Ferromagnetismo

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Material	Temp. Curie (K)
Fe	1043
Co	1388
Ni	627
Gd	292
Dy	88
MnAs	318
MnBi	630
MnSb	587
CrO₂	386
MnOFe₂O₃	573
FeOFe₂O₃	858
NiOFe₂₃	858
CuOFe₂O₃	728
MgOFe₂₃	713
EuO	69
Y₃Fe₅O₁₂	560

El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.

Generalmente, los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos, separados por superficies conocidas como paredes de Bloch. En cada uno de estos dominios, todos los momentos magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta energía potencial, pero la formación de dominios está compensada por la ganancia en entropía.

Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magnético inductor aumentan su tamaño. Este aumento de tamaño se explica por las características de las paredes de Bloch, que avanzan en dirección a los dominios cuya dirección de los dipolos no coincide; dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo.

Materiales ferromagnéticos [editar]

MATERIALES FERROMAGNETICOS

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.
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 ferromagnéticos poseen las siguientes propiedades y características que se detallan a continuación.

Propiedades de los materiales ferromagneticos.
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 ferromágneticos.
Los materiales ferromágneticos se caracterizan por uno o varios de los siguientes atributos:
Pueden imanarse 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 Bmax 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 originaria 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.

Materiales ferromagnéticos para transformadores:
La aleación ferromagnética 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.
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.
Los revestimientos o acabados de aislamiento pueden clasificarse ampliamente en orgánicos o inorgánicos:

a) El aislamiento orgánico consiste, en general, en esmaltes o barnices que se aplican a la superficie del acero para proporcionar una resistencia interlaminar.
La chapa magnética laminada plana con revestimiento de tipo orgánico no puede recibir un recocido de distensión sin perjudicar el valor aislante de la capa. Esta, sin embargo, resiste las temperaturas de funcionamiento normales. Algunos aislamientos orgánicos son apropiados sólo en núcleos refrigerados por aire, mientras que otros pueden ser apropiados para núcleos de transformadores tanto del tipo refrigerado por aire como los de baño de aceite. El espesor de este tipo de aislamiento es de aproximadamente de 2,5 m m.

b) El aislamiento inorgánico se caracteriza, en general, por una elevada resistencia y por la capacidad de resistir las temperaturas necesarias para el recocido de distensión. Esta ideado para núcleos de transformadores refrigerados por aire o en baño de aceite.
Ref: M.I.T., Circuitos Magnéticos y Transformadores, Reverté, Buenos Aires 1981.

CAMPO MAGNETICO

La corriente eléctrica va siempre acompañada de fenómenos magnéticos. Este efecto de la corriente eléctrica desempeña una función importante en casi todos los aparatos y máquinas eléctricas.
El espacio en que actúan fuerzas magnéticas se denomina campo magnético. Este se forma, por ejemplo, entre los extremos de un imán recto o entre los brazos de un imán en forma de herradura.
Al igual que, los campos eléctricos, también es posible visualizar los campos magnéticos. Si por encima de un imán se coloca un papel tensado en un marco y se esparcen sobre él limaduras de hierro éstas se ordenan como consecuencia de la fuerza que actúa sobre ellas, formando líneas. Por este motivo, se habla de las líneas de fuerza o del campo magnético. Hay que imaginarse el espacio alrededor del imán atravesado por líneas de fuerza.
1. ¿Cómo se representa el campo magnético alrededor de un imán recto?
R1: El espacio alrededor del imán se considera atravesado por líneas de fuerza.
Las líneas a trazos indican el recorrido de las líneas de fuerza. Basta dibujar algunas de ellas para representar el campo magnético.
Las líneas de fuerza no sólo existen fuera del imán sino que también recorren su interior. De ello se deduce la siguiente regla:
"Las líneas de fuerza de un campo magnético son cerradas". Todas las líneas de fuerza de un campo constituyen el flujo magnético.
2. ¿De que hecho puede deducirse que también tiene que haber líneas de fuerza en el interior de imán?
R2: Del hecho de que al dividir un imán resultan nuevos imanes, o de que un imán está formado por imanes moleculares.

Densidad de flujo magnético
Los campo magnético ejercen fuerzas que son más intensas cuanto mayor sea el número de líneas de fuerza que contiene el campo correspondiente, es decir, cuantos más juntas están dichas líneas de fuerza.
La fuerza que actúa entre 2 imanes rectos alcanza su valor máximo e los polos (repulsión o atracción), porque el flujo magnético tiene en ellos su densidad máxima.
"La densidad de flujo magnético expresa el efecto del campo. También se denomina inducción magnética".
La densidad de flujo indica el valor de la intensidad del flujo magnético que atraviesa perpendicularmente la unidad de superficie (cm2 o m2).
3. ¿Cómo varia la densidad del flujo magnético en el exterior de un imán recto a medida que aumenta la distancia con respecto a los polos?
R3: La densidad del flujo magnético se reduce a medida que aumenta la distancia.

Corriente eléctrica y Campo magnético.
Para que se forme un campo magnético no es indispensable la existencia de materiales magnéticos. Al circular corriente eléctrica por un conductor se forma un campo magnético, sin que se precise para ello un material ferromagnético.

Distribución de un campo alrededor de un conductor.
Las líneas de división de un conductor recto por el que circula una corriente eléctrica, son círculos cuyo centro común se encuentra en el conductor.
Como el campo magnético se extiende a lo largo de todo el conductor, hay que imaginarse las líneas de fuerza muy juntas, casi formando tubos alrededor del conductor.
La densidad del flujo magnético alcanza su valor máximo en la superficie del conductor y disminuye a medida que aumenta la distancia con respecto a éste, siendo indiferente que el alambre sea con aislante o no, pues en los materiales que no son magnéticos se forma el campo magnético de forma aproximadamente igual a como ocurre en el aire.
4. ¿Qué propiedad de las líneas de fuerza se deduce de la representación del campo magnético de un imán o de un conductor por el que circula una corriente eléctrica?
R4: La representación del campo magnético indica que las líneas de fuerza son cerradas.

Sentido del campo magnético.
Si se desplaza la aguja de una brújula en una órbita circular alrededor del conductor por el que circula una corriente eléctrica de intensidad suficiente, dicha aguja se colocará siempre perpendicularmente al radio, indicando así el sentido de las líneas de fuerza.
Por convenio se ha fijado que el polo norte de la aguja de una brújula señala en el sentido de las líneas de fuerza.
5. ¿Cómo se puede determinar el sentido de un campo magnético mediante la aguja de una brújula?
R5: El polo norte de la aguja señala en el sentido del campo magnético.

ENSAYO Nº 03

COMPORTAMIENTO MAGNETICO DE LOS MATERIALES FERROMAGNETICOS

OBJETIVOS.

Estudiar las propiedades magnéticas de la materiales ferromagnéticos.
Verificación de la forma de onda de corriente de magnetización (corriente de vacio).

MATERIAL UTILIZADO.

01 Autotransformador de 0 - 260 V.
01 Transformador de 1 KVA, 220/110 V.
01 Voltímetro de 0 - 750 V.
01 Amperímetro de 0 - 10 A.
02 Resistencias de 15 y 60 K.
01 Osciloscopio de precisión.
01 Condensador de 20 F - 250 V.
01 Multímetro Sanwa.
Conductores y conectores.

RESUMEN TEÓRICO.

MATERIALES FERROMAGNÉCTICOS.

Las propiedades de los materiales magnéticos se explican a través del momento magnético atómico que poseen las cargas en el movimiento de su orbita y de los espines.

Los materiales ferromagnéticos esta compuesto de hierro aleado con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales tratados o no térmicamente y cierto porcentaje de silicio. La finalidad de uso de núcleos ferromagnéticos son: obtener altas densidades con bajas fmm y delimitar o dirigir a los campos en trayectorias bien definidas.

CARACTERISITICAS BH DE LOS MATERIALES FERROMAGNÉTICOS.

'Comportamiento magnético de los materiales ferromagnéticos'

Densidad de Flujo remanente (Br), si se magnetiza el material de hierro desde O, esta se incrementa hasta llegar a un punto cercano a la saturación; pero cuando se reduce a cero la H, el núcleo no retorna totalmente la energía que ha sido aplicada, es decir retiene cierta densidad residual.

Fuerza Coercitiva (Hc), para reducir el magnetismo remanente (Br tiende a 0) a cero es necesario aplicar fuerza de magnetización inversa, conocida como fuerza coercitiva.

Lazo de histéresis, cuando llega a cero (B=0) y con el incremento de la fuerza de magnetización, se incrementa B rápidamente en sentido negativo a la densidad máxima. Si nuevamente se elimina la Br negativa y se incrementa la fuerza en sentido positivo se cierra la característica BH, formando un lazo (o ciclo) llamado lazo de Histéresis. La histéresis se refiere a un atraso de B respecto a H.

Curva de Magnetización de dc o normal, La excitación cíclica de amplitudes menores de B y H; se exhibe lazos menores de Histéresis, la unión de los puntos vértices máximos, obtiene una curva conocida como la curva de magnetización del material, muy utilizado para los cálculos de ingeniería de diseño de maquinas elèctricas.

La permeabilidad diferencial (d) del material, es la relación de B y H que varía con las variaciones de los puntos B y H.

Materiales ferromagnéticos suaves y duros, son los materiales que tienen bajo valor de Hc y su magnetización es fácil. En cambio cuando tiene un valor alto de Hc su magnetización es dura. Existen métodos de aleaciones para obtener materiales ferromagnéticos propiedades magnéticas mejoradas.

'Comportamiento magnético de los materiales ferromagnéticos'

EXCITACIÓN DE ESTRUCTRAS FERROMAGNÉTICAS CON CA.

Los materiales ferromagnéticos usados en el diseño de transformadores maquinas eléctricas de C.A. son los conocidos como blandos que tengan alta permeabilidad y baja coercitividad con la finalidad de obtener pérdidas moderadas debido al proceso de magnetización de esta estructura con corriente de excitación de C.A. Estas pérdidas en el hierro son debido al fenómeno de la histéresis y a las corrientes parásitas de eddy inducidas en el núcleo.

PÉRDIDAS POR HISTÉRESIS.

Las pérdidas referidas a la histéresis son por el movimiento de los dominios durante los ciclos de magnetización y fue deducido por Steinmetz, y se puede analizar de la siguiente expresión:

'Comportamiento magnético de los materiales ferromagnéticos'

De la ecuación
representa el área del lazo de Histéresis.

Si la expresión es periódica a una razón de f por segundos, las pérdidas se pueden expresar en forma práctica por la formula de Steinmetz.

n = (1.5 - 2.5) - exponente de Steinmetz)

Kh = cosntante de Steinmetz que dependen del material ferromagnético.

PÉRDIDAS POR CORRIENTES PARÁSITAS (DE EDDY).

Cuando el núcleo se expone a campos magnéticos variables en el tiempo, se induce voltajes C.A. y al mismo tiempo corrientes conocidas como las corrientes de Eddy, llamadas también corrientes parásitas o corrientes de remolino, se producen como efecto de la inducción electromagnética.

Forma de la corriente de excitación de un bobinado con núcleo de hierro.

'Comportamiento magnético de los materiales ferromagnéticos'

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

Montar el circuito de la figura Nº 01

'Comportamiento magnético de los materiales ferromagnéticos'

Utilizar el osciloscopio en la configuración de barrido horizontal externo.

Ajuste la ganancia horizontal y vertical adecuadamente.

Varié la tensión de salida de la fuente a 30, 60, 90 y 110 volt.

Medir los voltajes en las entradas vertical y horizontal del osciloscopio con el multimetro.

Tomar los datos del amperímetro y voltímetro instalados.

CUESTIONARIO.

Explique: ¿Qué son las pérdidas por Histéresis?
Justifique los aspectos de las formas de onda de la corriente de vació encontradas.
Trazar las curva V - I, justifique la tendencia del gráfico.
Realice un bosquejo de la figura con los voltajes de las entradas vertical y horizontal, en papel milimetrado para cada caso y discuta sus resultados en forma resumida.
Plantee si es posible un método para calcular las pérdidas de Foucault que se originan en el núcleo.
Explique Ud. ¿Cómo y porque se logra obtener el Ciclo de Histéresis en la pantalla del osciloscopio?, ¿Qué principio se utiliza para lograrlo?
Realice las conclusiones, observaciones y sugerencias respectivas.

BIBLIOGRAFÍA.

STEPHEN J. CHAPMAN Máquinas Eléctricas.
IRVING L. KOSOW Máquinas Eléctricas y Transformadores.
IRVING L. KOSOW Máquinas Eléctricas y Transformadores.
ENRIQUE RAS OLIVA Transformadores.

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÌA MECANICA ELECTRICA

LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS I