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LECTROMECÁNICOS
DESIGN BY:
Daniel Gálvez
CICLO DE HISTERESIS
Fuente: http://www.ifent.org/lecciones/cap07/cap07-06.asp
Cuando un material ferromagnético, sobre el cual ha estado actuando un campo magnético, cesa la aplicación de éste, el material no anula completamente su magnetismo, sino que permanece un cierto magnetismo residual.
Para desimantarlo será precisa la aplicación de un campo contrario al inicial.
Este fenómeno se llama HISTERESIS magnética, que quiere decir, inercia o retardo.
Los materiales tienen una cierta inercia a cambiar su campo magnético.
La figura representa el llamado CICLO DE HISTERESIS (también lazo o bucle de histéresis) de un determinado material magnético.Se supone que una bobina crea sobre dicho material magnético una intensidad de campo H, el cual induce en ese material magnético una inducción (valga la redundancia) de valor B.
Así a una intensidad de campo H0 le corresponderá una inducción de valor B0.
Si ahora aumenta H (aumentando la corriente que circula por la bobina) hasta un valor H1, B también aumentará hasta B1. (Ver figura)
Pero si ahora restituimos H a su valor inicial H0 , B no vuelve a B0 , sino que toma un valor diferente B2. (Obsérvese que el camino "a la ida" es distinto que "a la vuelta" lo que implica que para restituir la inducción en el núcleo a su primitivo valor, es preciso aplicar una corriente suplementaria de signo opuesto).
El punto S representa la saturación del núcleo magnético.
Una vez saturado el núcleo,
B no puede aumentar por mucho que lo haga H.
Cada material tiene su propio lazo de histéresis característico. Hay veces en que interesa acentuar la histéresis, como ocurre en los núcleos de las memorias magnéticas, por lo que se fabrican ferritas doc ciclo como el de la figura siguiente:
Otras veces por el contrario, como ocurre en la mayoría de las máquinas eléctricas (transformadores, motores, generadores), interesa un núcleo cuyo ciclo de histéresis se lo más estrecho posible ( el camino "a la ida" coincida con el camino "a la vuelta") y lo más alargado posible (difícilmente saturable), como el de la figura siguiente:
Esta pretensión tiene su razón de ser. En efecto:
se invierta una potencia exclusivamente en magnetizar el núcleo, esta potencia no tiene ninguna otra aplicación práctica, por lo que se puede hablar de potencia perdida en imantación del núcleo y, efectivamente, se consideran las llamadas PERDIDAS POR HISTERESIS. Como quiera que éstas resultan ser directamente propocionales al área del lazo de histéresis, interesa pues que esta área sea lo menor posible.
Histéresis magnética
Ahora que ya sabemos que hay distintos tipos de materiales según su comportamiento ante un campo magnético, imagina que cae en nuestras manos un trozo de metal, por ejemplo la varilla de un destornillador (cualquier metal no nos serviría, pero sabemos que la varilla del destornillador es de acero y el componente principal del acero es el hierro, que es uno de los materiales ferromagnéticos) y queremos convertirlo en un imán. Para ello, lo introducimos dentro de una bobina que funcionará como un electroimán, regulando la corriente que por ella circula, y por tanto variando el campo magnético B. Si fuéramos tomando nota de los valores de intensidad de corriente y por lo tanto de excitación magnética H y por otro lado anotáramos los valores de inducción magnética obtenida, al llevarlos a una gráfica obtendríamos una curva parecida a la siguiente:
Lo que muestra la gráfica, es como va aumentando el campo magnético B en el material según hemos ido aumentando la excitación magnética H, que depende, como ya sabemos, de entre otros factores, de la intensidad. El punto 1 representa el punto máximo de campo magnético que puede adquirir nuestra varilla, es decir, la saturación magnética. Por aclararlo un poco más, piensa que nuestra varilla fuera un vaso de agua y la excitación magnética H azúcar. Añadimos un poco de azúcar a nuestro agua y lo agitamos, si lo probamos veremos que el agua está un poco dulce (el dulzor sería el campo magnético B); añadimos una cucharada más de azúcar y observamos que aumenta el dulzor. Si repetimos la operación varias veces, llegará un momento en que, por mucho azúcar que añadamos al agua, su dulzor no aumenta y el azúcar se precipita al fondo, habremos alcanzado la saturación de la disolución agua-azúcar. Eso mismo es lo que le ocurre al material, que queda saturado magnéticamente, pues todos los momentos magnéticos ya han sido alineados y se habrá alcanzado el máximo de campo magnético.
Continuemos con nuestro experimento. Ahora vamos a ir eliminando poco a poco la corriente causante del campo para ver si la inducción magnética B desaparece totalmente. Al hacerlo observamos lo siguiente:
En vez de tener un valor de B nulo, como antes de empezar el experimento, observamos que el campo magnético tiene el valor indicado con 2 en la gráfica, es decir, tiene un campo magnético remanente. Si no fuera materia inerte, podríamos pensar que es como si la varilla recordara que ha sido sometida a la acción de un campo magnético de valor 1 y aunque ahora lo eliminemos, le queda cierto valor del mismo. Este hecho, es decir, este valor de magnetismo remanente que designamos Br, es lo que se denomina histéresis, que es una palabra que proviene del griego que significa quedarse atrás.
Si quisiéramos anular este magnetismo remanente, tendríamos que invertir el sentido de la excitación magnética hasta un valor Hc, que viene representado por 3 en la siguiente imagen y que se conoce como campo coercitivo o fuerza coercitiva.
Imagen
Si siguiéramos aumentando la corriente para ver cuál es el valor máximo del campo magnético en sentido contrario y después quisiéramos anularlo tal y como hemos hecho anteriormente, el resultado sería como el de la imagen.
Habría un máximo, 4, simétrico a 1 y cuando elimináramos H, el material guardaría un magnetismo remanente 5, que para anularlo, habría que incrementar H en sentido contrario a la etapa anterior, hasta 6.
La curva de histéresis va a depender del material, así habrá materiales que será fácil imantar y desimantar, a estos los llamábamos materiales magnéticos blandos y por el contrario, habrá materiales que será más difícil desimantar. Estas curvas se pueden ver en la imagen siguiente:
Los ciclos de imantación y desimantación o, por simplificar, de histéresis, provocan en el material unas pérdidas de energía en forma de calor. Esto se debe a que, por lo general, a los núcleos magnéticos se les somete a corrientes alternas y estas corrientes que provocan el alineamiento de los momentos polares en las distintas regiones del material, hacen invertir la polaridad de los mismos; para que la polaridad se invierta hace falta energía, energía que es tomada de la fuente que la suministra, lo que supone que una parte de esa energía inicial no es transformada o suministrada y por lo tanto es una pérdida. También se pone de manifiesto este hecho cuando las corrientes son continuas variables. Estas pérdidas, junto con otras conocidas como corrientes parasitarias de Foucault, son denominadas pérdidas en el hierro y pueden llegar a suponer hasta un 2% de la energía disponible.
La gráfica muestra las distintas pérdidas que se pueden producir en una máquina eléctrica: pérdidas en las bobinas de cobre por efecto Joule, pérdidas mecánicas debidas al rozamiento de los componentes móviles y las pérdidas en el hierro debido, entre otros motivos, a los ciclos de histéresis de los materiales magnéticos.
La finalidad de conocer el comportamiento magnético de la materia estriba en que podremos elegir aquel material que mejor se adecúa a los requerimientos del dispositivo donde lo vamos a instalar y así optimizar su rendimiento.
Documentos de estudio:
http://mural.uv.es/ferhue/3o/labem/p8histeresistransformadores.pdf
http://www.uncachodeciencia.org/wp-content/uploads/histeresis-pres.pdf
