Uno de los fenómenos más importantes que observamos en los materiales magnéticos es la histéresis. Conocer exactamente su significado es fundamental para todos los que trabajan con inductores y transformadores, principalmente en los circuitos modernos como, por ejemplo, los de fuentes conmutadas, convertidores de frecuencia y convertidores AC / DC. En este artículo, revisamos los conceptos básicos de magnetismo y explicamos lo que es la histéresis.
A partir del descubrimiento de Oersted de que una corriente eléctrica puede crear un campo magnético, el estudio más profundo del electromagnetismo se ha vuelto de gran importancia para el desarrollo de diversos dispositivos eléctricos y electrónicos tales como solenoides, electroimanes, transformadores, etc. Así, para llegar al punto central de este artículo, que es la histéresis, será importante revisar un poco de la teoría del magnetismo para que el lector pueda entender mejor los fenómenos involucrados.
UNIDADES
De la misma forma que en electricidad tenemos diversas magnitudes eléctricas tales como corriente, tensión, potencia y resistencia, en magnetismo también tenemos, diferentes magnitud que necesitan ser definidas y bien diferenciadas para que el lector entienda bien los fenómenos magnéticos. Estas magnitudes se miden normalmente en unidades diferentes, que reciben nombres de los investigadores que contribuyeron al desarrollo de este sector de la Ciencia tales como Maxwell, Gauss, Oersted, Gilbert, etc. Debemos entonces definir las siguientes magnitudes:
a) Flujo magnético:
Este término se utiliza para expresar el número de líneas de fuerza de un campo magnético que atraviesan una determinada área de una superficie, como muestra la figura 1.
El flujo magnético se expresa por la letra H y se puede dar en maxwell en el sistema CGS, en weber (Wb) en el sistema internacional. El número de líneas de fuerza que atraviesan una superficie por unidad de área se denomina densidad de flujo magnético, o simplemente flujo magnético, es indicado por la letra B. Su unidad es el Gauss. Otra unidad de flujo utilizada en el sistema CGS es el Oersted.
b) La reluctancia:
La reluctancia puede ser considerada el equivalente magnético para la resistencia: es la oposición que ofrece un material al flujo magnético. Podemos de una forma más precisa definir la reluctancia como al factor de proporcionalidad que existe entre la fuerza magnética aplicada y el flujo que resulta de esta fuerza en un material.
c) Permeabilidad:
La forma en que un material reacciona permitiendo el establecimiento de las líneas de fuerza de un campo magnético en su interior se denomina permeabilidad. Podemos comparar esta grandeza a la conductividad eléctrica de los materiales en relación a la corriente. La permeabilidad se indica mediante la letra griega (mu). Se debe diferenciarla de la permeabilidad que es el inverso de la reluctancia. De la misma forma que resistividad y resistencia no tienen el mismo significado en Electrodinámica, permeabilidad es equivalente a la resistividad y permeabilidad es el equivalente de la resistencia.
MATERIALES MAGNÉTICOS
Los diversos materiales reaccionan de formas diferentes cuando se sumergen en un campo magnético. Esta diversidad de comportamiento nos permite clasificarlos en dos grandes grupos: amagnéticos y magnéticos (también llamados ferromagnéticos). Los materiales magnéticos, a su vez, se clasifican en diamagnéticos y paramagnéticos, como muestra la figura 2.
Los materiales diamagnéticos tienen una permeabilidad ligeramente menor que la unidad (que corresponde a la permeabilidad del aire) tendiendo así a resistir a la inducción magnética a través de la creación de un campo magnético opuesto al externo. Al colocar una muestra de un material de este tipo en un campo magnético uniforme, observe la figura 3, las líneas del campo tienden a dispersarse.
Son materiales diamagnéticos el cobre, oro, plata, mercurio, antimonio y el bismuto. Los materiales paramagnéticos tienen una permeabilidad mayor que la unidad. Esto significa que, colocados en un campo magnético uniforme, se magnetizan en la misma orientación del campo externo, concentrando así las líneas de fuerza, como indica la figura 4.
Entre los materiales paramagnéticos más comunes destacamos el aluminio, magnesio, platino, cromo, etc. Tenemos, finalmente, los materiales ferromagnéticos que son los más importantes para las aplicaciones en diversos dispositivos electrónicos tales como inductores, transformadores, etc. Estos materiales se caracterizan por adquirir un magnetismo inducido muy grande y con una orientación que coincide con el campo magnetizante. Poseen entonces una permeabilidad, que sin embargo, no es constante variando con la intensidad del campo magnetizante.
Materiales como el hierro tienen permeabilidades de 2000 (dependiendo de la pureza) y algunas aleaciones pueden alcanzar niveles de 50 000 (50 000 veces mayor que la permeabilidad del aire). Un fenómeno importante que ocurre con estos materiales, que en algunos casos pueden retener el magnetismo transformándose en imanes permanentes, es la magnetostrición. Cuando sometidos a un esfuerzo mecánico ellos tienen su permeabilidad alterada. Así, si tenemos un imán, al someterlo a esfuerzos mecánicos, su campo magnético se alterará. Esta propiedad puede ser aprovechada en la construcción de transductores, tales como micrófonos, sensores de presión o de esfuerzos mecánicos.
Un material que presenta esta propiedad es el níquel, que presenta una característica de magnetostrición negativa. Esto quiere decir, que cuando se aplica al níquel una tensión mecánica paralela al campo magnético, su permeabilidad decrece, en consecuencia, también su magnetismo.
De la misma forma, si aplicamos al níquel un campo magnético, se contraerá, ligeramente en la dirección de las líneas de fuerzas pero se expandirá en el sentido transversal, vea ejemplo en la figura 5, manteniendo de modo constante su volumen.
Electroimanes
La densidad del flujo magnético que puede ser creado por un electroimán depende del número de espiras del devanado, así como de la intensidad de la corriente circulante. Esto significa que la densidad del flujo depende de la fuerza magnetizante o de la intensidad de la corriente circulante. En la figura 6 tenemos un gráfico que representa la intensidad del campo H con la densidad del flujo B formando lo que se denomina una curva de magnetización y que depende del material usado como núcleo.
Estas curvas son de extrema importancia cuando se pretende utilizar un material para el núcleo de un componente electrónico como un transformador o un inductor. Es a través de estas curvas se determinan las dimensiones de los núcleos de un transformador para una aplicación, así como el número de espiras de la bobina y diversos otros parámetros para la construcción del componente.
HISTERESIS
Como hemos visto, la permeabilidad de ciertos materiales no es constante variando con la intensidad del campo, y las curvas de magnetización también muestran justamente eso. De qué modo esto interfiere en el comportamiento de un núcleo o de un material que se utilizará dentro de un campo magnético variable puede ser mejor entendido a partir de una experiencia imaginaria que pasamos a describir a continuación. Para ello, vamos a utilizar una fuente de alimentación variable que nos permitirá aplicar corrientes de cualquier intensidad en una bobina con un núcleo.
En las proximidades de este núcleo vamos a colocar una balanza que permite medir la fuerza de atracción sobre un pedazo de material ferroso, todo ello de acuerdo con la ilustración de la figura 7.
Si se cambia la tensión aplicada a la bobina, hay un aumento de la densidad del flujo que depende del material, como ya vimos en el gráfico de la figura 6. Este gráfico indica que el aumento del flujo no es lineal, que existe un punto en que un aumento adicional de la inducción no corresponde al aumento de este flujo. Decimos que, en estas condiciones, el núcleo está saturado. En este gráfico, la saturación comienza en el instante en que las curvas se doblan, y se vuelve total cuando se quedan horizontales.
Sin embargo, podemos ir más allá si hacemos un gráfico en el que las fuerzas magnetizantes se colocan en función de la densidad del flujo, tanto cuando aumentamos, como cuando disminuimos la tensión aplicada a la bobina, vea la figura 8.
Entonces partimos de una tensión nula aplicada a la bobina que contiene un núcleo de un material ferroso y vamos aumentando esta corriente. De esta forma, partiendo del punto A en la figura, la fuerza magnetizante aumenta con la densidad del flujo, o sea, con la intensidad del campo producido por la bobina hasta el instante en que nos acercamos a la saturación, cuando entonces un aumento adicional de esa fuerza no provoca en la misma escala el aumento del flujo. Este punto es indicado por B en el gráfico, llegándose a la saturación en C.
Lo que observamos ahora es que si empezamos a partir de C a disminuir la corriente en la bobina de modo a también reducir la fuerza magnetizante, la forma en que el flujo disminuye no será la misma, sino que retarda en relación a la que obtuvimos en la "ida ", pero sí como muestra la curva hasta el punto D en que se manifiesta la acción de un magnetismo remanente positivo en el material del núcleo. La causa de esta característica de retardo en el proceso de "vuelta" de la desmagnetización del núcleo recibió el nombre de histéresis (que es una palabra griega que significa retardar).
Continuando disminuyendo el flujo, veremos que la trayectoria de la curva de desmagnetización quedará desplazada o retardada en relación a la ida, hasta el punto D nuevamente en que tendremos de nuevo la corriente nula aplicada o en que la magnetización es cero. En este punto, incluso con una densidad de flujo nula, existe una fuerza magnetizante remanente negativa.
Invertir ahora el sentido de circulación de la corriente y aumentar su intensidad, observamos el mismo efecto hasta los puntos E y F en, que nuevamente, llegamos a la saturación, pero con orientación del campo invertida. Y, de la misma forma, si partimos del punto F y vamos reduciendo la corriente hasta que la densidad del flujo se anule, llegaremos una vez más, a un punto en que tendremos un magnetismo remanente positivo en el punto G.
Continuando ahora con la magnetización en el, en sentido opuesto, llegaremos al punto H de saturación. Esta curva es característica de los materiales que se utilizan como núcleos y también se conoce como curva BH, ya que en los ejes se representa la densidad del flujo B y la intensidad del campo H. En la curva indicada, el punto en que tenemos la aproximación de la saturación se obtiene con una curva acentuada.
Este tipo de comportamiento es propio de los materiales magnéticos de buena calidad en los que los estados de magnetización pueden ser cambiados bruscamente con una variación relativamente pequeña de la intensidad del campo. Los núcleos toroidales de ferrita de los transformadores de fuentes dominadas utilizan materiales con estas características. Los materiales en que la curva es menos acentuada o existe menor histéresis, como los de la figura 9, también son útiles siendo usados en reactores saturados.
De cualquier forma, el hecho de que un material presente una característica de histéresis significa siempre la existencia de un magnetismo remanente, que no siempre es deseado en la aplicación electrónica. Una alternativa para anular este magnetismo remanente consiste en el uso de bobinas desmagnetizadoras en las que se aplica una fuerte señal alternada para neutralizarlo. Esto se hace, por ejemplo, en cabezas de grabación y lectura de equipos de sonido y otros. También es importante observar que la temperatura del material afecta la permeabilidad.
Así, tenemos el punto en que las propiedades magnéticas del material prácticamente, desaparecen, siendo denominado Ponto Curie. De la misma forma, en temperaturas cercanas al cero absoluto, la resistencia cae a valores prácticamente nulos permitiendo la elaboración de super-imán.