Saturación (magnética)

Visto en algunos materiales magnéticos, la saturación es el estado alcanzado cuando un aumento en el campo magnético externo aplicado H no puede aumentar más la magnetización del material, por lo que el campo magnético total la densidad de flujo B se nivela más o menos. (Sin embargo, la magnetización continúa aumentando muy lentamente con el campo debido al paramagnetismo). La saturación es una característica de los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos, como el hierro, el níquel, el cobalto y sus aleaciones. Los diferentes materiales ferromagnéticos tienen diferentes niveles de saturación.

Descripción

La saturación se ve más claramente en la curva de magnetización (también llamada curva BH o curva de histéresis) de una sustancia, como una curvatura hacia la derecha de la curva (ver gráfico de la derecha). A medida que aumenta el campo H, el campo B se acerca asintóticamente a un valor máximo, el nivel de saturación de la sustancia. Técnicamente, por encima de la saturación, el campo B continúa aumentando, pero a una velocidad paramagnética, que es varios órdenes de magnitud menor que la velocidad ferromagnética que se ve por debajo de la saturación.

La relación entre el campo magnetizador H y el campo magnético B también se puede expresar como la permeabilidad magnética: μ μ =B/H{displaystyle mu =B/H} o el relativa permeabilidad μ μ r=μ μ /μ μ 0{displaystyle mu _{r}=mu /mu ¿Qué?, donde μ μ 0{displaystyle mu _{0}} es la permeabilidad del vacío. La permeabilidad de los materiales ferromagnéticos no es constante, pero depende de H. En materiales extensibles la permeabilidad relativa aumenta con H a un máximo, entonces a medida que se acerca la saturación invierte y disminuye hacia uno.

Diferentes materiales tienen diferentes niveles de saturación. Por ejemplo, las aleaciones de hierro de alta permeabilidad utilizadas en transformadores alcanzan una saturación magnética de 1,6 a 2,2 teslas (T), mientras que las ferritas se saturan de 0,2 a 0,5 T. Algunas aleaciones amorfas se saturan entre 1,2 y 1,3 T. El mu-metal se satura alrededor de 0,8 T.

Explicación

Los materiales ferromagnéticos (como el hierro) están compuestos de regiones microscópicas llamadas dominios magnéticos, que actúan como pequeños imanes permanentes que pueden cambiar su dirección de magnetización. Antes de aplicar un campo magnético externo al material, los dominios' Los campos magnéticos están orientados en direcciones aleatorias, anulándose efectivamente entre sí, por lo que el campo magnético externo neto es insignificante. Cuando se aplica un campo magnetizante externo H al material, penetra en el material y alinea los dominios, lo que hace que sus pequeños campos magnéticos giren y se alineen paralelos al campo externo, sumándose para crear un gran campo magnético. campo B que se extiende fuera del material. Esto se llama magnetización. Cuanto más fuerte es el campo magnético externo H, más se alinean los dominios, lo que produce una mayor densidad de flujo magnético B. Finalmente, en un determinado campo magnético externo, las paredes del dominio se han movido lo más que pueden y los dominios están tan alineados como la estructura cristalina lo permite, por lo que hay un cambio insignificante en la estructura del dominio al aumentar el campo magnético externo. encima de esto. La magnetización permanece casi constante y se dice que está saturada. La estructura del dominio en saturación depende de la temperatura.

Efectos y usos

La saturación pone un límite práctico a los campos magnéticos máximos alcanzables en electroimanes y transformadores de núcleo ferromagnético de alrededor de 2 T, lo que pone un límite al tamaño mínimo de sus núcleos. Esta es una de las razones por las que los motores, generadores y transformadores de servicios públicos de alta potencia son físicamente grandes; Para conducir las grandes cantidades de flujo magnético necesarias para la producción de alta energía, deben tener núcleos magnéticos grandes. En aplicaciones en las que el peso de los núcleos magnéticos debe mantenerse al mínimo, como transformadores y motores eléctricos en aviones, a menudo se utiliza una aleación de alta saturación como Permendur.

En los circuitos electrónicos, los transformadores e inductores con núcleos ferromagnéticos funcionan de forma no lineal cuando la corriente que los atraviesa es lo suficientemente grande como para saturar los materiales del núcleo. Esto significa que su inductancia y otras propiedades varían con los cambios en la corriente de accionamiento. En circuitos lineales esto suele considerarse una desviación no deseada del comportamiento ideal. Cuando se aplican señales de CA, esta no linealidad puede provocar la generación de armónicos y distorsión de intermodulación. Para evitar esto, se debe limitar el nivel de señales aplicadas a los inductores de núcleo de hierro para que no se saturen. Para reducir sus efectos, se crea un espacio de aire en algunos tipos de núcleos de transformadores. La corriente de saturación, la corriente a través del devanado necesaria para saturar el núcleo magnético, la proporcionan los fabricantes en las especificaciones de muchos inductores y transformadores.

Por otro lado, la saturación se aprovecha en algunos dispositivos electrónicos. La saturación se emplea para limitar la corriente en transformadores de núcleo saturable, utilizados en soldadura por arco, y transformadores ferroresonantes que sirven como reguladores de voltaje. Cuando la corriente primaria excede un cierto valor, el núcleo es empujado a su región de saturación, lo que limita mayores aumentos en la corriente secundaria. En una aplicación más sofisticada, los inductores de núcleo saturable y los amplificadores magnéticos utilizan una corriente continua a través de un devanado separado para controlar la impedancia de un inductor. Variar la corriente en el devanado de control mueve el punto de operación hacia arriba y hacia abajo en la curva de saturación, controlando la corriente alterna a través del inductor. Se utilizan en balastros de luz fluorescente variables y sistemas de control de energía.

La saturación también se aprovecha en los magnetómetros fluxgate y las brújulas fluxgate.

En algunas aplicaciones de audio, se utilizan deliberadamente transformadores o inductores saturables para introducir distorsión en una señal de audio. La saturación magnética genera armónicos de orden impar, normalmente introduciendo distorsión armónica tercera y quinta en el rango de frecuencias bajas y medias.