensidad de campo en la bobina:

La permeabilidad absoluta:

La permeabilidad relativa:

6.- RELUCTANCIA (R)

La reluctancia de un material nos indica si éste deja establecer las líneas de fuerza en mayor o menor grado. Los materiales no ferromagnéticos, como el aire, poseen una reluctancia muy elevada. En cierta forma la reluctancia es un concepto similar a la resistencia en un circuito eléctrico, hasta tal punto que podemos establecer una formula similar a la ley de Ohm para los circuitos magnéticos; El flujo que se establece en un circuito magnético es proporcional a la fuerza magnetomotriz proporcionada por la bobina e inversamente proporcional a la reluctancia del medio por donde se establecen las líneas de fuerza del campo magnético.

(Conocida también como la ley de Hopkinson.) La Reluctancia es una característica propia de cada material magnético y su unidad corresponde a: Av/Wb (Amperes Vueltas / Weber)

Ejemplo N°6: Calcular la reluctancia que posee el núcleo de un electroimán si al hacer circular 5 A por la bobina de 1.000 espiras se ha establecido un flujo magnético de 5 mWb.

Respuesta: Calcular primeramente la fuerza magnetomotriz de la bobina, para luego calcular la Reluctancia con los datos obtenidos.

La formula para calcular la Reluctancia propia de un material, ya sea un material ferromagnético (Por ejemplo Hierro), se utilizara la siguiente formula:

Para el caso de calcular la reluctancia de un material que este al vacío o del aire (por ejemplo el entrehierro de un generador o de un motor) se utilizara la siguiente formula:

Ejemplo N°7: Calcular la reluctancia de un material de hierro de 100 cm de largo y 20 (cm2) de sección y con una permeabilidad relativa de 600.

Ejemplo N°8: Calcular la reluctancia de un circuito magnético, en donde su entrehierro es de 0,8 cm de largo y 24 (cm2) de sección.

7.- HISTÉRESIS MAGNÉTICA

La palabra histéresis significa remanencia. Después de someter a una substancia ferromagnética a la acción de un campo magnético, cuando este desaparece, la substancia manifiesta todavía un cierto nivel de inducción magnética que recibe el nombre de magnetismo remanente. La histéresis produce perdidas en los núcleos de los electroimanes cuando son sometidos a la acción de campos magnéticos alternos. Estas perdidas se transforman en calor y reducen el rendimiento de los dispositivos con circuitos magnéticos, como transformadores, motores, generadores y equipos con elementos inductivos.

CURVA DE MAGNETIZACIÓN
Curva de magnetización de una substancia ferromagnética cuando es sometida a intensidades de campo magnético alternos.

Explicación:
En el punto 0, la substancia no ha sido magnetizada nunca y en consecuencia la inducción magnética es nula.
En el tramo (0 - a) se va aumentando la intensidad de campo (H), con lo que se consiguen valores crecientes de inducción hasta llegar a la saturación.
En el tramo (a-b) se va reduciendo la intensidad de campo en la bobina. La inducción también se reduce, pero no en la misma proporción que antes. En el punto (b) se ha anulado la intensidad de campo, sin embargo, la substancia manifiesta todavía un cierto magnetismo remanente(Br).
En el tramo (b - c) se invierte el sentido del campo magnético (esto se consigue invirtiendo el sentido de la corriente eléctrica que  alimenta la bobina).
En el punto (c) la inducción es cero, se ha conseguido eliminar por completo el magnetismo remanente. Para ello ha habido que aplicar una intensidad de campo (Hc) conocida por el nombre de Campo Coercitivo.
En el tramo (c-d) se sigue aplicando una intensidad de campo negativo, con lo que se consiguen niveles de inducción negativos hasta alcanzar la saturación.
En los tramos (d-c), (c-f) y (f-a) se completa el ciclo de histéresis. La curva no pasa otra vez por el punto (0) debido a la histéresis.
Las pérdidas que se originan en los materiales ferromagnéticos debido a la histéresis son proporcionales al área del ciclo. Al observar el ciclo, su área aumenta en gran manera cuando el campo coercitivo (Hc) es grande. Por esta razón cuando se eligen materiales ferromagnéticos para la construcción de aparatos que van a funcionar con corriente alterna, se procura que posean un campo coercitivo lo más pequeño posible (transformadores, generadores etc.) y para imanes permanentes que posean un campo coercitivo lo mas grande posible.