Examen 7

EXAMEN 7 Histeresís

Alumna: Luna Canales Irene Carolina 
Carrera: Química 
Materia: Electricidad y Magnetismo (Física II)
Maestro: Oziewicz

7A.¿Cómo se descubrió la Histeresís? 

Steinmetz, Charles Proteus.

En 1892 descubrió la histéresis magnética, el fenómeno que produce que los electroimanes cuyo núcleo es un material ferromagnético (como el hierro) no se magnetizan al mismo ritmo que la corriente variable que pasa por sus espiras, sino que existe un retardo. Este fenómeno da lugar a pérdidas de energía, que se disipa en forma de calor. 

7B. Definiciones de: 

HISTERESIS

La histeresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado.

Cuando se magnetiza en una dirección un material ferromagnético, no vuelve de nuevo a magnetización cero cuando cesa el campo magnético impulsor.

Debe ser impulsado hacia atrás de nuevo a cero mediante un campo con dirección opuesta. Si se aplica al material un campo magnético alterno, su magnetización trazará un bucle llamado ciclo de histéresis. 

Materiales eléctricos y magnéticos

ELÉCTRICOS.

-Dieléctricos:Se le denomina dieléctrico a todo material que tiene mala conducción eléctrica, o que poseen características aislantes. Por lo regular su principal función estar entre las dos capas de un capacitor para mejorar la capacitancia y darle una rigidez física.

-Paraeléctricos:Estos materiales son aquellos que poseen la particularidad o característica de polarizarse en presencia de un campo eléctrico. Este fenómeno se produce cuando no existen dipolos permanentes en el material.

-Ferroeléctricos:Es un tipo de materiales dieléctricos que se caracterizan por tener una polarización fija una vez retirando el campo eléctrico que causó esta polarización. Se dice que un material es ferroeléctrico cuando tiene dos o más estados de polarización en ausencia de un campo eléctrico aplicado y puede transferirse.

-Antiferroeléctricos:Material que tiene alineados los dipolos con el campo eléctrico, pero los sentidos de este son diferentes con respecto al campo eléctrico.

MAGNÉTICOS.

-Diamagnéticos:Son aquellos materiales en los cuales el movimiento orbital de sus electrones crea diminutos bucles de corrientes atómicas, que producen campos magnéticos. Cuando se aplica un campo magnético externo a un material, estos bucles de corrientes tienden a alinearse de tal manera que se oponen al campo aplicado.

-Paramagnéticos:Algunos materiales exhiben una magnetización, que es proporcional al campo magnético aplicado bajo el cual está colocado el material. Estos materiales se dice que son diamagnéticos.

-Ferromagnéticos:Son aquellos que exhiben un fenómeno de ordenamiento de largo alcance a nivel atómico, que hace que los espines de los electrones no apareados se alineen paralelamente entre sí, en una región del material llamada dominio. El campo magnético dentro del dominio es intenso, pero en una muestra global el material generalmente no estará magnetizado, debido a que los muchos dominios que lo componen estarán orientados entre ellos de forma aleatoria.  El ferromagnetismo se manifiesta en el hecho de que un pequeño campo magnético impuesto externamente puede originar que los dominios magnéticos se alineen entre sí y entonces se dice que el material está magnetizado. Luego, el campo magnético generado, se puede aumentar por un gran factor que normalmente se expresa como la permeabilidad relativa del material. Estos materiales tienden a magnetizarse en presencia de un campo magnético.

-Antiferromagnético:Es el material que presenta un ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos en la misma dirección pero en sentido inverso a campo magnético que lo provoca.

Ejemplo de materiales

ºDielectrico:  el vidrio, la cerámica, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, la porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita

ºFerroeléctricos: El titanato de bario (BaTiO3) es el más popular. Una aplicación importante era en tocadiscos para vinilos: la famosa aguja era un material piezoeléctrico. El esfuerzo mecánico de la aguja produce un voltaje que luego es amplificado y suena la música de los surcos por donde pasa. En micrófonos, la fuerza de la voz le imprime un voltaje que luego es amplificado en parlantes o en transmisiones de radio, etc. 

ºAntiferroelectricos: En el uso de cristal líquido para pantallas de Teléfonos móviles, navegadores GPS, ordenadores y TV.

7C. Permitividad electrica y permeabilidad magnetica.

Las expresiones para los campos eléctrico y magnético en el vacío , contienen la permitividad eléctrica e0 y la permeabilidad magnética µ0 del vacío. Como se indicó en la sección sobre las constantes eléctrica y magnética, estas dos cantidades no son independientes sino que están relacionadas con "c", la velocidad de la luz y otras ondas electromagnéticas.

La permitividad eléctrica está conectada con la energía almacenada en un campo eléctrico. Está relacionada en la expresión de la capacidad porque afecta a la cantidad de carga que se debe almacenar en un condensador para alcanzar un determinada campo eléctrico neto. En presencia de un medio polarizable, toma mas cargas para alcanzar un determinado campo eléctrico neto. El efecto del medio se establece a menudo en términos de permitividad relativa.

La permeabilidad magnética está conectada con la energía almacenada en un campo magnético. Está relacionada en la expresión de la inductancia porque en presencia de un medio magnetizable, se puede almacenar una mayor cantidad de energía en el campo magnético para una determinada corriente en la bobina. El efecto del medio se establece a menudo en términos de permeabilidad relativa.

7C. Ensayo sobre Histeresís. 

Ahora que ya sabemos que hay distintos tipos de materiales según su comportamiento ante un campo magnético, imagina que cae en nuestras manos un trozo de metal, por ejemplo la varilla de un destornillador (cualquier metal no nos serviría, pero sabemos que la varilla del destornillador es de acero y el componente principal del acero es el hierro, que es uno de los materiales ferromagnéticos) y queremos convertirlo en un imán. Para ello, lo introducimos dentro de una bobina que funcionará como un electroimán, regulando la corriente que por ella circula, y por tanto variando el campo magnético B. Si fuéramos tomando nota de los valores de intensidad de corriente y por lo tanto de excitación magnética H y por otro lado anotáramos los valores de inducción magnética obtenida, al llevarlos a una gráfica obtendríamos una curva parecida a la siguiente:

Lo que muestra la gráfica, es como va aumentando el campo magnético B en el material según hemos ido aumentando la excitación magnética H, que depende, como ya sabemos, de entre otros factores, de la intensidad. El punto 1 representa el punto máximo de campo magnético que puede adquirir nuestra varilla, es decir, la saturación magnética. Por aclararlo un poco más, piensa que nuestra varilla fuera un vaso de agua y la excitación magnética H azúcar. Añadimos un poco de azúcar a nuestro agua y lo agitamos, si lo probamos veremos que el agua está un poco dulce (el dulzor sería el campo magnético B); añadimos una cucharada más de azúcar y observamos que aumenta el dulzor. Si repetimos la operación varias veces, llegará un momento en que, por mucho azúcar que añadamos al agua, su dulzor no aumenta y el azúcar se precipita al fondo, habremos alcanzado la saturación de la disolución agua-azúcar. Eso mismo es lo que le ocurre al material, que queda saturado magnéticamente, pues todos los momentos magnéticos ya han sido alineados y se habrá alcanzado el máximo de campo magnético.

Continuemos con nuestro experimento. Ahora vamos a ir eliminando poco a poco la corriente causante del campo para ver si la inducción magnética B desaparece totalmente. Al hacerlo observamos lo siguiente:

Imagen 14. Imantación y Desimantación. 

En vez de tener un valor de B nulo, como antes de empezar el experimento, observamos que el campo magnético tiene el valor indicado con 2 en la gráfica, es decir, tiene un campo magnético remanente. Si no fuera materia inerte, podríamos pensar que es como si la varilla recordara que ha sido sometida a la acción de un campo magnético de valor 1 y aunque ahora lo eliminemos, le queda cierto valor del mismo. Este hecho, es decir, este valor demagnetismo remanente que designamos B_r, es lo que se denomina histéresis, que es una palabra que proviene del griego que significa quedarse atrás.

Si quisiéramos anular este magnetismo remanente, tendríamos que invertir el sentido de la excitación magnética hasta un valor H_c, que viene representado por 3 en la siguiente imagen y que se conoce como campo coercitivo o fuerza coercitiva.

Imagen 15. Campo coercitivo

Si siguiéramos aumentando la corriente para ver cuál es el valor máximo del campo magnético en sentido contrario y después quisiéramos anularlo tal y como hemos hecho anteriormente, el resultado sería como el de la imagen.

Imagen 16. Ciclo de Histéresis.

Habría un máximo, 4, simétrico a 1 y cuando elimináramos H, el material guardaría un magnetismo remanente 5, que para anularlo, habría que incrementar H en sentido contrario a la etapa anterior, hasta 6.

La curva de histéresis va a depender del material, así habrá materiales que será fácil imantar y desimantar, a estos los llamábamos materiales magnéticos blandos y por el contrario, habrá materiales que será más difícil desimantar. Estas curvas se pueden ver en la imagen siguiente:

Imagen 17. Histéresis de distintos materiales.

Los ciclos de imantación y desimantación o, por simplificar, de histéresis, provocan en el material unas pérdidas de energía en forma de calor. Esto se debe a que, por lo general, a los núcleos magnéticos se les somete a corrientes alternas y estas corrientes que provocan el alineamiento de los momentos polares en las distintas regiones del material, hacen invertir la polaridad de los mismos; para que la polaridad se invierta hace falta energía, energía que es tomada de la fuente que la suministra, lo que supone que una parte de esa energía inicial no es transformada o suministrada y por lo tanto es una pérdida. También se pone de manifiesto este hecho cuando las corrientes son continuas variables. Estas pérdidas, junto con otras conocidas como corrientes parasitarias de Foucault, son denominadas pérdidas en el hierro y pueden llegar a suponer hasta un 2% de la energía disponible.

Imagen 18. Balance de pérdidas en una máquina eléctrica. Fuente: Elaboración propia

La gráfica muestra las distintas pérdidas que se pueden producir en una máquina eléctrica: pérdidas en las bobinas de cobre por efecto Joule, pérdidas mecánicas debidas al rozamiento de los componentes móviles y las pérdidas en el hierro debido, entre otros motivos, a los ciclos de histéresis de los materiales magnéticos.

La finalidad de conocer el comportamiento magnético de la materia estriba en que podremos elegir aquel material que mejor se adecúa a los requerimientos del dispositivo donde lo vamos a instalar y así optimizar su rendimiento.

OPINIÓN: Creo que el tema de histeresís es de gran importancia para el estudio integral de nuestra carrera y del uso correcto de los materiales más apropiados para determinadas necesidades.