Fundamentos de Electromagnetismo: Conceptos Clave, Saturación y Ciclo de Histéresis

Conceptos Fundamentales del Magnetismo y Circuitos Magnéticos

Flujo Magnético ($\Phi$) (Wb)

El campo magnético se representa a través de líneas de campo magnético. La cantidad total de estas líneas que atraviesan una superficie se denomina flujo magnético.

Inducción Magnética (B) (T)

Es la cantidad de líneas de fuerza que atraviesan perpendicularmente la unidad de superficie. También se conoce como densidad de flujo magnético.

$$B = \frac{\Phi}{A} \quad \text{o} \quad B = \frac{\text{Wb}}{\text{m}^2}$$

Fuerza Magnetomotriz (FMM) (AV)

Es la capacidad que posee una bobina de generar líneas de fuerza en un circuito magnético.

$$F = N \times I$$

(Donde $N$ es el número de espiras e $I$ es la intensidad de corriente).

Intensidad de Campo Magnético (H) (AV/m)

Nos indica cuán intenso es el campo magnético en un punto. La intensidad de campo depende de la fuerza magnetomotriz y de la longitud del circuito magnético.

$$H = \frac{N \times I}{L}$$

Reluctancia ($\mathcal{R}$) (AV/Wb)

La reluctancia de un material indica la oposición que este presenta al establecimiento de las líneas de fuerza magnética (flujo) en mayor o menor grado. Es el análogo magnético de la resistencia eléctrica.

$$\mathcal{R} = \frac{F}{\Phi}$$

Curva de Magnetización y Saturación Magnética

Cuando una sustancia es sometida a la acción de un campo magnético creciente ($H$), la inducción magnética ($B$) que aparece en su interior también aumenta en una relación determinada.

Si se introduce una sustancia ferromagnética en una bobina y se hace circular una corriente eléctrica, aparece un campo magnético interno de intensidad $H$. Este campo orienta en cierto grado los dominios magnéticos (o "imancitos") del material, lo que refuerza el campo con una inducción $B$.

Si aumentamos la intensidad de corriente, $H$ aumenta, y más dominios magnéticos se orientan, incrementando la inducción $B$.

Si continuamos aumentando la intensidad de corriente (y, por ende, $H$), llega un momento en que los dominios magnéticos ya no pueden orientarse más, independientemente de cuánta intensidad eléctrica se aplique. En este punto, se dice que se ha alcanzado la saturación magnética.

Permeabilidad Magnética ($\mu$)

Unidad: Henrio por metro (H/m).

La permeabilidad es la capacidad que posee una sustancia para permitir el establecimiento de las líneas de flujo magnético. Se define como la relación entre la inducción magnética ($B$) y la intensidad de campo magnético ($H$).

$$\mu = \frac{B}{H}$$

Tipos de Permeabilidad

Permeabilidad del Vacío ($\mu_0$)

Es la permeabilidad del aire o del vacío. Su valor es aproximadamente: $$\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \text{ H/m}$$

Permeabilidad Absoluta ($\mu$)

Es la permeabilidad del material en sí (ej. con hierro en el núcleo).

Permeabilidad Relativa ($\mu_r$)

Es la relación entre la permeabilidad absoluta del material ($\mu$) y la permeabilidad del vacío ($\mu_0$). Indica cuántas veces es más permeable el material que el vacío.

$$\mu_r = \frac{\mu}{\mu_0}$$

Histéresis Magnética

La palabra histéresis significa, en este contexto, remanencia o retraso. Después de someter una sustancia ferromagnética a la acción de un campo magnético, cuando este desaparece, la sustancia sigue parcialmente imantada. A este fenómeno se le denomina magnetismo remanente.

El ciclo de histéresis describe la relación entre la inducción magnética ($B$) y la intensidad de campo magnético ($H$) en un material ferromagnético sometido a un ciclo completo de magnetización y desmagnetización. A continuación, se describe el proceso típico de la curva:

1. Punto 0 (Estado Inicial): La sustancia no ha sido magnetizada previamente; la inducción ($B$) es nula.
2. Tramo (0-a): Se aumenta la intensidad de campo ($H$), lo que provoca un crecimiento de la inducción ($B$) hasta alcanzar la saturación.
3. Tramo (a-b) - Remanencia: Se reduce la intensidad de campo ($H$) hasta que se anula (punto $b$). Sin embargo, la sustancia retiene un magnetismo remanente ($B_r$).
4. Tramo (b-c) - Coercitividad: Se invierte el sentido del campo magnético (invirtiendo la corriente eléctrica). En el punto $c$, la inducción ($B$) se hace cero. La intensidad de campo necesaria para desmagnetizar el material se llama fuerza coercitiva.
5. Tramo (c-d): Se sigue aplicando una intensidad de campo negativo, consiguiendo niveles de inducción negativos hasta alcanzar la saturación en sentido opuesto.

La curva no vuelve a pasar por el punto 0 debido al fenómeno de la histéresis.