Asignatura: Física (FIS2301) Escuela de Ingeniería Facilitador: Dr. José Carlos León Ortega...

Asignatura: Física (FIS2301)

Escuela de Ingeniería

Facilitador: Dr. José Carlos León Ortega

Santa Cruz – Bolivia, 2012


Campo Magnético. Materiales magnéticos, imanes. Definición de campo magnético. Campo magnético de un solenoide.


En la antigua Grecia, por los años 500 a.C. los pobladores de una región llamada Magnesia (aproximadamente donde hoy se encuentra Turquía, se dieron cuenta que determinadas piedras extraídas de unas cuevas se atraían y se repelían entre ellas.

Estas piedras estaban hechas de magnetita y tenían una fuerte atracción hacia el hierro.

Durante muchos siglos se le dio un origen divino a estos fenómenos, pero no fue sino hasta el siglo XIX cuando la relación entre la electricidad y el magnetismo quedó plasmada, pasando ambos campos de ser diferenciados a formar el cuerpo de lo que se conoce como electromagnetismo.

Uno de los primeros que intentó dar una explicación científica al fenómeno fue William Gilbert, Físico Ingles (1544 – 1603).



William Gilbert le dio una explicación de naturaleza magnética al fenómeno, pero no obtuvo ecuaciones.

No fue hasta el año 1820 que un profesor de ciencias poco conocido de la Universidad de Copenhague, Dinamarca, Hans Christian Oersted, realizó trabajos en el magnetismo y los campos magnéticos.

Todos habremos notado que los imanes son materiales que atraen con mucha fuerza a otros metales y a otros imanes.

Poseen dos polos: Norte (N) y Sur (S). Después se verá el por qué de dichos nombres.




Ley de los Polos Magnéticos

Es análoga a la Lay de las Cargas.

“Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos diferentes se atraen”

Los polos magnéticos no son separables, siempre que existe un N, existirá un S a su lado.

Imaginemos que queremos dividir un imán sucesivamente hasta niveles atómicos.

Aunque rompamos un imán por la mitad éste "reproduce" sus dos polos. Si ahora volvemos a partir otra vez en dos, nuevamente tendremos cada trozo con dos polos norte y sur diferenciados. En magnetismo no existen los monopolos magnéticos.




Campo Magnético (B)

La acción a distancia de los polos magnéticos se debe a la existencia del campo magnético.

Al igual que el campo eléctrico, el campo magnético se caracteriza por tener líneas de campo que se extienden por el espacio.

Siempre dichas líneas salen del polo N y entran en el S.

Campos magnéticos de un imán recto, un imán tipo herradura y dos polos N enfrentados.




Líneas mostrando el campo magnético de un imán de barra, producidas por limaduras de hierro sobre papel.

Campo Magnético (B)




Está claro que la fuente más fácil para producir un campo B es un imán. Sin embargo, no podemos regular o controlar la intensidad de dicho campo en estos casos.

Fuentes de campo magnético

Oersted descubrió que alrededor de todo conductor con corriente eléctrica se produce un campo magnético.




Para determinar el sentido de rotación del campo B alrededor del conductor con corriente, se emplea la Regla de la Mano Derecha:


Donde μ es la permeabilidad magnética del medio (característica del medio en permitir que el campo B se extienda en él). En el vacío:

Obsérvese que el campo B depende de la intensidad de la corriente I.

μo = 4p·10-7 T m/A




Unidades del campo B.


B [ T ] (Tesla) [ G ] (Gauss)

Espira con corriente.

Con la espira se obtienen campos B 3 veces mayores.





Solenoide o bobina.

Es una sucesión de espiras unas al lado de las otras.

Campo B del solenoide.Los campos magnéticos de cada espira se superponen para formar un único campo B.





Campo B del solenoide (en su interior).

Donde:

N: número de espirasL: largo del solenoider: radio del solenoide

Nótese que ahora el campo B aumenta con el numero de vueltas y la corriente I





Campo B del solenoide (en su interior).

Alambre recto con corriente:

Espira con corriente.



Geometría del inductor: Consiste en un enrollado en una formaleta generalmente cilíndrica.

El parámetro que caracteriza al inductor es la inductancia “L”

La unidad de medida de L es el Henrio (H) en honor a Joseph Henry (1799-1878).

Múltiplos Submúltiplos No se usan H mH uH




Parámetros geométricos del inductor:

largo (L)diámetro (d)número de vueltas (N)

La inductancia “L” depende del número de vueltas, del diámetro de las espiras, del largo de la bobina y del tipo de núcleo. Al introducirle un núcleo se aumenta la μ y con ello se multiplica el campo B.

Tipos de núcleos:

AireHierrosFerritas

Representación circuital del inductor:





Tipos de núcleos usados en la industria:

MaterialComposición aproximada

PermeabilidadFe Ni Co Mo Otros

Acero laminado en frío 98.5 --- --- --- --- 2,000Hierro 99.91 --- --- --- --- 5,000Hierro purificado 99.95 --- --- --- --- 180,000Hierro al 4% silicio 96 --- --- --- 4 Si 7,00045 Permalloy 54.7 45 --- --- --- 25,000Permalloy 45 54.7 45 --- --- --- 50,000Hipernik 50 50 --- --- --- 70,000Monimax --- --- --- --- --- 35,000Sinimax --- --- --- --- --- 35,000Permalloy 78 21.2 78.5 --- --- 0.3 Mn 100,000Permalloy 4-79 16.7 79 --- 4 0.3 Mn 100,000Mu metal 18 --- --- --- --- 100,000Supermalloy 15.7 79 --- 4.3 --- 800,000Permendur 49.7 79.0 --- 05.0 --- 5,000Permendur 2V 49 --- --- --- --- 4,500Hiperco 64 --- --- --- --- 10,000Permalloy 2-81 17 --- --- --- --- 130Hierro Carbonyl 99.9 --- --- --- --- 132Ferroxcube III --- --- --- --- --- 1,500




Al introducir un núcleo el campo B aumenta significativamente.



Distintos tipos de inductores. Obsérvese sus formas.




Medición de inductores.

El inductimetro.




Cálculo de la inductancia de un inductor.

Fórmula de Wheeler. (bobina monocapa)

N: número de vueltas

d: diámetro en mm

L: largo en mm




Cálculo de la inductancia de un inductor.

Ejemplo:

N=7

d= 10 mm

L= 100 mm

L = 0,5 uH




Tipos de núcleos.

Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material plástico, cartón, etc. Poseen muy bajo valor de inductancia. (desde menos de 1 uH hasta decenas de uH)

Núcleo de hierro: aumenta el valor de la inductancia. Sólo se emplea en bajas frecuencias porque a altas frecuencias las pérdidas son elevadas. Aplicaciones: fuentes de alimentación y amplificadores de audio. Poseen valores de mH.

Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos. Poseen grandes valores de inductancias. Se emplean en radiofrecuencias. Poseen valores de entre uH y mH.




Aplicaciones de los inductores:

Bloquear el paso de la CA: bloquear (“choke” en inglés) el paso de CA o radiofrecuencia en circuitos de CC.

Transformadores: constituyen las bobinas de los transformadores.

Filtros: para seleccionar el paso de determinadas frecuencias y bloquear otras.

En circuitos de sintonías: junto con un capacitor forman un circuito LC que permite la sintonía de frecuencias.




Tipos de inductores:

Solenoides: son estructuras más alargadas que anchas. Pueden o no tener varias capas de enrollados.

Solenoides con núcleo de aire Solenoides con núcleo de ferrita.

(Pueden llegar hasta decenas de mH)

Se emplean en aplicaciones generales, filtros, convertidores DC/DC, etc.





Toroides: son estructuras circulares, su enrollado se presentan en forma de lanzaderas. El campo magnético se confina en su estructura por lo que tienen altos valores de inductancia.

Toroide típico. Puede llegar a decenas de mH. Se emplean en fuentes de alimentación, transformadores, acopladores de RF, etc.





Encapsulados: son estructuras encapsuladas en cerámicas. Sus valores de inductancia son pequeños, del orden de decenas a centenares de uH. Tienen aplicaciones en equipos de radio, en las etapas de osciladores y filtros de RF.

Chips: son estructuras encapsuladas en chips. Sus valores de inductancia son pequeños, del orden de 1mH. Tienen aplicaciones generales.





Variables: poseen un núcleo que entra y sale del enrollado lo que permite varias su valor de inductancia. Estos valores pueden estar entre 100 uH y decenas de mH. Se emplean en etapas sintonizadas de RF, osciladores y circuitos de RF como transmisores y receptores




Ejemplos de inductores de diferentes formas y tamaños.




Ejemplos de inductores:





Los materiales se clasifican de acuerdo a como respondan frente a un imán:

Materiales magnéticos

Materiales ferromagnéticos: Son atraídos fuertemente por un imán. (hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), acero )

Materiales paramagnéticos: Son atraídos débilmente por un imán. (aire, aluminio (Al), calcio (Ca), platino (Pl), magnesio (Mg), paladio (Pd) )

Materiales diamagnéticos: Son repelidos débilmente por un imán. (cobre (Cu), bismuto (Bi), plata (Ag), plomo (Pb), estaño (Sn), zinc (Zn), agua.)




Teoría de los dominios de Webber.


Cada electrón que orbita al núcleo constituye una corriente eléctrica. Por ello, tiene asociado un campo B.

Ahora bien, cada campo B de cada electrón interactúa con los campos B de sus vecinos. Por ello, los electrones se reorganizan en sus órbitas y cada átomo tendrá un campo B resultante.

Es de razonar entonces que cada campo B en cada átomo interactúa con los campos B de los átomos vecinos, formándose entonces colonias de átomos de campo B promedio. A estas colonias se les denomina “dominios magnéticos”.






Dominios magnéticos.

Cada región del dominio se caracteriza por tener un campo B promedio en una dirección específica del espacio.

Cabe preguntarse ahora, ¿cómo responden las estructuras de los dominios magnéticos en los materiales ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos al estar en presencia de un imán?






Materiales ferromagnéticos. Estos reorientan muy fácilmente sus dominios en presencia de un campo B exterior. Una vez reorientados, se comportan como in imán.

Las fronteras de los dominios se agrandan.

Al quitar el campo B externo, vuelve a recobrarse parcial o totalmente la situación inicial.






Materiales ferromagnéticos. En presencia de un campo externo, sus dominios se alinean con las líneas de fuerza del campo externo, comportándose como un imán, por eso son atraídos por éstos.






Materiales paramagnéticos. En presencia de un campo externo, algunos de sus dominios se alinean con las líneas de fuerza del campo externo, comportándose como un imán débil y por eso son atraídos débilmente por éstos.






Materiales diamagnéticos. En presencia de un campo externo, algunos de sus dominios se alinean en contra de las líneas de fuerza del campo externo, comportándose como un imán débil y por eso son repelidos débilmente por éstos.





PREGUNTA: ¿Cómo se puede determinar si un metal es ferromagnético o no?




Campo magnético terrestre.

La Tierra, al igual que otros planetas, incluso el Sol, tiene un campo magnético a su alrededor.

El polo N está muy cercano al polo Norte geográfico y el polo S muy cercano al Sur geográfico. (inclinación de 11 grados).

De ahí los nombres de los polos magnéticos.

La aplicación más inmediata que tuvo este fenómeno fue la orientación mediante la brújula.





Hay hipótesis que establecen que el origen de dicho campo es el núcleo de la Tierra que esta en movimiento y forma corrientes eléctricas en remolino.





En los polos es más intenso que en el ecuador.

De ahí las auroras boreales.





El campo magnético terrestre es afectado por las exposiciones solares y el “viento solar” que este emite en cada exposición. Tiene consecuencias graves en las telecomunicaciones.


Fin de la Sesión



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