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1.4 El campo magnético 21¿Por qué ocurre la curva de histéresis? Para entender el comportamiento de los materiales ferromagnéticoses necesario conocer algo acerca de su estructura. Los átomos del hierro y los de losmateriales similares (cobalto, níquel y algunas de sus aleaciones) tienden a tener sus campos magnéticosfuertemente alineados entre sí. Dentro del metal hay unas pequeñas regiones llamadas dominios,en las que todos los átomos se alinean con sus campos magnéticos apuntando en una mismadirección, de modo que el dominio actúa dentro del material como un pequeño imán permanente.Una pieza de hierro no manifiesta polaridad magnética definida porque los dominios se encuentrandispuestos al azar en la estructura del material. La figura 1-12 representa un ejemplo de la estructurade los dominios en un trozo de hierro.a)FIGURA 1-12 a) Dominios magnéticos orientados al azar. b) Dominios magnéticos alineados enpresencia de un campo magnético externo.b)Cuando se aplica un campo magnético externo a este trozo de hierro, los dominios orientados enla dirección del campo exterior crecen a expensas de los dominios orientados en otras direcciones,debido a que los átomos adyacentes cambian físicamente su orientación con el campo magnéticoaplicado. Los átomos adicionales, alineados con el campo, incrementan el flujo magnético en el hierro,lo cual causa el alineamiento de más átomos que incrementan la intensidad del campo magnético.Este efecto de retroalimentación positiva es la causa de que el hierro adquiera una permeabilidadmayor que el aire.A medida que el campo magnético externo se fortalece, dominios completos alineados en otrasdirecciones se orientan como una unidad para alinearse con el campo. Por último, cuando casi todoslos átomos y dominios en el hierro se han alineado con el campo externo, el incremento de la fuerzamagnetomotriz puede ocasionar tan sólo un aumento de flujo igual al que ocurriría en el espacio libre(es decir, cuando todos los dominios se encuentran alineados, ya no habrá más retroalimentaciónpara reforzar el campo). En este momento, el hierro estará saturado con el flujo. Ésta es la situaciónque se muestra en la región saturada de la curva de magnetización de la figura 1-10.La histéresis se produce porque cuando el campo magnético exterior se suprime, los dominiosno se ubican de nuevo al azar. ¿Por qué los dominios permanecen alineados? Porque los átomosrequieren energía para recuperar su posición anterior. La energía para el alineamiento original laproveyó el campo magnético exterior; cuando el campo magnético exterior se suprime, no hay unafuente que ayude a que los dominios regresen a sus posiciones. El trozo de hierro es ahora un imánpermanente.Una vez que los dominios se alinean, algunos de ellos permanecerán en esa posición hasta quese les aplique una fuente de energía externa para cambiar su orientación. Otros ejemplos de fuentesexternas de energía que pueden cambiar los límites entre los dominios o su alineamiento son lafuerza magnetomotriz aplicada en otras direcciones, un choque mecánico fuerte y el calor. Cualquierade estos eventos puede suministrar energía a los dominios para cambiar su alineación (poresta razón, un imán permanente puede perder su magnetismo si se le deja caer, se le golpea o se lecalienta).
22 CAPÍTULO 1 Introducción a los principios de las máquinasf (o B)ÁreaF (o H)pérdida por histéresisFIGURA 1-13 Efecto del tamaño de las variaciones de la fuerzamagnetomotriz en la magnitud de las pérdidas por histéresis.Como se ha visto, para cambiar la posición de los dominios serequiere de energía, esto origina cierto tipo de pérdidas de energíaen todas las máquinas y transformadores. Las pérdidas por histéresisen el núcleo del hierro corresponden a la energía que se necesitapara reorientar los dominios durante cada ciclo de corriente alternaaplicada al núcleo. Se puede demostrar que el área comprendidadentro de la curva de histéresis, la cual se forma al aplicar corrientealterna, es directamente proporcional a la energía perdida en un ciclodado de corriente alterna. Cuanto menores sean las variacionesde la fuerza magnetomotriz aplicada al núcleo, el área de la curvaserá menor y serán más pequeñas las pérdidas resultantes. Este hechose muestra en la figura 1-13.En este momento deben mencionarse otro tipo de pérdidas,causadas también por la variación del flujo en el núcleo: las pérdidaspor corrientes parásitas, las cuales se explicarán posteriormente,una vez que se haya presentado la ley de Faraday. Las pérdidaspor histéresis y por corrientes parásitas ocasionan calentamientoen los núcleos y se deben tener en cuenta en el diseño de cualquiermáquina o transformador. Puesto que estas pérdidas ocurren dentrodel metal del núcleo, se agrupan bajo el nombre de pérdidas en elnúcleo.1.5 LEY DE FARADAY: VOLTAJE INDUCIDO PORUN CAMPO MAGNÉTICO VARIABLEHasta aquí la atención se ha enfocado en la producción de un campo magnético y sus propiedades.Ahora se examinará cómo un campo magnético puede afectar sus alrededores.El primer gran efecto que debe considerarse es la ley de Faraday, base del funcionamiento deltransformador. La ley de Faraday establece que si un flujo atraviesa una espira de alambre conductor,se inducirá en ésta un voltaje directamente proporcional a la tasa de cambio del flujo conrespecto al tiempo. Esto se expresa mediante la ecuacióne ind d(1-35)dtdonde e ind es el voltaje inducido en la espira y f es el flujo que atraviesa la espira. Si una bobinatiene N vueltas y el mismo flujo pasa a través de todas ellas, el voltaje inducido en toda la bobinaestá dado pore indN d dt(1-36)dondee ind 5 voltaje inducido en la bobinaN 5 número de vueltas de alambre en la bobinaf 5 flujo que circula en la bobinaEl signo menos en la ecuación es una expresión de la ley de Lenz, la cual establece que la direccióndel voltaje inducido en la bobina es tal que si los extremos de ésta estuvieran en cortocircuito, seproduciría en ella una corriente que generaría un fl ujo opuesto al flujo inicial. Puesto que el voltajeinducido se opone al cambio que lo produce u origina, se incluye un signo menos en la ecuación(1-36). Para comprender con claridad este concepto, observe la figura 1-14. Si el flujo que se muestraen la figura se incrementa, el voltaje que se forma en la bobina tenderá a crear un flujo que seopone a este incremento. Una corriente que fluya como se muestra en la figura 1-14b) producirá eseflujo opuesto al incremento, y por ello el voltaje formado en la bobina debe tener la polaridad ade-
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