MÁQUINAS ELÉCTRICAS I

Curso: Máquinas Eléctricas I, Horacio Díaz RojasDepartamento de Ingeniería Eléctrica-Electrónica (DIEE)

MÁQUINAS ELÉCTRICAS I

Figuras obtenida de Internet

Horacio Díaz RojasAcadémico

Universidad de Tarapacá

Departamento de Ingeniería Eléctrica-Electrónica

Capítulo II: Circuitos Magnéticos

2.4 Propiedades magnéticas de la materia

Curso: Máquinas Eléctricas I, Horacio Díaz RojasUniversidad de Tarapacá. Departamento de Ingeniería Eléctrica-Electrónica

2

Propiedades magnéticas de la materia

• Hasta el momento podemos crear un campo magnético con una

corriente eléctrica que circula por una bobina de N vueltas.

• ¿Existe algún medio (material) que permita captar de manera más

sencilla las líneas de fuerza?

• O equivalentemente ¿podemos disminuir “el esfuerzo que hace la

corriente” (H) para producir el campo magnético?

• ¿Cómo podemos ahorrar conductor?


3

¿ Qué sucede si colocamos un material en el núcleo de un solenoide ?

I



4

El magnetismo está asociado con cargas en movimiento (corrientes) :

Corrientes microscópicas en los átomos del material

Corrientes macroscópicas en los enrrollados de una bobina


©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

I

B


5

donde:

Bexterno : Campo magnético debido a la corriente externa aplicada

(corriente macroscópica)

Binterno : Campo magnético resultante producido por los lazos de

corrientes microscópicas en el conductor

M : Vector de magnetización

MB

HB

BBB

0ernoint

0externo

ernointexternoTotal

=

=

+=

Corriente

superficial



6

: Susceptibilidad magnética

( )

( )

( )

r0

r0Total

mr

m0Total

m0Total

m

0Total

00Total

HB

1

H1B

)HH(B

HM

MHB

MHB

=

=

+=

+=

+=

=

+=

+=

HBTotal =

0

: Permeabilidad relativar

m

: Permeabilidad del material

: Permeabilidad del vacío

Donde :



7

MATERIALES

Diamagnéticos

Paramagnéticos

Ferromagnéticos Hierro, cobalto, niquel

aluminio, litio, platino, iridio

cobre, la plata, oro, mercurio y bismuto

Los materiales de acuerdo a su susceptibilidad magnética, se clasifican en :



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Materiales Diamagnéticos

Material m

Hidrógeno -9.9 10-9

Nitrógeno -2.3 10-9

Bismuto -1.66 10-5

Cobre -0.95 10-5

Oro -3.6 10-5

Plata -2.6 10-5

Diamante -2.2 10-5

m 0<

Susceptibilidad magnética muy pequeña y negativa

Material diamagnético


9


¿ Qué sucede si colocamos un material diamagnético en el interior deun solenoide ?

I

Los dipolos magnéticos rotan de manera que las corrientes

microscópicas generan una intensidad de campo magnético M opuesta

al campo externo. m 0<


10


I

Por lo tanto el BTotal dentro del solenoide es levemente menor que el

caso del solenoide solo con aire.

Bexterno debido a la corriente externa (H)

Binterno debido a la magnetizacióndel material (M)


11


Si un imán está cerca de un material diamagnético, se produce un efectode repulsión de las líneas de fuerza, reduciéndose levemente el campomagnético total dentro del material.

Materialdiamagnético

N

S

N

S

Imán

Repulsión de

Líneas de fuerza


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Materiales Paramagnéticos

m 0>

Materialm

Oxígeno 2090 10 -9

Aluminio 2.3 10 -5

Magnesio 1.2 10 -5

Titanio 7.06 10 -5

Tungsteno 6.8 10 -5

Susceptibilidad magnética muy pequeña y positiva

Material paramagnético


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¿ Qué sucede si colocamos un material paramagnético en el interiorde un solenoide ?

Los dipolos magnéticos rotan de manera que las corrientes

microscópicas generan una intensidad de campo magnético M en la

misma dirección del campo externo. m 0>

I


14


Por lo tanto el BTotal dentro del solenoide es levemente mayor que el

caso del solenoide sólo con aire.



I


15


Si un imán está cerca de un material paramagnético, se produce un

efecto de atracción de las líneas de fuerza, incrementándose levemente

el campo magnético total dentro del material.

S

N

N

S

Imán

MaterialParamagnético

Atracción de

Líneas de fuerza


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Materiales Ferromagnéticos

m 0>> Material m

Hierro 5500

Hierro -Silicoso (96% Fe,

4% Si)7000

Permalloy (55% Fe,

45% Ni)25000

Mu -metal (77% Ni,

16% Fe,5% Cu, 2% Cr)100000

Susceptibilidad magnética muy grande y positiva

Material ferromagnético


17


¿ Qué sucede si colocamos un material ferromagnético en el interiorde un solenoide ?

Los “dominios magnéticos” rotan de manera que generan una fuerte

intensidad de campo magnético M en la misma dirección del campo

externo. m 0>>

I


18


Por lo tanto el BTotal dentro del solenoide es Mucho mayor que el caso

del solenoide sólo con aire.



I


19


Si un imán está cerca de un material ferromagnético, se produce un

fuerte efecto de atracción de las líneas de fuerza, incrementándose

sustancialmente el campo magnético total dentro del material.

S

N

N

S

Imán

MaterialFerromagnético

Gran atracción de

líneas de fuerza


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Características de los materiales ferromagnéticos

• Presentan un alto nivel de magnetización(Teoría de los dominios)

• Generalmente son de naturaleza metálica uoxido-metálica

• Presentan el fenómeno de saturación ehistéresis

• La magnetización disminuye a medida que latemperatura aumenta


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Dominios magnéticos:

• Un material ferromagnético está compuesto de un conjunto demicroscópicas regiones magnéticas denominadas dominios.

• Cada dominio magnético representa un conjunto de átomos(~1015) que constituyen un dipolo magnético.

• Cada dipolo tiene una determinada orientación

Dominios Magnéticos

Figura obtenida de Internet

Sin presencia de Bexterno

Teoría de los dominios


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Características de los dominios magnéticos:

• Usualmente sin presencia de campo externo laorientación de los dominios es tal que se cancelanmutuamente los dipolos existentes, de manera que elcampo resultante es nulo.

• En presencia de un campo externo los dominiosmagnéticos en un material ferromagnético se orientanen el sentido del Bexterno.

• Esta orientación depende además de la característicade magnetización del material (curva B-H)

Teoría de los dominios


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Curva B-H de un material ferromagnético

Intensidad de campo magnético H

H1

H2

H3

H4

H5

H = 0

De

ns

ida

d

de

flu

jo

0

Las capacidad de un material para captar líneas de flujo se puedeobservar a través de su característica de magnetización o curva B-H.

B

Observe el progresivocambio en la orientaciónde los dominios a medidaque se incrementa H



24


Intensidad de campo magnético H

Densi

dad

de f

lujo

0

En la curva B-H se pueden distinguir las siguientes zonas:

B

Orientación dipolar

Codo de saturación

Saturación


25


H

De

ns

ida

d

de

flu

jo

0

B

La pendiente de la curva es la permeabilidad magnética

maxBmax

H

Máximo aprovechamiento delmaterial en el codo desaturación

Punto de operaciónóptimo


26


Como se observa la curva B-H es no lineal

Sin embargo, cuando los circuitos magnéticos no operan en la zona desaturación se puede emplear una aproximación lineal.

H

De

ns

ida

d

de

flu

jo

0

B

Bmax

or

HB

=

=

B

H

Aproximación lineal


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Ejemplos de curvas B-H :


Densi

dad d

e f

lujo

[ T

]

Intensidad de campo magnético [A-V/m]



28t

Gran parte de los momentos magnéticos se alinean con el campo; sin embargo

algunos no lo hacen. Por lo tanto existe una magnetización efectiva; sin

embargo menor que en un material ferromagnético.

Material Ferrimagnético

Momentos alineados con

el campo

Momentos NO alineados

con el campo

Ejemplo: Magnetita, Ferrita


29t

Una parte de los momentos magnéticos se alinea con el campo; sin embargo

otra parte igual se opone al campo (alineación antiparalela). Por lo tanto la

magnetización efectiva es nula.

Material Antiferromagnético

Momentos alineados de forma antiparalela

Ejemplo: MnO (Oxido de Manganeso)

MnF (Fluoruro de Manganeso)

Cr (Cromo)


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MaterialFerromagnético

MaterialAntiferromagnético

MaterialFerrimagnético

Comparación de propiedades magnéticas


31

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning


Comparación de curvas B-H de un material ferromagnético con otrostipos de materiales:


32


La densidad de flujo es mayor cuando dentro de la bobina secoloca un material ferromagnético.



33




34

La histéresis se debe a que los dominios magnéticos deben “reorientarse” en elsentido de la corriente, la cual en caso de ser alternante cambia cada mediociclo, provocando una “fricción” entre las paredes de los dominios que semanifiesta como calor.

Figuras obtenidas de Internet

Curva de histéresis de un material ferromagnético


35

Ciclo de Histéresis: B

H

Hm

BR

-Hm

-Bm

Hc

Bm

Magnetismo remanente: estado del material en

ausencia del campo magnético

Fuerza coercitiva: el necesario para anular BR




36

Curva de magnetización no lineal

Saturación→alineación de

dominios

Cuando H vuelve a 0 el material conserva parte de su magnetización. Tiene memoria

H tiene que hacerse negativo para volver a tener un B nulo.

Saturación en la dirección opuesta

H

B

Un material ferromagnético recuerda su historia

Cuando H vuelve a 0 elmaterial conserva parte de sumagnetización. Tiene memoria

Ciclo de Histéresis:




37

Clasificación de materiales ferromagnéticos


38

Energías que determinan la estructura de los dominios ferromagnéticos


1. Energía de cambio

2. Energía magnetostástica

3. Energía de anisotropía magnetocristalina

4. Energía de las paredes de los dominios

5. Energía de magnetoestricción

Como en todo proceso energético se alcanza las estructura magnética más estable cuando la energía del material se reduce al mínimo


39


Materiales

ferromagneticos

Materiales magnéticos

Blandos o dulces

(soft)


Duros

(Hard)


Semiduros

(Semihard)


40

Los dominios se alínean

fácilmente.

La fuerza coercitiva y el

Magnetismo remanente

son pequenos

Materiales magnéticos blandos

B

H

Se utilizan en circuitos

Magnéticos de

transformadores

y máquinas eléctricas


41



42


Materiales magnéticos blandos más utilizados:Aleaciones de Fe con 3-4% de Si

Se emplean en transformadores, motores, generadores


43


Materiales magnéticos blandos más utilizados:Aleaciones de Fe y Ni

• Permalloy (20% Fe + 80% Ni)

• Mumetal (15% Fe + 75% Ni, más cobre y molibdeno)

• Supermalloy (20% Fe + 75% Ni, más molibdeno)

Se emplean en aplicaciones para comunicaciones


44


Materiales magnéticos blandos :Fe, Co, Ni con B y Si

• Vidrios metálicos

Menos frágiles y más resistentes que los metales tradicionales


45

Tienen una gran fuerza

Coercitiva y una alta

Magnetización remanente

B

H

Se utilizan en imanes

permanentes

Materiales magnéticos duros


46


Curva B-H : Potencia:

E = (Br∙Hc)max

Material capaz de almacenar energía


47


Materiales magnéticos duros más utilizados


48


Materiales magnéticos duros más utilizados

• ALNICO (Aleaciones de Al, Ni y Co)

• TIERRAS RARAS (aleaciones de Fe, Co, Cu y Sm)

• NEODIMIO (Aleaciones de Nd, Fe y B)

• Co-Pt-Cr


49


https://www.abc.es/xlsemanal/a-fondo/tierras-raras-minerales-afganistan-fabricacion-tecnologia-guerra-comercial-china.html


50

Evolución materiales magnéticos duros

https://github.com/ozank/ee361/blob/master/magnetic_circuits/permanent_magnets.md

https://github.com/ozank/ee361/blob/master/magnetic_circuits/permanent_magnets.md


51

Efecto de la temperatura en el magnetismo

Temperatura de Curie: (Tc)

Temperatura a la cual el

material ferromagnético se

transforma en paramagnético


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©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.


Baja temperatura

H

B

Alta temperatura

Temperatura moderada

temperatura

Temperatura de Curie

Rem

anencia


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Temperatura de Curie para algunos materiales


54

Semihard

15.5 billion Euros

Soft

8.8 billion Euros

Hard

7.3 billion Euros

Soft Alloys

2%

Soft Ferrites

5%

Thin Films

14% Steels

27%

Hexaferrites

11%Metallic

Magnets

10%

Particulate Media

31%

Mercado mundial de materiales magnéticos

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