Propiedades magnéticas de la materia
El área del ciclo de histéresis es energía perdida en cada vuelta. Multiplicada por la frecuencia da los watts que calientan el núcleo, y de ese número sale la elección del material de todo transformador.
01Tres respuestas al campo
Todo material responde a un campo magnético, aunque en casi todos la respuesta sea imperceptible. La magnitud que la mide es la permeabilidad relativa, y según su valor los materiales se parten en tres grupos muy desparejos.
| Tipo | \( \mu_r \) | Por qué | Ejemplos |
|---|---|---|---|
| Diamagnético | Apenas menor que 1 | El campo induce momentos opuestos: repele | Cobre, agua, grafito, bismuto |
| Paramagnético | Apenas mayor que 1 | Momentos propios que se alinean a medias | Aluminio, platino, oxígeno líquido |
| Ferromagnético | De 100 a 100.000 | Momentos acoplados que se alinean en bloque | Hierro, níquel, cobalto, ferritas |
La diferencia entre las dos primeras filas y la tercera es de cinco órdenes de magnitud, y por eso en la práctica solo existen dos categorías: los materiales magnéticos y todos los demás. Un blindaje de aluminio no sirve contra un campo continuo justamente por eso: su permeabilidad es prácticamente la del vacío.
En un ferromagnético los momentos no están desordenados sino agrupados en dominios: zonas de micrones donde todos apuntan igual. Un trozo desmagnetizado tiene los dominios orientados al azar y el campo neto es cero. Al aplicar \( H \), los dominios favorables crecen a costa de los otros moviendo sus paredes, y ese movimiento no es reversible: las paredes se enganchan en impurezas y bordes de grano. De esa irreversibilidad sale todo lo de la sección siguiente.
02El ciclo de histéresis
Como el movimiento de las paredes de dominio cuesta energía y no se deshace solo, \( B \) no depende únicamente de \( H \): depende también de por dónde se llegó. Recorriendo un ciclo completo de excitación, la curva encierra un lazo.
| Parámetro | Qué es | Qué decide |
|---|---|---|
| \( B_{sat} \) | Inducción de saturación | El límite del núcleo: más allá no aporta nada |
| \( B_r \) | Remanencia: lo que queda con \( H = 0 \) | Si el material sirve de imán permanente |
| \( H_c \) | Coercitividad: el \( H \) que lo desmagnetiza | Si es blando o duro |
| Área del lazo | Energía por unidad de volumen y por ciclo | Las pérdidas por histéresis |
La última fila es la clave para electrónica: el área del lazo es energía perdida en cada ciclo, y multiplicada por la frecuencia da potencia disipada. Por eso los núcleos de transformador se hacen con materiales de lazo angosto —magnéticamente blandos— y los imanes permanentes con lazo ancho.
Seis materiales reales con su saturación y su coercitividad. Movés la excitación y el lazo se recorre entero; abajo aparecen las pérdidas por ciclo y la potencia disipada a la frecuencia elegida.
03Blandos y duros
| Magnéticamente blando | Magnéticamente duro | |
|---|---|---|
| \( H_c \) | Menos de 1000 A/m | Más de 10.000 A/m |
| Lazo | Angosto, pocas pérdidas | Ancho: eso es lo que se busca |
| Para qué | Núcleos de transformadores e inductores | Imanes permanentes, motores, parlantes |
| Ejemplos | Acero al silicio, ferrita, mu-metal | Alnico, ferrita dura, neodimio |
La temperatura de Curie marca el final de todo esto: por encima de ella la agitación térmica vence al acoplamiento entre momentos, los dominios desaparecen y el material pasa a ser un simple paramagnético. Son 770 °C para el hierro, 358 para el níquel y apenas 310 para un imán de neodimio común, que es por lo que un motor de imanes permanentes tiene un límite térmico estricto: pasado cierto punto los imanes se degradan y el motor no vuelve a ser el mismo.
A 50 Hz las pérdidas por histéresis del acero al silicio son tolerables y su saturación de 2 T lo hace compacto. Pero esas pérdidas crecen con la frecuencia, y a 100 kHz serían dos mil veces mayores. La ferrita tiene un lazo mucho más angosto y, sobre todo, es una cerámica que casi no conduce, así que tampoco tiene corrientes de Foucault. Paga con una saturación de apenas 0,4 T —cinco veces menor—, pero a esa frecuencia el núcleo necesita mucho menos flujo y no importa.
04En el laboratorio
Con un transformador de núcleo accesible, llevar al eje X la caída sobre un resistor en serie —proporcional a \( H \)— y al eje Y la salida de un integrador RC sobre el secundario —proporcional a \( B \)—. Ver el lazo en modo XY y medir \( B_r \) y \( H_c \).
Aumentar la tensión aplicada al primario y observar la corriente con el osciloscopio. Identificar el momento en que deja de ser senoidal y aparecen picos: eso es la saturación, y explicar por qué la corriente se dispara.
Calentar un clavo sujeto por un imán con un soplete hasta que se desprenda. Estimar la temperatura por el color del metal y compararla con los 770 °C del hierro. Verificar que al enfriarse vuelve a ser atraído.
05Errores frecuentes
- Confundir \( B \) con \( H \). Una es la inducción resultante; la otra, la excitación que uno aplica.
- Creer que \( \mu_r \) es una constante. Depende de \( H \), de la historia y de la temperatura.
- Blindar campo continuo con aluminio o cobre. Son diamagnéticos: \( \mu_r \approx 1 \) y no desvían nada.
- Ignorar la saturación al diseñar un inductor. Pasado \( B_{sat} \) la inductancia se derrumba y la corriente se dispara.
- Usar acero al silicio a alta frecuencia. Las pérdidas crecen con la frecuencia; ahí va ferrita.
- Olvidar la temperatura de Curie de un imán. El de neodimio se degrada bastante antes que el hierro.
06Autoevaluación
¿Qué representa el área del ciclo de histéresis?
La energía perdida por unidad de volumen en cada ciclo. Multiplicada por la frecuencia da la potencia disipada.
¿Qué distingue a un material magnéticamente blando?
Su coercitividad baja y su lazo angosto: se desmagnetiza fácil y pierde poca energía por ciclo.
¿Por qué el aluminio no sirve de blindaje magnético?
Porque es paramagnético con \( \mu_r \) casi 1: no desvía las líneas de campo.
¿Qué pasa por encima de la temperatura de Curie?
La agitación térmica vence al acoplamiento, los dominios desaparecen y el material queda paramagnético.
¿Por qué las fuentes conmutadas usan ferrita y no chapa?
Por las pérdidas: la ferrita tiene lazo angosto y casi no conduce, así que tampoco tiene corrientes de Foucault.
¿Qué le pasa a un inductor que satura?
Su inductancia se derrumba y la corriente se dispara, porque el núcleo ya no puede aportar más flujo.
07Para ampliar
- Raymond A. Serway y John W. Jewett. Física para ciencias e ingeniería. 10.ª ed., Cengage, 2019. Magnetismo en la materia, dominios, histéresis y temperatura de Curie.
- William D. Callister y David G. Rethwisch. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. 9.ª ed., Reverté, 2019. Materiales magnéticos blandos y duros, con sus valores y sus aplicaciones industriales.
- Colonel Wm. T. McLyman. Transformer and Inductor Design Handbook. 4.ª ed., CRC Press, 2011. El diseño real de un núcleo: elección del material, saturación, pérdidas y entrehierro.