PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA

1. PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA RESUMEN FUNDAMENTOS PROBLEMA 1. CABLE COAXIAL PROBLEMA 2. TOROIDE MATERIAL FERROMAGNÉTICO PROBLEMA 3. IMÁN PERMANENTE PROBLEMA 4. CÁLCULO INDUCTANCIA PROBLEMA 5. CIRCUITO MAGNÉTICO Antonio J. Barbero Dpto. Física Aplicada UCLM C.A. UNED Albacete

2. RESUMEN FUNDAMENTOS Potencial magnético vector debido a corrientes de imanación Momento magnético (corriente I) S.I.  A·m2 S.I.  Wb·m-1 Imanación (magnetización) S.I.  A·m-1 Material imanado S.I.  T (= Wb·m-2)

3. RESUMEN FUNDAMENTOS / 2 Potencial magnético vector en función de densidades de corrientes de imanación Corrientes de imanación S.I.  A·m-2 Volumétrica S.I.  A·m-1 S.I.  Wb·m-1 Superficial S.I.  A·m-1 Campo H Ecuaciones de la magnetostática en medios materiales Corrientes libres Corrientes de imanación Densidad de “carga magnética” Corrientes libres Condiciones en los límites campo B: sus componentes normales son continuas Si hay corrientes superficiales K Condiciones en los límites campo H: Si no hay corrientes superficiales sus componentes tangenciales son continuas Medio 2 Medio 2 Medio 2 Medio 1 Medio 1 Medio 1

4. RESUMEN FUNDAMENTOS / 3 MEDIOS MAGNÉTICOS LINEALES Susceptibilidad magnética (adimensional) La imanaciónM es proporcional al campo H El campo B también: Permeabilidad relativa Permeabilidad magnética del medio MEDIOS DIAMAGNÉTICOS En casi todos ellos  Susceptibilidad negativa MEDIOS PARAMAGNÉTICOS En muchos casos  Susceptibilidad positiva INDUCTANCIA El flujo magnético debido a la corriente que circula por un circuito es proporcional al valor de dicha corriente Coeficiente de proporcionalidad entre flujo y corriente L autoinducción Unidades S.I.  H Si se trata del flujo magnético inducido en un circuito (1) por la corriente que circula por otro circuito (2)  inducción mutua Unidades S.I.  H

5. Imanación del material Cuando el campo magnético aplicado cae a cero, sigue existiendo magnetismo remanente (esto tiene utilidad para almacenamiento magnético de datos) M Material imanado hasta saturación por alineación de dominios Curva de primera imanación cuando el material ferromagnéticose imana desde campo cero Campo magnético aplicado H El campo magnético aplicado debe invertirse y alcanzar un valor llamado campo coercitivo para que la imanación vuelva a ser nula Saturación en sentido opuesto RESUMEN FUNDAMENTOS / 4 MATERIALES FERROMAGNÉTICOS. CICLO DE HISTÉRESIS En el eje de ordenadas puede representarse bien la imanación M o bien el campo B El ciclo de histéresis muestra que la imanación de un material ferromagnético depende de su historia previa. Una vez se ha llevado el material a saturación el campo aplicado H puede ser reducido a cero pero el material retiene buena parte de su imanación (“recuerda su historia”).

6. RESUMEN FUNDAMENTOS / 5 CIRCUITOS MAGNÉTICOS Cuando la permeabilidad de los materiales que intervienen es alta, puede suponerse que las líneas de campo magnético permanecen confinadas dentro del material, y que el flujo magnético no se dispersa. En esas condiciones el flujo desempeña un papel análogo al de la intensidad de corriente y puede procederse por analogía con un circuito eléctrico y resolver el problema considerando las equivalencias entre magnitudes eléctricas y magnéticas que se indican a continuación. Circuito magnético equivalente Circuito magnético Circuito eléctrico Fuerza magnetomotriz (fmm) Fuerza electromotriz (fem) Reluctancia (A·v/Wb) L = longitud media del circuito (línea discontinua) Ley de Ohm S = área de la sección recta del circuito La reluctancia magnética de un medio depende de su permeabilidad mrm0, su longitud L y del área de su sección recta S. La resistencia eléctrica de un conductor depende de su conductividad s, su longitud L y del área de su sección recta S. mr = permeabilidad relativa del material del circuito Equivalencias fmm  fem flujo magnético   intensidad I reluctancia  resistencia Equivalente ley de Ohm para circuitos magnéticos

7. PROBLEMAS RESUELTOS

8. P1. CABLE COAXIAL El modelo de cable coaxial consiste en un conductor cilíndrico no magnético infinitamente largo, de radio a, rodeado por una funda exterior conductora de radio b > a y grosor infinitesimal, la cual lleva la corriente de retorno. Entre ambos conductores hay un material magnético no conductor, homogéneo y lineal de susceptibilidad m. Por el conductor interior circula una densidad de corriente uniforme J0 A·m-2. Explicar cómo está distribuida la corriente de retorno en el conductor exterior y calcular los valores de los vectores magnéticos H,M y B en todos los puntos del espacio. Conductor interior no magnético Densidad de corriente Material magnético no conductor Intensidad = flujo densidad de corriente La corriente de retorno transporta la misma intensidad distribuida en una película muy fina sobre la superficie del conductor exterior: se trata de una densidad superficial de corriente cuyo sentido es contrario al del vector J del conductor interno. Conductor exterior (funda de grosor infinitesimal) 8

9. P1. Cable coaxial / 2 Conductor interno Campos H, M, B Conductor interno Vista desde arriba, eje Z saliente Densidad de corriente La corriente libre I genera un campo que sólo tiene componente ya que C1 es la circunferencia centrada en el origen y de radio r1 e I es la corriente encerrada por C1. sólo tiene componente Z. Ley de Ampère: Válido en La susceptibilidad del conductor interior es (material no magnético) Campo Campo

10. P1. Cable coaxial / 3 Material magnético Campos H, M, B Material magnético Vista desde arriba, eje Z saliente Densidad de corriente radio a La corriente libre I genera un campo que sólo tiene componente ya que C2 es la circunferencia centrada en el origen y de radio r2 e I es la corriente encerrada por C2. sólo tiene componente Z. Ley de Ampère: Material magnético lineal Válido en La susceptibilidad del material magnético es Campo Campo 10 10

11. P1. Cable coaxial / 4 Zona exterior Campos H, M, B Material magnético Vista desde arriba, eje Z saliente Densidad de corriente radio a C3 es la circunferencia centrada en el origen y de radio r3 e I es la corriente encerrada por C3. Ley de Ampère: Como la línea C3 abraza la corriente I0 del conductor interno y la corriente –I0 del conductor externo, la corriente neta que abarca es nula, y por tanto el campo H es igual a cero para r> rb. Además, al estar fuera del material magnético, M también es igual a cero, y por tanto también B es igual a cero. Fuera del cable coaxial todos los campos son nulos.

12. P1. Cable coaxial / 5 Gráficas campos H, M, B El campo B sólo tiene componentes tangentes, aparecen discontinuidades en r = a y en r = b. Las densidades de corrientes superficiales de imanaciónKm‘s son la causa de la discontinuidad de M en r = a y en r = b. No hay discontinuidad en H porque en la superficie del conductor interior r = a no hay densidad superficial de corriente libre. La densidad de corriente libre superficial K en r = b es la causa de la discontinuidad de H. Cálculo de corrientes de imanación en transparencia siguiente

13. P1. Cable coaxial / 6 CORRIENTES SUPERFICIALES DE IMANACIÓN Corriente superficial de imanación Densidades corriente superficial Libre: De imanación: dirigido desde dentro del material magnético hacia fuera

14. P2. TOROIDE MATERIAL FERROMAGNÉTICO Un toroide de material ferromagnético de espesor muy pequeño comparado con su diámetro tiene un entrehierro d = 2 mm. Sobre él se enrollan N = 517 espiras por las que se hace pasar una corriente I = 2 A. La circunferencia completa de la sección central del toroide mide L = 942 mm (línea discontinua en la figura). La gráfica es la curva de primera imanación del material ferromagnético. Determinar el campo magnético en el entrehierro. ¿Cuál es la permeabilidad de este material ferromagnético en las condiciones de operación indicadas? Solución: Ley de Ampère aplicada a lo largo de la línea discontinua: Subíndices: f, ferromag; 0, entrehierro Continuidad componente normal de B: Permeabilidad del material 14

15. Determinar el campo magnético en el eje de un cilindro recto imanado de radio R y altura L, cuya imanaciónconstante es Representar gráficamente. El cilindro imanado se comporta como una lámina cilíndrica por la que circula una corriente superficial Js cuyo módulo es M0 (A/m) Las fuentes del campo B son las cintas de altura dz’ que transportan la corriente superficial Js. Cada una de esas cintas se encuentra a una altura z’ sobre el plano XY, y cada punto de la cinta situada en z’ se encuentra a una distancia del punto donde hay que determinar el campo magnético. Z Y X P3. IMAN PERMANENTE (0,0,z) El campo magnético de una espira circular (radio R) que transporta la corriente I en un punto z de su eje es Análogamente el campo creado en z por cada una de las cintas que transportan la corriente M0dz’ es

16. P3. IMAN PERMANENTE / 2 Representación gráfica del módulo del campo B frente a z/L para distintos valores de R/L

17. P3bis. IMAN PERMANENTE / 3 Partiendo del resultado anterior, determinar el campo magnético H en el eje de un cilindro recto imanado de radio R y altura L, cuya imanaciónconstante es: Representar gráficamente para R/L = 0.25 Dentro del imán 0  z/L 1 Fuera del imán Fuera del imán H tiene el mismo sentido que B; dentro tiene sentido contrario.

18. P4. CÁLCULO INDUCTANCIA Calcular la inductancia por unidad de longitud de una línea bifilar de cables paralelos de radio a cuyos centros están separados en el vacío una distancia d (d >> a). Campo magnético creado por cada conductor a la distancia x de su respectivo centro (ley de Ampère) Campo total: Flujo: Vista en perspectiva Zona donde hay que calcular el flujo magnético Relación flujo / autoinducción Coeficiente de autoinducción por unidad de longitud:

19. P5. RESOLUCIÓN CIRCUITO MAGNÉTICO El contorno exterior del doble cuadro de la figura está formado por un material de permeabilidad relativa 5024 cuya longitud media (línea discontinua abcdefa) es 40 cm. El material del separador central tiene una permeabilidad relativa de 3024, y su longitud es 5 cm. El arrollamiento de la parte izquierda está formado por 100 espiras, por las que se hace circular una corriente de 1.2 A. Determinar el flujo magnético , el campo B y el campo H en las tres ramas del doble cuadro. (Pueden despreciarse las pérdidas de flujo). Datos: Permeabilidad magnética del vacío: m0 = 4p·10-7 H/m. El área de sección recta del doble cuadro es S = 10 cm2. Solución. Veamos el circuito magnético equivalente  Rama 1 Rama 3 Rama 2 Reluctancias del circuito magnético Rama Longitud Propiedades magnéticas

20. P5. RESOLUCIÓN CIRCUITO MAGNÉTICO /2  Reluctancias del circuito magnético Asociación de reluctancias en paralelo R2//R3 Reluctancia equivalente del circuito: serie + paralelo  R1 + (R2//R3) Fuerza magnetomotriz: Flujo en el bobinado: Ecuación del circuito: Cálculos de flujo en ramas 2 y 3: hay un “divisor de flujo” similar al divisor de corriente en un circuito eléctrico.

21. P5. RESOLUCIÓN CIRCUITO MAGNÉTICO /3 Campos B en el interior Cálculos de campos B  Cálculos de campos H  Comprobación de Ampère bucle izquierdo, camino efabe (hay fmm) Comprobación de Ampère bucle derecho, camino bcdeb (no hay fmm) Comprobación de Ampère bucle exterior, camino efabcde (hay fmm)

22. BIBLIOGRAFÍA LIBROS 1. Kraus J.D. Electromagnetismo, 3ª edición. Caps. 5 y 6. McGraw-Hill 2. Wangsness R.K. Campos electromagnéticos. Cap. 20. Limusa. 3. Cheng D.K. Fundamentos de electromagnetismo para ingeniería. Cap. 5. Addison-Wesley. 4. Ulaby F.T. et al. Fundamentals of AppliedElectromagnetics. Chapter 5. 6th Ed. Prentice-Hall. RECURSOS EN LA RED http://scienceworld.wolfram.com/physics/topics/Electromagnetism.html http://laplace.us.es/wiki/index.php/Materiales_magn%C3%A9ticos http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/EMO2.htm