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MATERIALES FERROMAGNETICOS
Los materiales ferromagnéticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto, tungsteno,
níquel, aluminio y otros metales, son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan para
el diseño y constitución de núcleos de los transformadores y maquinas eléctricas. En un
transformador se usan para maximizar el acoplamiento entre los devanados, así como para
disminuir la corriente de excitación necesaria para la operación del transformador. En las
maquinas eléctricas se usan los materiales ferromagnéticos para dar forma a los campos, de
modo que se logren hacer máximas las características de producción de par.
Estos materiales han evolucionado mucho con el paso del tiempo lo que implica mas eficiencia,
reducción de volúmenes y costo, en el diseño de transformadores y maquinas eléctricas.
Los materiales ferromagnéticos poseen las siguientes propiedades y características que se
detallan a continuación.
Propiedades de los materiales ferromagnéticos.
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Aparece una gran inducción magnética al aplicarle un campo magnético.
Permiten concentrar con facilidad líneas de campo magnético, acumulando densidad
de flujo magnético elevado.
Se utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los campos magnéticos en
trayectorias bien definidas.
Permite que las maquinas eléctricas tengan volúmenes razonables y costos menos
excesivos.
Características de los materiales ferromagnéticos.
Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por uno o varios de los siguientes atributos:
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Pueden imanarse mucho más fácilmente que los demás materiales. Esta característica
viene indicada por una gran permeabilidad relativa m /m r.
Tienen una inducción magnética intrínseca máxima Bmax muy elevada.
Se imanan con una facilidad muy diferente según sea el valor del campo magnético.
Este atributo lleva una relación no lineal entre los módulos de inducción magnética(B) y
campo magnético.
Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujo diferente de la
variación que originaria una disminución igual de campo magnético. Este atributo indica
que las relaciones que expresan la inducción magnética y la permeabilidad (m ) como
funciones del campo magnético, no son lineales ni uniformes.
Conservan la imanación cuando se suprime el campo.
Tienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez imanados.
Materiales ferromagnéticos para transformadores:
La aleación ferromagnética más utilizada para el diseño de núcleos de transformadores es la
aleación hierro-silicio, esta aleación es la producida en mayor cantidad y esta compuesta por
hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se
destine el material. Dando a esta aleación un tratamiento térmico adecuado, se obtiene un
material que comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnéticas para campos
magnéticos débiles, una resistividad mayor y sufren perdidas totales menores en el núcleo.
Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de espesores comprendidos entre
0,35 y 0,635 mm recocidos; en el lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al
silicio o Chapa magnética.
Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 4 y el 5. El silicio
eleva la dureza del material, por lo que su porcentaje se determina según el empleo al que se
designa la chapa. Para maquinas rotatorias el limite superior es aproximadamente del 4%,
teniendo en cuenta el peligro de la fragilidad. También se prefieren chapas de menor contenido
de silicio cuando las densidades de funcionamiento son elevadas o cuando se desea una
elevada conductividad calorífica. Las perdidas en el núcleo y el coeficiente de envejecimiento
aumentan al disminuir el contenido de silicio.
La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar normalizada en considerable extensión
por lo que los datos magnéticos publicados por diversos fabricantes no se diferencian, calidad
por calidad, excesivamente.
Aislamiento ínter laminar
El aislamiento ínter laminar se consigue formando una capa de óxido natural sobre la superficie
de la chapa magnética laminada plana o aplicando un revestimiento superficial. Evidentemente
este tratamiento no reduce las corrientes parásitas en el interior de las chapas. Generalmente
se consigue una mejora en la resistencia entre chapas recociendo la chapa bajo condiciones
ligeramente oxidantes que aumentan el espesor del óxido superficial y cortando entonces las
formas acabadas para los núcleos.
Los revestimientos o acabados de aislamiento pueden clasificarse ampliamente en orgánicos o
inorgánicos:
a) El aislamiento orgánico consiste, en general, en esmaltes o barnices que se aplican a la
superficie del acero para proporcionar una resistencia ínter laminar.
La chapa magnética laminada plana con revestimiento de tipo orgánico no puede recibir un
recocido de distensión sin perjudicar el valor aislante de la capa. Esta, sin embargo, resiste las
temperaturas de funcionamiento normales. Algunos aislamientos orgánicos son apropiados
sólo en núcleos refrigerados por aire, mientras que otros pueden ser apropiados para núcleos
de transformadores tanto del tipo refrigerado por aire como los de baño de aceite. El espesor
de este tipo de aislamiento es de aproximadamente de 2,5 m m.
b) El aislamiento inorgánico se caracteriza, en general, por una elevada resistencia y por la
capacidad de resistir las temperaturas necesarias para el recocido de distensión. Esta ideado
para núcleos de transformadores refrigerados por aire o en baño de aceite.
Ref: M.I.T., Circuitos Magnéticos y Transformadores, Reverté, Buenos Aires 1981.
CAMPO MAGNETICO
La corriente eléctrica va siempre acompañada de fenómenos magnéticos. Este efecto de la
corriente eléctrica desempeña una función importante en casi todos los aparatos y máquinas
eléctricas.
El espacio en que actúan fuerzas magnéticas se denomina campo magnético. Este se forma,
por ejemplo, entre los extremos de un imán recto o entre los brazos de un imán en forma de
herradura.
Al igual que, los campos eléctricos, también es posible visualizar los campos magnéticos. Si
por encima de un imán se coloca un papel tensado en un marco y se esparcen sobre él
limaduras de hierro éstas se ordenan como consecuencia de la fuerza que actúa sobre ellas,
formando líneas. Por este motivo, se habla de las líneas de fuerza o del campo magnético. Hay
que imaginarse el espacio alrededor del imán atravesado por líneas de fuerza.
1. ¿Cómo se representa el campo magnético alrededor de un imán recto?
R1: El espacio alrededor del imán se considera atravesado por líneas de fuerza.
Las líneas a trazos indican el recorrido de las líneas de fuerza. Basta dibujar algunas
de ellas para representar el campo magnético.
Las líneas de fuerza no sólo existen fuera del imán sino que también recorren su
interior. De ello se deduce la siguiente regla:
"Las líneas de fuerza de un campo magnético son cerradas". Todas las líneas de
fuerza de un campo constituyen el flujo magnético.
2. ¿De que hecho puede deducirse que también tiene que haber líneas de fuerza en el
interior de imán?
R2: Del hecho de que al dividir un imán resultan nuevos imanes, o de que un imán está
formado por imanes moleculares.
Densidad de flujo magnético
Los campo magnético ejercen fuerzas que son más intensas cuanto mayor sea el
número de líneas de fuerza que contiene el campo correspondiente, es decir, cuantos
más juntas están dichas líneas de fuerza.
La fuerza que actúa entre 2 imanes rectos alcanza su valor máximo e los polos
(repulsión o atracción), porque el flujo magnético tiene en ellos su densidad máxima.
"La densidad de flujo magnético expresa el efecto del campo. También se denomina
inducción magnética".
La densidad de flujo indica el valor de la intensidad del flujo magnético que atraviesa
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perpendicularmente la unidad de superficie (cm o m ).
3. ¿Cómo varia la densidad del flujo magnético en el exterior de un imán recto a medida
que aumenta la distancia con respecto a los polos?
R3: La densidad del flujo magnético se reduce a medida que aumenta la distancia.
Corriente eléctrica y Campo magnético.
Para que se forme un campo magnético no es indispensable la existencia de
materiales magnéticos. Al circular corriente eléctrica por un conductor se forma un
campo magnético, sin que se precise para ello un material ferromagnético.
Distribución de un campo alrededor de un conductor.
Las líneas de división de un conductor recto por el que circula una corriente eléctrica,
son círculos cuyo centro común se encuentra en el conductor.
Como el campo magnético se extiende a lo largo de todo el conductor, hay que
imaginarse las líneas de fuerza muy juntas, casi formando tubos alrededor del
conductor.
La densidad del flujo magnético alcanza su valor máximo en la superficie del conductor
y disminuye a medida que aumenta la distancia con respecto a éste, siendo indiferente
que el alambre sea con aislante o no, pues en los materiales que no son magnéticos se
forma el campo magnético de forma aproximadamente igual a como ocurre en el aire.
4. ¿Qué propiedad de las líneas de fuerza se deduce de la representación del campo
magnético de un imán o de un conductor por el que circula una corriente eléctrica?
R4: La representación del campo magnético indica que las líneas de fuerza son
cerradas.
Sentido del campo magnético.
Si se desplaza la aguja de una brújula en una órbita circular alrededor del conductor
por el que circula una corriente eléctrica de intensidad suficiente, dicha aguja se
colocará siempre perpendicularmente al radio, indicando así el sentido de las líneas de
fuerza.
Por convenio se ha fijado que el polo norte de la aguja de una brújula señala en el
sentido de las líneas de fuerza.
5. ¿Cómo se puede determinar el sentido de un campo magnético mediante la aguja de
una brújula?
R5: El polo norte de la aguja señala en el sentido del campo magnético
Datos extraídos de: www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/magnetico/cMagnetico.html