Materiales Magnéticos

Presentación del tema: "Materiales Magnéticos"— Transcripción de la presentación:

1 Materiales Magnéticos
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL MENDOZA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA CÁTEDRA DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA Materiales Magnéticos Prof.: ING. RUBÉN O. VICIOLI J. T. P.: ING. GABRIEL SOSA Ayud. 1º: ING. FEDERICO GRACIÁ martes, 14 de mayo de 2019

2 MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES
Repaso de unidades FLUJO MAGNÉTICO Es la cantidad total de líneas de fuerza, generadas en el medio magnético. B: inducción magnética. s: sección del núcleo. Cgs: 1 Mx (Maxwell) MKS: 1 Wb (weber) = 1 V.s Desde el punto de vista práctico nos interesa que Φ sea grande con un mínimo de energía eléctrica.

3 INDUCCIÓN MAGNÉTICA (B)
MATERIALES MATERIALES MAGNÉTICOS Repaso de unidades INDUCCIÓN MAGNÉTICA (B) Es la medida de la concentración del flujo. B es igual a la cantidad de líneas de fuerza que atraviesan la unidad de superficie perpendicular a Φ, en 1 cm2 B = μ·H En un medio magnético Cgs: 1 Gs (gauss) = Mx/cm2 MKS: 1 Wb/m2 = l V.s/m2 1 T (Tesla) = 1 Wb/m2 = 10 Kg B0 = H En el vacío

4 INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO (H)
MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES Repaso de unidades INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO (H) Es la medida del efecto de la corriente eléctrica que circula por un devanado y es igual a la fracción de f.m.m., correspondiente a la unidad de longitud del circuito magnético excitado por el devanado. CGS MKS a veces se expresa A·Vuelta/m

5 TENSIÓN MAGNÉTICA O FUERZA MAGNETO MOTRIZ (f.m.m.)
MATERIALES MATERIALES MAGNÉTICOS Repaso de unidades TENSIÓN MAGNÉTICA O FUERZA MAGNETO MOTRIZ (f.m.m.) Es la intensidad de campo total generada en el circuito magnético. CGS: 1 Gb (Gilbert) = 1 Oe·cm MKS: 1 Joule/Wb = A·Vuelta

6 CGS MKS MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES
Repaso de unidades MAGNETIZACIÓN O INDUCCIÓN ESPECÍFICA (δ) B en un punto del campo magnético se compone de dos valores: uno el que se obtendría en el vacío (μ0H), el otro representa la influencia ejercida por el medio. Este segundo valor se llama "magnetización" o "inducción específica". CGS MKS En el sistema CGS la magnitud es 4·π veces menor al racionalizado

7 MATERIALES MAGNÉTICOS
Repaso de unidades PERMEABILIDAD (μ) Retomando la expresión B = μ·H, μ se llama permeabilidad y se puede expresar: μ0 = permeabilidad del vacío. μr = permeabilidad relativa con respecto a la del vacío, para el vacío μr = 1. CGS = 1 (por definición). MKS = 4·π·10-7 H / m.

8 MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES
Introducción INTRODUCCIÓN Las propiedades magnéticas, tienen su origen en la existencia de dipolos magnéticos en los átomos, por resultado del movimiento de los electrones. Un campo magnético externo tiende a alinear estos dipolos, según su misma dirección, con la consiguiente aparición de momentos magnéticos inducidos en el material. El momento magnético total por unidad de volumen, se denomina Magnetización M del material y es equivalente a la polarización P de los dieléctricos.

9 MATERIALES MAGNÉTICOS
Introducción Se puede definir la susceptibilidad magnética del medio Xm.

10 MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES
Introducción De acuerdo al valor de su susceptibilidad magnética las sustancias pueden clasificarse en: Diamagnéticas: Cuando Xm es (-) y pequeño comparado con 1 (μ < μ0). A magnéticas: no magnéticas Xm = 0 (μ = μo) ambas igual a 1. Paramagnéticas: Cuando Xm es (+) y levemente mayor a 1 (μ > μo). Ferro magnéticas: Cuando Xm es (+) y mucho mayor a 1 (μ >>> μo).

11 Permeabilidad relativa (μr) Permeabilidad relativa (μr)
MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES Introducción Diamagnéticos Permeabilidad relativa (μr) Bismuto 0,99983 Plata 0,99998 Plomo 0,999983 Cobre 0,999991 Agua Paramagnéticas Permeabilidad relativa (μr) Aire Aluminio 1, Plata 1,00002 A magnética o no magnética : Vacío por definición μr = μo = 1

12 Permeabilidad relativa (μr)
MATERIALES MATERIALES MAGNÉTICOS Introducción Ferromagnéticas Permeabilidad relativa (μr) Polvo de Permalloy (2-81), 2 Mo-81 Ni de composición porcentual y el resto Fe e impurezas 130 Cobalto 250 Níquel 600 Ferroxcube 3 (Ferrito Mn-Zn) 1.500 Acero dulce 2.000 Hierro con Impurezas (O2 C) 5000 Hierro silicio utilizados en transformadores (4 Si) 7.000 o menor Permalloy 78 (78,5 Ni) Hierro purificado Superpermalloy (5 Mo-79 Ni)

13 MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES
Temperatura Curie Se llama así, a la temperatura por encima de la cual, los materiales ferro magnéticos se vuelven paramagnéticos. Esta característica es reversible, porque los materiales, recuperan sus propiedades magnéticas cuando la temperatura desciende por debajo del punto Curie. Para Hierro es de 800°C.

14 MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES
Ley de Ohm en el campo magnético l = 2.Π.R por ser R >> r. l = longitud del circuito magnético. N = nº total de espiras. S =Π.r2 S = sección del conductor. Reemplazando: Reordenando:

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Ley de Ohm en el campo magnético Las características que nos interesan de los materiales ferro-magnéticos, son múltiples, pero se pueden separar en dos grandes grupos: 1° Aquellos que instalados en un circuito eléctrico, al paso de una corriente I, establece un Φ que nos interesa sea lo mayor posible. La I genera un H y este un B, que da lugar al establecimiento de un Φ. Para que B sea lo más grande posible μ tiene que ser grande. 2° Aquellos que tienen un flujo Φ para I = 0, que son los imanes permanentes.

16 MATERIALES MAGNÉTICOS
Ciclo de Histéresis Normal y Curvas de Magnetización La característica magnética de un material, depende de su historia magnética previa, propiedad llamada histéresis.

17 Inducción Residual o Retentividad.
MATERIALES MATERIALES MAGNÉTICOS Ciclo de Histéresis Normal y Curvas de Magnetización 0-1, llegando al valor Bm cuando la intensidad de campo aplicado es Hm. Esta curva se llama "Curva ascendente de magnetización" 1-2, alcanzando el valor Br en H=0. Densidad de flujo Br, retenida por el material, llamada : Inducción Residual o Retentividad. Aumentando H en sentido opuesto, provocando una disminución del flujo, según la curva,2-3. Hc, necesario para llevar B a cero, es llamado Fuerza Coercitiva. El ciclo se completa con la disminución de H hasta -Hm y luego variándolo hasta +Hm, produciendo una variación de la densidad de flujo según la curva El punto 7 generalmente no coincidirá con el 1, siendo un poco inferior.

18 Curva Normal de Magnetización
MATERIALES MATERIALES MAGNÉTICOS Ciclo de Histéresis Normal y Curvas de Magnetización El lugar geométrico, de las extremidades de lazos de histéresis de distinta amplitud, se llama: Curva Normal de Magnetización

19 MATERIALES MAGNÉTICOS
Permeabilidad El cociente entre B y H en cualquier punto de la curva se conoce con el nombre de "permeabilidad normal" o "estática" y ella es: Es la pendiente de la recta desde el origen hasta interceptar el punto de la curva, correspondiente a Bm. Una recta similar trazada tangente sobre la curva, nos determina la permeabilidad máxima: La pendiente Bo / Ho de la curva normal, en el origen es lo que se llama "Permeabilidad Inicial", generalmente más pequeña que μm

20 Permeabilidad Incremental μΔ
MATERIALES MATERIALES MAGNÉTICOS Permeabilidad Incremental Permeabilidad Incremental μΔ Es de suma importancia en el diseño de inductores y transformadores por los que circula c.c. y c.a. superpuestas. Es el cociente entre ΔB y ΔH. No hay restricción con respecto a las magnitudes de ΔB y ΔH así como a la posición en el ciclo de histéresis o curva de magnetización normal considerada. No hay restricción con respecto a las magnitudes de ΔB y ΔH así como a la posición en el ciclo de histéresis o curva de magnetización normal considerada.

21 Cuando H tiende a cero se tiene la “Permeabilidad diferencial”
MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES Permeabilidad Incremental Cuando H tiende a cero se tiene la “Permeabilidad diferencial” No hay restricción con respecto a las magnitudes de ΔB y ΔH así como a la posición en el ciclo de histéresis o curva de magnetización normal considerada.

22 Curva para el Fe - Si (3,6%) y de 0,35mm de espesor.
MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES Permeabilidad Incremental Las curvas que indican la variación de μΔ en función de los distintos valores de polarización Ho es el siguiente: Curva para el Fe - Si (3,6%) y de 0,35mm de espesor.

23 MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES
Cambios de Energía Durante el Ciclo Magnético 6-2: se observa un aumento en la inducción y por lo tanto se inducirá una tensión contra la circulación de I en la bobina de excitación. Esto produce una absorción de energía del circuito eléctrico, cuyo valor es: Joule /cm3

24 MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES
Cambios de Energía Durante el Ciclo Magnético 2-3: la energía es devuelta por el hierro al circuito eléctrico, como una tensión inducida debido a la disminución del flujo Φ concatenado y que posee la misma dirección que la corriente de excitación, que se encuentra disminuyendo: Joule /cm3

25 Qué es el área total abrazada por el lazo de histéresis
MATERIALES MATERIALES MAGNÉTICOS Cambios de Energía Durante el Ciclo Magnético 3 a 5 y 5 a 6, son idénticos con respecto a los primeros dos pasos debido a la simetría del lazo respecto al origen. Por consiguiente la energía neta tomada del circuito eléctrico durante el ciclo magnético completo será igual a: Qué es el área total abrazada por el lazo de histéresis Esta energía se manifiesta como calor en el hierro, y debido a que ella es sustraída del circuito eléctrico por el fenómeno de histéresis magnética, estas pérdidas se denominan Pérdidas por Histéresis.

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Pérdidas en los Materiales Magnéticos Se separan en tres: - Pérdidas por histéresis. - Pérdidas por corrientes parásitas (Foucault). - Pérdidas Residuales. Estas últimas, no se pueden explicar. Se las determina en forma experimental: se mide la pérdida total y luego en forma independiente la de histéresis y Foucault, se acusa como diferencia.

27 MATERIALES MAGNÉTICOS MATERIALES
Pérdidas por Histéresis Debido a que el formato del ciclo no es fácil de integrar analíticamente se determina por medición de la potencia perdida en la masa magnética o bien haciendo una integración gráfica. La energía gastada estará perfectamente determinada conociendo el lazo de histéresis y el volumen del material: La energía gastada estará perfectamente determinada conociendo el lazo de histéresis y el volumen del material:

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Pérdidas por Histéresis STEINMETZ en forma experimental determina la cantidad de calor producida en 1 cm3 del material: γ = peso específico del material ferro magnético. η = coeficiente de histéresis.

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Pérdidas por Corrientes Parásitas o de Foucault Supongamos tener un cubo de material, de una determinada masa y que sometemos a un campo magnético longitudinal. Como consecuencia de este campo se van a generar corrientes parásitas que van a tratar de producir un campo magnético antagónico.

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Pérdidas por Corrientes Parásitas o de Foucault Pequeñas espiras en cortocircuito que generan una fuerza electromotriz inducida ex = -dΦ/dt, que hace circular a la corriente en el núcleo provocando calor. Estas corrientes serán proporcionales a la inducción, a la frecuencia e inversamente proporcional a la resistividad de volumen del material ρ. STEINMETZ, con otra fórmula empírica para su cálculo: γ = peso específico del material. ε = coeficiente de corriente de Foucault

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Pérdidas Totales ΔPT = ΔPh + ΔPF En la práctica se determinan en conjunto por la suma de ambas, (con un vatímetro) y se expresa en vatios por Kg. de chapa magnética de un determinado espesor. Gráfica para un solo tipo de material y espesor

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Forma de la Curva o lazo de Histéresis Se pueden producir materiales magnéticos, que tengan cualquier forma de lazo de histéresis para cada aplicación en particular, ya sea materiales puros o aleaciones con tratamiento térmico o mecánico adecuado. Para la construcción de un inductor, que deba mantener la inductancia constante para distintos valores de corriente que por el circulen. Una vez fijada las dimensiones físicas la L es directamente proporcional a la permeabilidad y para ello es necesario un lazo que tenga un μ constante. Perminvar, (50% Fe-50% Ni), que mantiene constante la pendiente en un rango de 0 a 2 Amperios . espiras / metro.

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Forma de la Curva o lazo de Histéresis Para construir un transformador de alimentación, se buscan materiales que admitan una elevada inducción de saturación Bs. Lo que se utiliza comúnmente debido a su costo accesible es el Fe - Si (3 a 4% de Si). El gasto de energía eléctrica es mayor que con el Permalloy pero su costo es mucho menor. Para potencias en el orden de los cientos de Volt - Amper se alcanza con Fe - Si rendimientos del orden del 90% o más.