En un sistema con un campo magnético, ocurre histéresis. Los materiales ferromagnéticos tienen una característica común llamada histéresis. El efecto de histéresis es un fenómeno que ocurre cuando la magnetización de los materiales ferromagnéticos va a la zaga del campo magnético. La palabra histéresis significa «retraso». La densidad de flujo magnético (B) va a la zaga de la intensidad del campo magnético, lo que da como resultado una histéresis (H).
La histéresis es una propiedad de todos los materiales ferromagnéticos. Veamos un ejemplo en el que se coloca un material ferromagnético dentro de una bobina portadora de corriente para comprender mejor la idea. El material se magnetiza como resultado del campo magnético presente. La histéresis se conoce como el proceso de desmagnetización de un material invirtiendo la dirección de la corriente.
Bucle de histéresis
La densidad de flujo magnético y la intensidad del campo magnetizante están representadas por el bucle de histéresis. El bucle se crea al monitorear el flujo magnético emitido por el material ferromagnético mientras se cambia el campo de magnetización externo.
El gráfico indicará un ciclo de histéresis si se mide B para varios valores de H y los resultados se presentan en formatos visuales.
- Cuando la intensidad del campo magnético (H) aumenta desde cero, la densidad de flujo magnético (B) aumenta.
- A medida que aumenta el campo magnético, el valor del magnetismo aumenta hasta que llega al punto A, que se conoce como punto de saturación, donde B permanece constante.
- Con una caída en el valor del campo magnético, hay una disminución en el valor del magnetismo. Sin embargo, cuando tanto B como H son cero, la sustancia o el material retiene algo de magnetismo, lo que se conoce como remanencia o magnetismo residual.
- Cuando hay una reducción del campo magnético hacia el lado negativo, el magnetismo también disminuye. El material está completamente desmagnetizado en el punto C.
- La fuerza coercitiva es la cantidad de fuerza necesaria para eliminar la capacidad de retención (C) de un material.
- El ciclo se repite en sentido contrario, con el punto de saturación D, el punto de remanencia E y la fuerza coercitiva F.
- El ciclo se completa debido a los procesos de dirección directa y opuesta, y este ciclo se conoce como ciclo de histéresis.
Ventajas del bucle de histéresis
- La pérdida de histéresis se muestra por una disminución del área del bucle de histéresis.
- La relevancia de la remanencia y la coercitividad la proporciona el ciclo de histéresis a un material. Como resultado, el corazón de las máquinas facilita la elección del material correcto para fabricar un imán permanente.
- El gráfico BH se puede utilizar para determinar el magnetismo residual, lo que facilita la selección de materiales para electroimanes.
Retentividad y Coercitividad
Después de que se utiliza un campo de magnetización externo para magnetizar un material ferromagnético, el material no se relajará hasta su estado de magnetización cero cuando se elimine el campo de magnetización externo.
Retentividad: es la cantidad de magnetismo que queda después de que se retira el campo magnético externo. Se refiere a la capacidad de un material para mantener ciertas propiedades magnéticas después de que se haya retirado una fuerza de magnetización externa. El valor de la densidad de flujo en el punto B del ciclo de histéresis es la remanencia.
Coercitividad: la coercitividad de una sustancia se define como la cantidad de campo magnético externo inverso (-ve H) necesario para desmagnetizar totalmente la sustancia. El valor de H en el punto C del bucle de histéresis es la coercitividad.
Pérdida de energía debido a la histéresis
- El mayor ejemplo de análisis de pérdida de energía debido a la histéresis es un transformador porque sabemos que se requiere energía a lo largo de los procesos de magnetización y desmagnetización.
- La energía se expande durante la magnetización y desmagnetización de los objetos magnéticos, y esta energía expandida se manifiesta como calor. Pérdida por histéresis es el término para este tipo de pérdida de calor.
- Debido al proceso continuo de magnetización y desmagnetización en los transformadores, la energía se pierde continuamente en forma de calor, lo que reduce la eficiencia del transformador.
- Los núcleos de hierro dulce se utilizan en transformadores para evitar la pérdida de energía porque la pérdida de energía o la pérdida por histéresis en el hierro dulce es significativamente menor que en otros materiales.
Diferencia entre los imanes blandos y los imanes duros
- En comparación con los imanes duros, los imanes blandos magnetizan y desmagnetizan fácilmente.
- La capacidad de retención de los imanes blandos es mayor que la de los imanes duros.
- Los imanes duros tienen una coercitividad mayor que la de los imanes blandos.
- Los imanes blandos pierden menos energía que los imanes duros debido a su pequeña superficie.
- En el caso de los imanes blandos, el área del bucle es menor que la de los imanes duros.
- Los imanes blandos tienen una mayor permeabilidad magnética que los imanes duros.
- En los imanes blandos, I y χ son altos, pero en los imanes duros, ambos son bajos.
- Los imanes blandos son imanes temporales, mientras que los imanes duros son imanes permanentes.
- Las aleaciones de ferro-níquel, las ferritas, etc. son ejemplos de imanes blandos, mientras que el acero al carbono, el acero, el tungsteno, el acero al cromo, etc. son ejemplos de imanes duros.
Magnetización y Desmagnetización
El método de desarrollar propiedades magnéticas dentro de una sustancia magnética se conoce como magnetización. Con la ayuda de una corriente eléctrica o de un imán potente, se puede magnetizar cualquier material magnético.
- En términos simples, si cualquier sustancia magnética se coloca en un campo magnético externo, el material se magnetizará, y si el campo magnético externo se invierte, el material se desmagnetizará.
- Cuando los materiales ferromagnéticos se colocan dentro de una bobina portadora de corriente, el campo magnético H producido por la corriente empuja algunos o todos los dipolos magnéticos atómicos del material para alinearse con el campo magnético externo, magnetizando el material.
Problemas de muestra
Problema 1: ¿Qué materiales tienen el ciclo de histéresis más estrecho?
Solución:
Una cantidad mínima de energía desperdiciada está implícita en un bucle de histéresis estrecho. Esto sucede debido a su área de superficie limitada, lo que conduce a inversiones más frecuentes de la fuerza de magnetización aplicada. Estas formas estrechas de histéresis se ven en materiales magnéticos blandos utilizados en sistemas que necesitan campos magnéticos alternos.
Problema 2: ¿Cuál es el ciclo de histéresis del material del núcleo de un transformador?
Solución:
El núcleo del transformador está hecho de hierro dulce, que tiene una baja coercitividad y una alta capacidad de retención. Como resultado, su ciclo de histéresis es alto y delgado.
Problema 3: ¿Qué es la pérdida por histéresis?
Solución:
Cuando el núcleo de un transformador se expone a una fuerza de magnetización alterna, se produce una pérdida por histéresis debido a la inversión de la magnetización. Cuando el núcleo se expone a un campo magnético alterno, los dominios del material cambian de orientación cada medio ciclo. La pérdida por histéresis es la cantidad de energía utilizada por los dominios magnéticos para cambiar su orientación cada medio ciclo.
Problema 4: ¿Cuáles son las propiedades deseadas para la selección de núcleos de transformadores?
Solución:
Las propiedades deseadas para la selección de núcleos son:
- Los materiales deben pasar regularmente por ciclos completos de magnetización.
- La baja pérdida por histéresis reduce la pérdida de energía.
- Para producir una alta densidad de flujo, se requiere una alta permeabilidad (o susceptibilidad).
- Las pérdidas por corrientes de Foucault se reducen al tener una alta resistividad.
- El hierro dulce, las permalloys y otros materiales son ejemplos.
Problema 5: Un imán tiene una coercitividad de 1 × 10 3 A ⁄ m. ¿Qué corriente debe suministrarse a través de un solenoide con una longitud de 5 cm y un número de vueltas de 100 de modo que un imán colocado en él se desmagnetice?
Solución:
Dado:
Longitud del solenoide, L = 5 cm = 0,05 m
Número de vueltas, N = 100
Entonces, número de vueltas por unidad de longitud, n = N ⁄ L
= 100 ⁄ 0.05
= 2000
Corriente a pasar, i = H ⁄ n
= 1 × 10 3 ⁄ 2000
= 0,5 A
Por tanto, la corriente suministrada a través de un solenoide es de 0,5 A.