INDUCTANCIA

INDUCTANCIA
En un Inductor o bobina, se denomina inductancia, L, a la relación entre el flujo
magnético,
y la intensidad de corriente eléctrica, I:
El flujo que aparece en esta definición es el flujo producido por la corriente I
exclusivamente. No deben incluirse flujos producidos por otras corrientes ni por imanes
situados cerca ni por ondas electromagnéticas.
Desgraciadamente, esta definición es de poca utilidad porque es difícil medir el
flujo abrazado por un conductor. En cambio se pueden medir las variaciones del flujo y eso
sólo a través del voltaje V inducido en el conductor por la variación del flujo. Con ello
llegamos a una definición de inductancia equivalente pero hecha a base de cantidades que
se pueden medir, esto es, la corriente, el tiempo y la tensión:
El signo de la tensión y de la corriente son los siguientes: si la corriente que entra
por la extremidad A del conductor, y que va hacia la otra extremidad, aumenta, la
extremidad A es positiva con respecto a la opuesta. Esta frase también puede escribirse al
revés: si la extremidad A es positiva, la corriente que entra por A aumenta con el tiempo.
La inductancia siempre es positiva, salvo en ciertos circuitos electrónicos
especialmente concebidos para simular inductancias negativas.
De acuerdo con el Sistema Internacional de Medidas, si el flujo se expresa en weber
y la intensidad en amperio, el valor de la inductancia vendrá en henrio (H).
Los valores de inductancia prácticos van de unos décimos de nH para un conductor
de 1 milímetro de largo hasta varias decenas de miles de Henrios para bobinas hechas de
miles de vueltas alrededor de núcleos ferromagnéticos.
El término "inductancia" fue empleado por primera vez por Oliver Heaviside en
febrero de 1886, mientras que el símbolo L se utiliza en honor al físico Heinrich Lenz.
En general:
Inductancia Mutua Como se verá a continuación, la inductancia (mutua y
autoinductacia) es un característica de los circuitos que depende de la geometría de los
mismos. Sean dos circuitos arbitrarios descritos por las curva γ1 y γ2 por donde circulan
corrientes I1 y I2, respectivamente. De ahora en más el subíndice 1 representa magnitudes
correspondientes circuito 1 y análogamente para el circuito 2. En virtud de la Ley de
Faraday se tiene
Donde
es el campo eléctrico y
es el campo magnético en el circuito 1. Si
ahora se toma el flujo a través del área encerrada S1 por el circuito 1,
Y usando el Teorema de Stokes para la integral del lado izquierdo se obtiene la fem ε1 para
el circuito 1:
Es conveniente usar que
, donde
es el potencial
vectorial para reescribir lo anterior como
En este punto se debe hacer una simplificación: se supondrá que el circuito no
cambia en el tiempo, con lo cual la derivada parcial puede salir fuera de la integral. Esto
permite entonces aplicar nuevamente el Teorema de Stokes. Matemáticamente:
Dado que
en el gauge
es la densidad de corriente que genera el campo magnético
densidad
de
corriente
corresponde
a
la
del
circuito
donde
. En este caso la
2,
por
lo
que
. En caso que la densidad de corriente
corresponda a una curva y no a un volumen en el espacio es lícito reescribir el potencial
vectorial como
igualdad en la expresión anterior se tiene:
. Luego, reemplazando esta última
Dado que se ha supuesto que los circuitos no se modifican en el tiempo sólo I2 se ve
afectada por la derivada temporal, con lo que
El anterior razonamiento se puede repetir para el circuito 2 dando como resultado
Claramente las constantes que acompañan a las derivadas temporales en ambos
casos son coeficientes que sólo dependen de la geometría de los circuitos y además son
iguales. Luego se llama inductancia mutua, M a dicha constante
Auto inductancia:
Para calcular la auto inductancia se puede proceder con el razonamiento anterior. A
pesar de esto surge un problema: la doble integral no se hace sobre circuitos distintos sino
sobre el mismo dando lugar a divergencia cuando
resuelto
si
en
la
integral
se
usa
. Dicho problema puede ser
la
expresión
general
para
para puntos muy cercanos entre sí. Esta proximidad
entre puntos permite hacer aproximación con las cuales se puede resolver la integral.
No obstante existen casos donde la auto inductancia se calcula trivialmente como
por ejemplo el solenoide ideal: si φM es el flujo magnético, por Ley de Faraday se tiene
Dado que el campo constante en el solenoide es constante y dado por
, con N el número de vueltas, l el largo del solenoide e I la corriente que
pasa el mismo, se tiene
Donde
es la autoinductancia. El valor de la inductancia viene determinado
exclusivamente por las características geométricas de la bobina y por la permeabilidad
magnética del espacio donde se encuentra. Si el solenoide tiene un núcleo de permeabilidad
distinta de vacío, la inductancia, de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, viene
determinada por:
Donde μ es la permeabilidad absoluta del núcleo (el producto entre la permeabilidad del
aire y la permeabilidad relativa del material) N es el número de espiras, A es el area de la
sección transversal del bobinado y l la longitud de las líneas de flujo.
El cálculo de l es bastante complicado a no ser que la bobina sea toroidal y aún así,
resulta difícil si el núcleo presenta distintas permeabilidades en función de la intensidad que
circule por la misma. En este caso, la determinación de l se realiza a partir de las curvas de
imantación.
También Es posible demostrar que el paso de corriente por un conductor va
acompañado de efectos magnéticos; la aguja de una brújula colocada cerca de un
conductor, por ejemplo, se desviará de su posición normal norte-sur. La corriente crea un
campo magnético.
La transferencia de energía al campo magnético representa trabajo efectuado por la
fuente de FEM. Se requiere potencia para hacer trabajo, y puesto que la potencia es igual a
la corriente multiplicada por la tensión, debe haber una caída de tensión en el circuito
durante el tiempo en que la energía está almacenándose en el campo.
Esta caída de tensión que no tiene nada que ver con la caída de tensión de ninguna
resistencia del circuito, es el resultado de una tensión opuesta inducida en el circuito
mientras el campo crece hasta su valor final. Cuando el campo se vuelve constante,
La FEM inducida o fuerza contra electromotriz desaparece, puesto que ya no se está
almacenando más energía. Puesto que la FEM inducida se opone a la FEM de la fuente,
tiende a evitar que la corriente aumente rápidamente cuando se cierra el circuito.
La amplitud de la FEM inducida es proporcional al ritmo con que varía la corriente
y a una constante asociada con el circuito, llamada inductancia del circuito.
La inductancia depende de las características físicas del conductor. Por ejemplo, si
se enrolla un conductor, la inductancia aumenta. Un arrollamiento de muchas espiras tendrá
más inductancia que uno de unas pocas vueltas. Además, si un arrollamiento se coloca
alrededor de un núcleo de hierro, su inductancia será mayor de lo que era sin el núcleo
magnético.
La polaridad de una FEM inducida va siempre en el sentido de oponerse a cualquier
cambio en la corriente del circuito. Esto significa que cuando la corriente en el circuito
aumenta, se realiza trabajo contra la FEM inducida almacenando energía en el campo
magnético. Si la corriente en el circuito tiende a descender, la energía almacenada en el
campo vuelve al circuito, y por tanto se suma a la energía suministrada por la fuente de
FEM. Esto tiende a mantener a la corriente circulando incluso cuando la FEM aplicada
pueda descender o ser retirada. La energía almacenada en el campo magnético de un
inductor se da por:
W=I² L/2
Donde:
W = energía en julios
I = corriente en amperios
L = inductancia en henrios
La unidad de inductancia es el henrio. Los valores de inductancia utilizados en
equipos dé radio varían en un amplio margen. En circuitos de radiofrecuencia, los valores
de inductancia empleados se medirán en milihenrios (1 mH es una milésima de henrio) en
frecuencias bajas, y en micro henrios (millonésima de henrio) en las frecuencias medias y
altas. Aunque las bobinas para radiofrecuencia pueden bobinarse sobre núcleos de hierro
especiales (el hierro común no es adecuado), muchas de las bobinas utilizadas por los
aficionados son del tipo de núcleo de aire, o sea, bobinadas en un material de soporte no
magnético.
Cualquier conductor tiene inductancia, incluso cuando el conductor no forma una
bobina. La inductancia de una pequeña longitud de hilo recto es pequeña, pero no
despreciable si la corriente a través de él cambia rápidamente, la tensión inducida puede ser
apreciable. Este puede ser el caso de incluso unas pocas pulgadas de hilo cuando circula
una, corriente de 100 MHz o más. Sin embargo, a frecuencias mucho mas bajas la
inductancia del mismo hilo puede ser despreciable, ya que le tensión inducida será
despreciablemente pequeña.
Cálculos de inductancia
La inductancia aproximada de una bobina de una sola capa bobinada al aire puede
ser calculada con la fórmula* simplificada:
L (microH)=d².n²/18d+40 l
Donde:
L = inductancia en microhenrios
d = diámetro de la bobina en pulgadas
l= longitud de la bobina en pulgadas
n = número de espiras
La notación se explica en la figura 1.
* Para poder utilizar esta fórmula con las medidas en centímetros, debe multiplicarse
el segundo miembro por el factor 0,394. Así
L (microH)=0,394.(d².n²/18d+40 l)
Esta fórmula es una buena aproximación para bobinas que tengan una longitud igual
o mayor que 0,4 d.
Ejemplo: Suponga una bobina que tiene 48 espiras bobinadas a razón de 32 espiras
por pulgada y un diámetro de 314 de pulgada. Por tanto, d = 0,75 l = 48/32 = 1,5 y n = 48.
Sustituyendo:
L = 0,75² x 48² / (18 x 0,75) + (40 x 1,5) = 1.296 / 73,5 = 17,6 microH
Para calcular el número de espiras requeridas en una bobina de una sola capa para
obtener una determinada inductancia:
n= raiz cuadrada de( L ( 18d + 40l ) / d
Ejemplo: Suponga que se requiere una inductancia de 10 microH.
La forma en que se va a bobinar la bobina tiene un diámetro de 1 pulgada y longitud
suficiente para acomodar una bobina de 1- 1/4 de pulgada de largo.
Por tanto:
d=1
l = 1,25
L = 10 microH.
Sustituyendo:
n=raiz cuadrada de ( 10. ( (18x1 ) + (40 x 1,25) ) ) / 1
n=raiz cuadrada de 680= 26,1 espiras
Una bobina de 26 espiras estaría lo suficientemente próxima a efectos prácticos.
Puesto que la bobina tendrá 1,25 pulgadas de longitud, el número de espiras por pulgada
será de 26,1/1,25 = 20,9. Consultando la tabla de hilos, encontramos que un hilo del
numero 17 esmaltado (o cualquiera menor) es válido. Se obtiene la inductancia adecuada
bobinando el número de espiras requeridas sobre la forma y ajustando la separación entre
espiras hasta que se obtiene un espaciado uniforme con una longitud de 1,25 pulgadas.
MATERIALES MAGNÉTICOS
Los materiales magnéticos son importantes materiales industriales necesarios para
muchos diseños en ingeniería. Primeramente penetraremos en el origen del magnetismo de
los materiales ferromagnéticos y examinaremos brevemente algunas de las unidades básicas
y relaciones asociadas con el magnetismo y con los materiales magnéticos. Posteriormente
investigaremos algunas de las propiedades más importantes de los campos magnéticos y
estudiaremos la formación y movimiento de los dominios en los materiales
ferromagnéticos. A continuación discutiremos algunos aspectos de la estructura y
propiedades de algunos materiales ferromagnéticos industriales, tanto blandos como duros.
Finalmente describiremos brevemente el ferromagnetismo y la estructura y propiedades de
las ferritas, que son materiales magnéticos cerámicos.
Campos Magnéticos y Magnitudes
Fuentes del magnetismo natural
Un imán es un cuerpo capaz de atraer fuertemente los objetos de hierro. También
sabemos que las corrientes eléctricas presentan propiedades magnéticas como los imanes.
Como veremos, las propiedades magnéticas de los imanes y de las corrientes eléctricas
tienen un origen común: el movimiento de cargas eléctricas.
En 1823, Ampare sugirió que el magnetismo natural era debido a pequeñas
corrientes cerradas en el interior de la materia. En la actualidad, identificamos esas
pequeñas corrientes con el movimiento de los electrones en el interior de los átomos. Un
electrón que gira alrededor del núcleo equivale a una corriente que produce los mismos
efectos magnéticos que un pequeño imán. Por otro lado, los electrones giran sobre sí
mismos produciendo efectos magnéticos adicionales.
Podemos imaginar que en cualquier material existen muchos imanes de tamaño
atómico. En la mayoría de los casos, estos pequeños imanes o dipolos magnéticos están
orientados al azar y sus efectos se cancelan. Sin embargo, en ciertas sustancias, estos
dipolos magnéticos están orientados en el mismo sentido. En tal caso, los efectos de cada
dipolo magnético se suman formando un imán natural.
Campos magnéticos
Comencemos nuestro estudio sobre los materiales magnéticos revisando algunas de
las propiedades fundamentales del magnetismo y de los campos magnéticos. Los metales
hierro, cobalto y níquel son los tres únicos elementos metálicos que una vez imanados a
temperatura ambiente pueden generar un fuerte campo magnético a su alrededor diciéndose
que son ferromagnéticos. La presencia de un campo magnético rodeando una barra
imanada de hierro puede observarse por la dispersión de pequeñas partículas de hierro
espolvoreadas sobre una hoja de papel localizada encima de la barra de hierro. Como se
observa en la figura 1, la barra imanada posee dos polos magnéticos, y las líneas de campo
magnético salen de un polo y entran en el otro.
En general, el magnetismo presenta una naturaleza dipolar, no habiéndose
descubierto ningún monopolo magnético. Siempre hay dos polos magnéticos o centros del
campo magnético, separados una distancia determinada, y este comportamiento dipolar se
extiende hasta los pequeños dipolos magnéticos encontrados en algunos átomos.
Los campos magnéticos también son producidos por conductores portadores de
corriente. La figura 2 ilustra la formación de un campo magnético alrededor de una larga
bobina de hilo de cobre, llamada solenoide, cuya longitud es mucho mayor que su radio.
Para un solenoide de n vueltas y longitud l, la intensidad del campo magnético H es
Donde i es la corriente. La intensidad del campo magnético H tiene, en el SI,
unidades de amperios por metro (A/m) y, en el sistema cgs, unidades de oersted (Oe). La
relación de conversión entre las unidades del SI y cgs para H es 1 A/m = 4 x 10-3 Oe.
Inducción magnética
Situemos una barra de hierro desimanada dentro de un solenoide y apliquemos una
corriente imanadora al solenoide, tal y como se muestra en la figura 2b. Se obtiene que el
campo magnético exterior al solenoide es mayor con la barra imanada dentro del solenoide.
El aumento del campo magnético fuera de la solenoide es debido a la suma del campo
generado por el solenoide y el campo magnético externo a la barra imanada. El nuevo
campo magnético resultante se denomina inducción magnética, o densidad de flujo, o
simplemente inducción y se denota por el símbolo B.
La inducción magnética B es la suma del campo aplicado H y el campo externo
proveniente de la imanación de la solenoide. El momento magnético inducido por unidad
de volumen debido a la barra se denomina intensidad de imanación o simplemente
imanación, y se denota por el símbolo M. En el SI de unidades
Donde 0 es la permeabilidad en el espacio libre = 4 x 10-7 tesla-metro por amperio
(T·m/A). 0 no tiene significado físico y únicamente es necesario en la Ecuación anterior por
la elección del SI de unidades. La unidad en el SI para B es el weber (1 Wb = 1 V·s) por
metro cuadrado (Wb/m2), o el tesla (T), y la unidad del SI para H y M es el amperio por
metro (A/m). La unidad cgs para B es el gauss (G) y para H, el oersted (Oe). Un punto
importante a resaltar es que para los materiales ferromagnéticos, en muchos casos, la
imanación 0M es generalmente mucho mayor que el campo aplicado 0H, de forma que
podemos utilizar la relación B " 0M. Por consiguiente, para materiales ferromagnéticos,
algunas veces las cantidades B (inducción magnética) y M (imanación) pueden
intercambiarse.
Permeabilidad magnética
Como hemos señalado antes, cuando se coloca un material ferromagnético dentro de
un campo magnético, aumenta la intensidad del campo magnético. Este incremento en la
imanación se mide mediante una cantidad llamada permeabilidad magnética, definida como
el cociente de la inducción magnética B respecto al campo aplicado H, es decir,
Si el campo magnético se aplica al vacío resulta:
Donde 0 = 4 x 10-7 T·m/A = permeabilidad del vacío, como definimos
anteriormente.
Una forma alternativa de definir la permeabilidad magnética es a partir de la
cantidad permeabilidad relativa, definida como el cociente /0. Entonces:
La permeabilidad relativa 0 es una cantidad adimensional.
La permeabilidad relativa es una medida de la intensidad del campo magnético
inducido. En cierta forma, la permeabilidad magnética de los materiales magnéticos es
análoga a la constante dieléctrica de los materiales dieléctricos. Sin embargo, la
permeabilidad magnética de un material ferromagnético no es una constante, sino que varía
cuando el material es imanado, tal como se muestra en la Figura 12.4. La permeabilidad
magnética de un material magnético se mide generalmente como su permeabilidad inicial i
o como su permeabilidad máxima máx. La Figura 12.4 muestra cómo se obtiene i y más a
partir de la pendiente de la curva de imanación inicial B-H para un material magnético. Los
materiales magnéticos que son fácilmente imanados tienen alta permeabilidad magnética.
Susceptibilidad magnética
Dado que la imanación de un material magnético es proporcional al campo aplicado,
el factor de proporcionalidad llamado susceptibilidad magnética m se define como
Sustancias magnéticas
Diamagnetismo
En 1847, Michael Faraday descubrió que una muestra de bismuto era repelida por
un imán potente. A tales sustancias las llamó diamagnéticas. El diamagnetismo es una
forma muy débil de campo magnético que no es permanente y persiste sólo mientras un
campo externo está presente. Un campo magnético que actúa sobre un átomo, induce un
dipolo magnético en todo el átomo, influyendo sobre el momento magnético a través de los
electrones orbitales. Estos dipolos se oponen al campo magnético, causando que la
magnetización sea menor que la unidad. Este comportamiento proporciona una
permeabilidad relativa de aproximadamente 0,99995 y la susceptibilidad magnética es
negativa. El comportamiento diamagnético no tiene aplicaciones importantes en materiales
o dispositivos magnéticos. Cuando estos materiales se colocan entre los polos de un fuerte
electroimán son atraídos hacia las regiones donde el campo es menor.
Paramagnetismo
Cuando los materiales tienen electrones no pareados, se les asocia un momento
magnético neto debido al espín o giro electrónico. Cuando se aplica un campo magnético
los dipolos se alinean con el mismo, lo aumentan, y dan origen a una permeabilidad relativa
mayor que la unidad (1,01) y a una pequeña pero positiva susceptibilidad magnética. Las
susceptibilidades para los materiales paramagnéticos van desde 10-5 a 10-2. Sin embargo,
debido a que los dipolos no interactúan, se requieren campos magnéticos extremadamente
grandes para alinear a todos los dipolos. Este efecto es importante solamente a temperaturas
elevadas. Estos materiales son considerados no magnéticos debido a que solo presentan
magnetización en presencia de un campo externo, además la densidad de flujo en estos
materiales es prácticamente la misma que en el vacío.
Ferromagnetismo
Estos materiales metálicos poseen un momento magnético permanente en ausencia
del campo externo aplicado y manifiestan magnetizaciones permanentes muy grandes. Este
comportamiento se debe a los niveles de energía incompletos en el nivel 3d (para el hierro,
níquel y el cobalto), o bien el nivel 4f (para el gadolinio). En este tipo de materiales los
dipolos permanentes no pareados se alinean con el campo magnético aplicado. Debido al
reforzamiento mutuo de los dipolos se produce una gran intensificación del campo
impuesto, aun para campos magnéticos pequeños, proporcionando permeabilidades
relativas altas. Los materiales ferromagnéticos pueden tener susceptibilidades magnéticas
tan altas como 106, por lo que H << M por lo que la ecuación del campo queda expresada
de la siguiente manera:
Los momentos magnéticos resultan de los momentos magnéticos atómicos debido al
espín de los electrones, aunque también hay un aporte del momento magnético orbital pero
esta es muy pequeña comparada con el momento de espín.
Las interacciones de acoplamiento hacen que los momentos magnéticos netos de
espín de átomos adyacentes se alineen unos con otros aun en ausencia de un campo
magnético externo, esto lo podemos observar en la siguiente ilustración:
La magnetización de saturación, Ms, representa la magnetización que resulta cuando
todos los dipolos magnéticos en una pieza sólida están mutuamente alineados con el campo
externo, también hay una densidad de flujo de saturación Bs. La magnetización de
saturación es igual al producto del momento magnético neto de cada átomo y el número de
átomos presentes.
Podemos disminuir la efectividad del acoplamiento entre átomos vecinos que causa
el ferromagnetismo al aumentar la temperatura de una sustancia. A la temperatura a la cual
un material ferromagnético se vuelve paramagnético se le denomina temperatura Curie. La
temperatura Curie del hierro, por ejemplo, es de 770oC; arriba de esta temperatura, el
hierro es paramagnético.
En los materiales cerámicos, los diferentes iones tienen momentos magnéticos
distintos. En un campo magnético, los dipolos del ion A pueden alinearse con el campo
mientras que los dipolos del ion B se oponen al campo. Pero debido a que las resistencias
de los dipolos no son iguales, resulta una magnetización neta. Este tipo de materiales puede
proporcionar una buena intensificación del campo aplicado.
Antiferromagnetismo
En algunos materiales, los momentos magnéticos producidos en los dipolos
circundantes se alinean oponiéndose unos a otros en el campo magnético. Estos materiales
tienen una magnetización nula. La diferencia entre el ferromagnetismo y el
antiferromagnetismo estriba en las interacciones entre los dipolos circundantes, ya sea que
se refuercen o se opongan entre sí.
Dominios, ciclos de histéresis y condicionantes sobre los rendimientos de los
materiales magnéticos
En este apartado sobre las propiedades magnéticas de los materiales, nos
centraremos en comprender y conocer los dominios y los ciclos de histéresis, así como los
aspectos que modifican el comportamiento del material.
Antes de entrar en su estudio vamos a definir lo que es un dominio. Definimos
dominio como la región de un material en la que todos sus dipolos están orientados en el
mismo sentido. Debemos particularizar este fenómeno a los materiales ferromagnéticos y a
los ferromagnéticos. Cada uno de estos dominios tiene una magnetización y que llega hasta
el nivel de saturación.
Sin embargo, como ya hemos dicho antes, los dominios son regiones
tridimensionales de un sistema, y entre ellos aparecen las llamadas Paredes de Bloch. En
éstas la dirección del momento magnético va cambiando, de un dominio a otro. Como ya se
ha podido deducir los dominios tienen, por lo general, un momento magnético con un
sentido distinto, de ahí que, si un material no ha sido expuesto a un campo magnético, los
sentidos de los momentos se anulen.
Ahora nos vamos a centrar en un material ferromagnético y como se comporta ante
un campo magnético.
El campo magnético que afectará al material lo podemos dividir en dos magnitudes:
la densidad de flujo y la intensidad de campo magnético. Estas magnitudes no son
proporcionales si las aplicamos sobre materiales ferromagnéticos o ferromagnéticos. Si
aplicamos este campo magnético a un material desmagnetizado vemos como varía la
densidad de flujo en función de la intensidad de campo magnético, pero, a partir de un valor
de H, B ya es independiente.
Ese valor de B se denomina densidad de flujo de saturación, Bs, además, en ese
mismo punto también se encuentra la magnetización de saturación, Ms, que vimos en los
dominios.
Si seguimos estudiando la gráfica vemos que, aunque los dominios estén al azar, los
dominios cuyo sentido es el mismo que el del campo en el que se encuentran aumentan,
llegando a magnetizarse por completo el material en la dirección del campo. En este
momento se ha alcanzado la saturación del sistema.
Como consecuencia del cambio del sentido del campo magnético, aparece el
fenómeno de histéresis.
Este fenómeno surge como consecuencia de un desfase entre la densidad de flujo y
la intensidad del campo magnético. En general, lo que ocurre es una remanencia de
densidad de flujo con una intensidad de campo nula. Esto quiere decir que el material está
magnetizado en ausencia de campo magnético.
En este proceso las paredes de los dominios tienen una gran relevancia, ya que
gracias a éstas y a su resistencia existe una histéresis mayor o menor. Cuando se aplica el
campo en sentido contrario en el punto de saturación, la dirección del dominio va
cambiando. Poco después los dominios van creciendo en el sentido del nuevo campo, sin
embargo, esa resistividad de la que hablábamos antes, impide que lo hagan a la vez que el
campo, de forma que existen dominios orientados en el antiguo sentido del campo.
Por otro lado, si lo que queremos es anular la magnetización del material debemos
aplicar un campo en el sentido contrario al inicial. Este fenómeno lo llamaremos
coercitividad o fuerza coercitiva. De esta forma conseguimos que la magnetización neta del
material sea cero.
Aunque en este caso los campos no los hemos invertido hasta la saturación, éstos
pueden hacerse en cualquier punto, generando curvas de histéresis distintas.
Con relación a los ciclos de histéresis, podemos conocer la potencia y energía
requeridas para desmagnetizar un imán permanente, conociendo el máximo producto entre
B-H en el segundo o cuarto cuadrantes.
Efectos
Uno de los factores que más influyen en un ciclo de histéresis es la temperatura.
Si nos encontramos en un material ferromagnético, el aumento de la temperatura
provoca una disminución de la permeabilidad magnética, con lo que el campo magnético
introducido ya no afecta de forma tan trascendental sobre el material. Es decir, los dominios
vuelven a orientarse aleatoriamente.
Todo esto provoca que la magnetización, la remanencia y la coercitividad sean
menores.
En relación con el efecto de la temperatura sobre los materiales magnéticos aparece
un nuevo concepto. La temperatura de Curie, en honor a su descubridor, ésta indica la
temperatura a partir de la cual dejan de manifestarse los comportamientos magnéticos del
material. Esta temperatura depende de cada material y es modificable gracias a la aleación.
Materiales Ferromagnéticos
Materiales magnéticos blandos

Descripción
Un material magnético blando es aquel que posee una gran facilidad para imanar y
desimanar, pero que reciba este nombre no tiene nada que ver con la dureza física del
material. Este tipo de material tiene un ciclo de histéresis estrecho, determinado por
pequeñas fuerzas coercitivas y una permeabilidad inicial alta.
Un material con estas características, alcanza la saturación con un campo aplicado
relativamente pequeño y aun así tener pérdidas de energía pequeñas.

Pérdidas de energía
Un material blando puede tener pérdidas de energía debidas a la histéresis y por acción
de corrientes parasitarias. En el primer caso, los valores de susceptibilidad y la
coercitividad que determinan la curva de histéresis son sensibles a la estructura del
material. Así, los defectos estructurales (partículas de una fase no magnética, poros en
material no magnético) disminuyen el movimiento de las paredes del dominio y aumenta
por tanto la coercitividad.
Por otra parte, las pérdidas de energía debidas a corrientes parasitarias o de Foucault se
dan al inducirse corrientes eléctricas en el material magnético, por un campo magnético que
varía en magnitud y dirección con el tiempo. Para solucionar estas pérdidas se amplia la
resistividad eléctrica del material.

Aleación hierro-silicio
Es una de las aleaciones más utilizadas como material magnético blando, ya que
soluciona en gran parte las pérdidas por histéresis y las corrientes parasitarias, y es menor la
inducción por saturación y la temperatura de Curie, todo ello gracias al silicio. La
proporción de este no puede superar el 4% debido a que a partir de entonces la ductilidad
comienza a disminuir. Se suele utilizar en la fabricación de transformadores, apilando
láminas de hierro-silicio con una capa de aislante entre ellas. Dichas láminas tienen la
particularidad de tener los granos orientados para tener menos pérdidas.

Vidrios metálicos
Son materiales de estructura amorfa, obtenidos mediante la combinación de elementos
ferromagnéticos como el hierro, cobalto y níquel, con metaloides como el Boro y el Silicio.
Son muy fuertes, muy duros, con cierta flexibilidad y resistentes a la corrosión. En estos
materiales, las paredes del dominio se mueven con facilidad a causa de que tienen ciclos de
histéresis muy estrechos. Se suele emplear en la fabricación de transformadores de
potencia, sensores magnéticos y cabezas grabadoras.

Aleaciones níquel-hierro
Estos materiales magnéticos blandos se emplean como sustituto de la aleación hierrosilicio en aplicaciones que se necesite una permeabilidad relativamente alta para campos
bajos. Existen dos tipos: con 50% de níquel, con moderada permeabilidad y alta inducción
de saturación; y con 79% de níquel con alta permeabilidad y menor inducción de
saturación. Estas aleaciones tienen permeabilidades altas porque sus energías de anisotropía
magnética y de magnetostricción son pequeñas. Se suelen emplear en transformadores de
instrumentación, relés de instrumentación y para laminados de rotores y estatores.
Tabla de las características de los materiales blandos (incluida ferritas de las que
hablaremos posteriormente)
Materiales magnéticos duros

Descripción
Este grupo de materiales destacan entre el resto por tener una gran resistencia a la des
magnetización, por lo que son utilizados como imanes permanentes. Sus características son
una remanencia, coercitividad y densidad de flujo de saturación alta que hace que tenga un
ciclo de histéresis ancho y alto. Estos materiales se imanan mediante la aplicación de un
campo magnético que consiga orientar los dominios magnéticos en la misma dirección que
el campo. De esta forma, el material adquirirá energía del campo que será convertida en
energía potencial. La curva de desimanación viene dada por la representación del ciclo de
histéresis en el segundo cuadrante. La energía potencial magnética de un material se mide
como el producto de la inducción magnética y el campo desimanador, es decir, el área
encerrada por el mayor rectángulo que puede ser inscrito en el segundo cuadrante del ciclo
de histéresis del material.

Aleaciones de álnico
El álnico es uno de los materiales magnéticos duros comercialmente más importantes.
Tienen una alta energía producto (40 a 70 kJ/m3), una alta inducción de remanente (0,7 a
1,35 T) y un moderado campo coercitivo (40 a 160 kA/m). Este tipo de aleaciones se
obtienen a partir del hierro con adición de Aluminio, Níquel y Cobalto más un 3% de Cobre
aunque también se le puede añadir Titanio. Este tipo de material es quebradizo y para su
elaboración se funde para posteriormente recurrir a procesos de metalurgia de polvo. Su
finalidad principal es la producción de grandes cantidades de pequeños artículos de formas
complejas.

Aleaciones de tierras raras
Los imanes de aleaciones de tierras raras tienen propiedades superiores a cualquier otro
material magnético comercial. Su energía producto alcanza valores de 240kJ/m3 y las
coercitividades rondan los 3200kA/m. Hay dos grupos principales de materiales magnéticos
de tierras raras: uno es la monofase SmCo5 y el otro son las aleaciones endurecidas por
precipitación de composición aproximada Sm (Co,Cu)7,5 .
Los imanes de monofase SmCo5 tienen un mecanismo de coercitividad basado en la
nucleación y fijación de las paredes del dominio en las superficies y fronteras de grano. Se
trabajan mediante procesos de metalurgia de polvo utilizando partículas finas. Durante la
compactación las partículas se alineen por la acción del campo magnético y posteriormente
son sinterizados para evitar el crecimiento de las partículas. Los valores de la energía
producto son de entre 130 y 160 kJ/m3.
En el endurecimiento por precipitación de la aleación de Sm (Co, Cu)7, 5,parte del
cobalto es sustituido por el Cobre en el SmCo5 por medio de un fino precipitado a una
temperatura de envejecimiento de unos 400º C. El precipitado formado es coherente con la
estructura anterior y se basa en la fijación homogénea de las paredes del dominio de las
partículas precipitadas. Al igual que el anterior se recurre a métodos de metalurgia de
polvos para su conformación. Los valores típicos de la energía producto en una aleación
Sm (Co0, 68Cu0, 10Fe0, 21 Zr0, 01)7,4 son de 240Kj/m3 y de 1,1 T de inducción
remanente.
Los imanes de Sm-Co se utilizan en dispositivos médicos tales como los pequeños
motores de bombas implantables y válvulas, en relojes de muñeca, tubos de onda
progresiva y en motores y generadores de corriente continúa síncronos.

Aleaciones magnéticas de neodimio-hierro-boro
El descubrimiento de este tipo de material es muy reciente, hacia 1984. Su energía
producto, alrededor de 300kJ/m3, es una de las mayores entre los materiales magnéticos. Se
producen mediante metalurgia de polvo, solidificando rápidamente mediante cintas de
hilado fundido. La alta coercitividad y energía producto de este material son resultado de
una nucleación inversa de los dominios magnéticos que habitualmente nuclean en las
fronteras de grano de las matrices de los granos.
Se emplean en motores eléctricos, en especial en los motores de arranque de
automóviles, gracias a ser más potente que otros materiales.

Aleaciones magnéticas de hierro-cromo-cobalto
Estas aleaciones son similares a las de álnico en estructura metalúrgica y propiedades
magnéticas permanentes, pero poseen como ventaja que pueden ser conformables en frío.
La composición típica de esta estructura guarda la siguiente proporción: 61% de hierro,
28% de cromo y 11% de Cobalto. Los valores de las propiedades magnéticas son de 1,0T a
1,3T de inducción remanente, de 150 A/cm a 600 A/cm de coercitividad y de 10kJ/m3 a
45kJ /m3. Se emplean en imanes permanentes para receptores telefónicos.
Tabla de las características de los materiales duros (incluidas ferritas de las que hablaremos
posteriormente)
Materiales Ferromagnéticos
Ferritas
Las ferritas son materiales cerámicos magnéticos obtenidos al combinar óxido de
hierro (Fe2O3) con otros óxidos y carbonatos en forma de polvo. Estos son presionados y
sinterizados a grandes temperaturas. Al igual que los materiales ferromagnéticos, tienen
una gran imanación pero su saturación es más baja que en los ferromagnéticos.
Ferritas blandas
La mayoría de las ferritas blandas tienen la composición básica de MO·Fe2C3,
donde M es un ion bivalente como el Fe 2+, Mn 2+ y Ni 2+. Estos materiales tienen una
estructura de espinela inversa, que contienen una celdilla unidad consistente en 8 subceldas
FCC. Cada subcelda corresponde a una molécula de MO·Fe2O3. Por tanto, en esta
estructura los 8 iones de M 2+ ocupan 8 posiciones octaédricas, los 16 iones de Fe3+
ocupan 8 localizaciones octaédricas y 8 tetraédricas.
Estas ferritas se utilizan para aplicaciones de baja señal, núcleos de memoria,
audiovisuales y cabezas grabadoras, como ejemplos. Puesto que estos materiales son
aislantes, pueden utilizarse para aplicaciones de alta frecuencia donde las corrientes
parásitas son un problema con campos alternos.
Ferritas duras
Las ferritas duras, con la fórmula general de MO • Fe203, donde M es usualmente
un ion de Ba o Sr, son utilizadas para aplicaciones que requieran materiales magnéticos
permanentes de bajo costo y baja densidad. Estos materiales se utilizan en altavoces,
emisores y receptores telefónicos.