Electroimán

Imán creado con una corriente eléctrica.

Un electroimán simple que consiste en una bobina de alambre enrollada alrededor de un núcleo de hierro. Un núcleo de material ferromagnético como el hierro sirve para aumentar el campo magnético creado. ^[1] La fuerza del campo magnético generado es proporcional a la cantidad de corriente que pasa por el devanado. ^[1]

Campo magnético producido por un solenoide (bobina de alambre). Este dibujo muestra una sección transversal del centro de la bobina. Las cruces son cables por los que circula corriente hacia la página; los puntos son cables por los que circula corriente hacia arriba y hacia afuera de la página.

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante una corriente eléctrica . Los electroimanes suelen estar formados por un cable enrollado en una bobina . Una corriente a través del cable crea un campo magnético que se concentra en el orificio del centro de la bobina . El campo magnético desaparece cuando se corta la corriente. Las espiras del cable suelen estar enrolladas alrededor de un núcleo magnético hecho de un material ferromagnético o ferrimagnético , como el hierro ; el núcleo magnético concentra el flujo magnético y crea un imán más potente.

La principal ventaja de un electroimán con respecto a un imán permanente es que el campo magnético se puede modificar rápidamente controlando la cantidad de corriente eléctrica en el bobinado. Sin embargo, a diferencia de un imán permanente que no necesita energía, un electroimán requiere un suministro continuo de corriente para mantener el campo magnético.

Los electroimanes se utilizan ampliamente como componentes de otros dispositivos eléctricos, como motores , generadores , solenoides electromecánicos , relés , altavoces , discos duros , máquinas de resonancia magnética , instrumentos científicos y equipos de separación magnética . Los electroimanes también se emplean en la industria para levantar y mover objetos de hierro pesados, como chatarra y acero. ^[2]

Historia

El científico danés Hans Christian Ørsted descubrió en 1820 que las corrientes eléctricas crean campos magnéticos. Ese mismo año, el científico francés André-Marie Ampère demostró que el hierro se puede magnetizar insertándolo en un solenoide alimentado eléctricamente.

El científico británico William Sturgeon inventó el electroimán en 1824. ^{[3] [4]} Su primer electroimán era una pieza de hierro en forma de herradura que estaba envuelta con aproximadamente 18 vueltas de alambre de cobre desnudo. ( El alambre aislado no existía entonces). El hierro estaba barnizado para aislarlo de los devanados. Cuando pasaba una corriente a través de la bobina, el hierro se magnetizaba y atraía a otros trozos de hierro; cuando la corriente se detenía, perdía la magnetización. Sturgeon demostró su poder al demostrar que aunque solo pesaba siete onzas (aproximadamente 200 gramos), podía levantar nueve libras (aproximadamente 4 kilos) cuando se le aplicaba la corriente de una fuente de alimentación de una sola celda. Sin embargo, los imanes de Sturgeon eran débiles porque el alambre sin aislar que utilizó solo podía envolverse en una sola capa espaciada alrededor del núcleo, lo que limitaba el número de vueltas.

A partir de 1830, el científico estadounidense Joseph Henry mejoró y popularizó sistemáticamente el electroimán. ^{[5] [6]} Al utilizar alambre aislado con hilo de seda e inspirado por el uso de múltiples vueltas de alambre de Schweigger para hacer un galvanómetro , ^[7] pudo enrollar múltiples capas de alambre sobre núcleos, creando imanes poderosos con miles de vueltas de alambre, incluido uno que podía soportar 2063 lb (936 kg). El primer uso importante de los electroimanes fue en las sondas telegráficas .

La teoría del dominio magnético sobre cómo funcionan los núcleos ferromagnéticos fue propuesta por primera vez en 1906 por el físico francés Pierre-Ernest Weiss , y la teoría mecánica cuántica moderna detallada del ferromagnetismo fue elaborada en la década de 1920 por Werner Heisenberg , Lev Landau , Felix Bloch y otros.

Aplicaciones de los electroimanes

Electroimán industrial que levanta chatarra, 1914

Un electroimán portátil es aquel diseñado únicamente para mantener un material en su lugar; un ejemplo es un imán de elevación. Un electroimán de tracción aplica una fuerza y ​​mueve algo. ^[8]

Los electroimanes se utilizan ampliamente en dispositivos eléctricos y electromecánicos , entre ellos:

• Motores y generadores
• Transformadores
• Relés
• Timbres y zumbadores eléctricos
• Altavoces y auriculares
• Actuadores como válvulas
• Equipos de grabación magnética y almacenamiento de datos: grabadoras de cinta , videograbadoras , discos duros
• Máquinas de resonancia magnética
• Equipos científicos como espectrómetros de masas.
• Aceleradores de partículas
• Cerraduras magnéticas
• El equipo de separación magnética se utiliza para separar material magnético del no magnético, por ejemplo, para separar el metal ferroso de otros materiales en la chatarra.
• Imanes de elevación industriales
• Levitación magnética , utilizada en un tren o trenes de levitación magnética.
• Calentamiento por inducción para cocinar, fabricar y terapia de hipertermia.

Solenoide simple

Un electroimán de tracción común es un solenoide y un émbolo de bobinado uniforme. El solenoide es una bobina de alambre y el émbolo está hecho de un material como hierro dulce. Al aplicar una corriente al solenoide se aplica una fuerza al émbolo y puede hacer que se mueva. El émbolo deja de moverse cuando las fuerzas que actúan sobre él están equilibradas. Por ejemplo, las fuerzas están equilibradas cuando el émbolo está centrado en el solenoide.

La fuerza de tracción máxima uniforme se produce cuando un extremo del émbolo se encuentra en el centro del solenoide. Una aproximación de la fuerza F es ^[8]

${\displaystyle F={\frac {CANI}{\ell }}}$

donde C es una constante de proporcionalidad, A es el área de la sección transversal del émbolo, N es el número de vueltas del solenoide, I es la corriente a través del cable del solenoide y ℓ es la longitud del solenoide. Para unidades que utilizan pulgadas, libras fuerza y ​​amperios con solenoides largos y delgados, el valor de C es de alrededor de 0,009 a 0,010 psi (libras de tracción máxima por pulgada cuadrada del área de la sección transversal del émbolo). ^[9] Por ejemplo, una bobina de 12 pulgadas de largo ( ℓ = 12 in ) con un émbolo largo de una sección transversal de 1 pulgada cuadrada ( A = 1 in2 ⁾ y 11.200 amperios-vueltas ( NI = 11.200 Avueltas ) tuvo una tracción máxima de 8,75 libras (que corresponde a C = 0,0094 psi ). ^[10]

La fuerza de tracción máxima aumenta cuando se inserta un tope magnético en el solenoide. El tope se convierte en un imán que atraerá al émbolo; agrega poco a la fuerza de tracción del solenoide cuando el émbolo está lejos, pero aumenta drásticamente la fuerza de tracción cuando están cerca. Una aproximación para la fuerza de tracción P es ^[11]

${\displaystyle P=ANI\left[{\frac {NI}{(\ell _{\mathrm {a} })^{2}(C_{1})^{2}}}+{\frac {C}{\ell }}\right]={\frac {AN^{2}I^{2}}{(\ell _{\mathrm {a} })^{2}(C_{1})^{2}}}+{\frac {CANI}{\ell }}}$

Aquí ℓ _a es la distancia entre el extremo del tope y el extremo del émbolo. La constante adicional C ₁ para unidades de pulgadas, libras y amperios con solenoides delgados es de aproximadamente 2660. El segundo término dentro del corchete representa la misma fuerza que el solenoide sin tope anterior; el primer término representa la atracción entre el tope y el émbolo.

Se pueden realizar algunas mejoras en el diseño básico. Los extremos del tope y del émbolo suelen ser cónicos. Por ejemplo, el émbolo puede tener un extremo puntiagudo que encaja en un hueco correspondiente en el tope. La forma hace que la tracción del solenoide sea más uniforme en función de la separación. Otra mejora es agregar una ruta de retorno magnética alrededor del exterior del solenoide (un "solenoide blindado"). ^{[11] [12]} La ruta de retorno magnética, al igual que el tope, tiene poco impacto hasta que el espacio de aire es pequeño.

Física

La corriente ( ) que circula por un cable produce un campo magnético ( ). El campo está orientado según la regla de la mano derecha . ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle B}$

Las líneas de campo magnético de un bucle de cable que transporta corriente pasan por el centro del bucle, concentrando el campo allí.

El campo magnético generado al pasar una corriente a través de una bobina.

Una corriente eléctrica que fluye por un cable crea un campo magnético alrededor del cable, debido a la ley de Ampere (ver dibujo de un cable con campo magnético) . Para concentrar el campo magnético en un electroimán, el cable se enrolla en una bobina con muchas vueltas de cable una al lado de la otra. ^[2] El campo magnético de todas las vueltas de cable pasa por el centro de la bobina, creando allí un fuerte campo magnético. ^[2] Una bobina que tiene la forma de un tubo recto (una hélice ) se llama solenoide . ^{[1] [2]}

La dirección del campo magnético a través de una bobina de alambre se puede encontrar a partir de una forma de la regla de la mano derecha . ^{[13] [14]} Si los dedos de la mano derecha están curvados alrededor de la bobina en la dirección del flujo de corriente ( corriente convencional , flujo de carga positiva ) a través de los devanados, el pulgar apunta en la dirección del campo dentro de la bobina. El lado del imán del que emergen las líneas de campo se define como el polo norte .

Núcleo magnético

Para las definiciones de las variables siguientes, consulte el cuadro al final del artículo.

Se pueden producir campos magnéticos mucho más fuertes si se coloca un " núcleo magnético " de un material ferromagnético (o ferrimagnético ) blando , como el hierro , dentro de la bobina. ^{[1] [2] [15] [16]} Un núcleo puede aumentar el campo magnético a miles de veces la fuerza del campo de la bobina sola, debido a la alta permeabilidad magnética μ del material. ^{[1] [2]} No todos los electroimanes utilizan núcleos, por lo que esto se llama electroimán de núcleo ferromagnético o de núcleo de hierro.

Esto se debe a que el material de un núcleo magnético (que a menudo está hecho de hierro o acero) está compuesto de pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos que actúan como pequeños imanes (véase ferromagnetismo ). Antes de que se active la corriente en el electroimán, los dominios del núcleo de hierro dulce apuntan en direcciones aleatorias, por lo que sus pequeños campos magnéticos se cancelan entre sí y el hierro no tiene un campo magnético a gran escala. Cuando pasa una corriente a través del cable enrollado alrededor del hierro, su campo magnético penetra en el hierro y hace que los dominios giren, alineándose en paralelo al campo magnético, por lo que sus pequeños campos magnéticos se suman al campo del cable, creando un gran campo magnético que se extiende al espacio alrededor del imán. El efecto del núcleo es concentrar el campo, y el campo magnético pasa a través del núcleo con menor reluctancia que cuando pasaría a través del aire.

Cuanto mayor es la corriente que pasa por la bobina de alambre, más se alinean los dominios y más fuerte es el campo magnético. Finalmente, todos los dominios están alineados y los aumentos posteriores de la corriente solo provocan ligeros aumentos del campo magnético: este fenómeno se llama saturación . Por eso, los electroimanes más potentes, como los superconductores y los de corriente muy alta, no pueden utilizar núcleos.

La característica no lineal principal de los materiales ferromagnéticos es que el campo B se satura a un valor determinado, ^[2] que es de alrededor de 1,6 a 2 teslas (T) para la mayoría de los aceros con núcleo de alta permeabilidad. ^{[17] [18] [19]} El campo B aumenta rápidamente con el aumento de la corriente hasta ese valor, pero por encima de ese valor el campo se estabiliza y se vuelve casi constante, independientemente de la cantidad de corriente que se envíe a través de los devanados. ^[2] La máxima fuerza del campo magnético posible de un electroimán con núcleo de hierro está limitada a alrededor de 1,6 a 2 T. ^{[17] [19]}

Cuando se corta la corriente en la bobina, en los materiales magnéticamente blandos que casi siempre se utilizan como núcleos, la mayoría de los dominios pierden la alineación y vuelven a un estado aleatorio y el campo desaparece. Sin embargo, parte de la alineación persiste, porque los dominios tienen dificultad para cambiar su dirección de magnetización, dejando el núcleo magnetizado como un imán permanente débil. Este fenómeno se llama histéresis y el campo magnético restante se llama magnetismo remanente . La magnetización residual del núcleo se puede eliminar mediante desmagnetización . En los electroimanes de corriente alterna, como los que se utilizan en los motores, la magnetización del núcleo se invierte constantemente y la remanencia contribuye a las pérdidas del motor.

Ley de Ampere

El campo magnético de los electroimanes en el caso general viene dado por la Ley de Ampere :

${\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}}$

que dice que la integral del campo magnético alrededor de cualquier bucle cerrado es igual a la suma de la corriente que fluye a través del bucle. Otra ecuación utilizada, que da el campo magnético debido a cada pequeño segmento de corriente, es la ley de Biot-Savart . ${\displaystyle \mathbf {H} }$

Fuerza ejercida por el campo magnético

De la misma manera en el solenoide, la fuerza ejercida por un electroimán sobre un conductor ubicado en una sección del material del núcleo es:

La ecuación de fuerza se puede derivar de la energía almacenada en un campo magnético . La energía es la fuerza multiplicada por la distancia. Al reorganizar los términos se obtiene la ecuación anterior.

El límite de 1,6 T en el campo ^{[17] [19]} mencionado anteriormente establece un límite en la fuerza máxima por unidad de área del núcleo, o presión magnética , que un electroimán con núcleo de hierro puede ejercer; aproximadamente:

${\displaystyle {\frac {F}{A}}={\frac {(B_{\text{sat}})^{2}}{2\mu _{0}}}\approx 1000\ \mathrm {kPa} =10^{6}\mathrm {N/m^{2}} =145\ \mathrm {lbf/in^{2}} }$

para el límite de saturación del núcleo, B _sat . En unidades más intuitivas es útil recordar que a 1 T la presión magnética es de aproximadamente 4 atmósferas, o kg/cm ² .

Dada una geometría de núcleo, el campo B necesario para una fuerza dada se puede calcular a partir de (1); si resulta ser mucho mayor que 1,6 T, se debe utilizar un núcleo más grande.

Sin embargo, calcular el campo magnético y la fuerza ejercida por los materiales ferromagnéticos en general es difícil por dos razones. En primer lugar, porque la intensidad del campo varía de un punto a otro de una manera complicada, en particular fuera del núcleo y en los espacios de aire, donde se deben considerar los campos de borde y el flujo de fuga . En segundo lugar, porque el campo magnético B y la fuerza son funciones no lineales de la corriente, que dependen de la relación no lineal entre B y H para el material del núcleo particular utilizado. Para cálculos precisos, se emplean programas informáticos que pueden producir un modelo del campo magnético utilizando el método de elementos finitos .

Circuito magnético

Campo magnético ( verde ) de un electroimán típico, con el núcleo de hierro C formando un bucle cerrado con dos espacios de aire G en él.
B – campo magnético en el núcleo
B _F – "campos marginales". En los espacios G las líneas de campo magnético "sobresalen", por lo que la intensidad del campo es menor que en el núcleo: B _F  <  B
B _L – flujo de fuga ; líneas de campo magnético que no siguen un circuito magnético completo
L – longitud media del circuito magnético utilizado en la ecuación 1 a continuación . Es la suma de la longitud L _{del núcleo} en las piezas del núcleo de hierro y la longitud L _{del espacio} en los espacios de aire G.
Tanto el flujo de fuga como los campos marginales se hacen más grandes a medida que aumentan los espacios, lo que reduce la fuerza ejercida por el imán.

En muchas aplicaciones prácticas de los electroimanes, como motores, generadores, transformadores, imanes de elevación y altavoces, el núcleo de hierro tiene forma de bucle o circuito magnético , posiblemente interrumpido por unos pocos huecos de aire estrechos. El hierro presenta mucha menos "resistencia" ( reluctancia ) al campo magnético que el aire, por lo que se puede obtener un campo más fuerte si la mayor parte del recorrido del campo magnético se encuentra dentro del núcleo. ^[2] Por eso, el núcleo y las líneas del campo magnético tienen forma de bucles cerrados.

Dado que la mayor parte del campo magnético está confinado dentro de los contornos del bucle del núcleo, esto permite una simplificación del análisis matemático. ^[2] Vea el dibujo a la derecha. Una suposición simplificadora común satisfecha por muchos electroimanes, que se utilizará en esta sección, es que la intensidad del campo magnético B es constante alrededor del circuito magnético (dentro del núcleo y los espacios de aire) y cero fuera de él. La mayor parte del campo magnético se concentrará en el material del núcleo ( C ). Dentro del núcleo, el campo magnético ( B ) será aproximadamente uniforme a través de cualquier sección transversal, por lo que si además, el núcleo tiene un área aproximadamente constante en toda su longitud, el campo en el núcleo será constante. ^[2]

Esto deja los huecos de aire ( G ), si los hay, entre las secciones del núcleo. En los huecos, las líneas de campo magnético ya no están confinadas por el núcleo. Por lo tanto, se "abultan" más allá de los contornos del núcleo antes de curvarse hacia atrás para entrar en la siguiente pieza de material del núcleo, lo que reduce la intensidad del campo en el hueco. ^[2] Las protuberancias ( B _F ) se denominan campos de franja . ^[2] Sin embargo, siempre que la longitud del hueco sea menor que las dimensiones de la sección transversal del núcleo, el campo en el hueco será aproximadamente el mismo que en el núcleo.

Además, algunas de las líneas de campo magnético ( BL ₎ tomarán "atajos" y no pasarán por todo el circuito del núcleo, por lo que no contribuirán a la fuerza ejercida por el imán. Esto también incluye las líneas de campo que rodean los devanados del cable pero que no entran en el núcleo. Esto se denomina flujo de fuga .

Las ecuaciones de esta sección son válidas para electroimanes para los cuales:

1. El circuito magnético es un solo bucle de material central, posiblemente interrumpido por algunos espacios de aire.
2. El núcleo tiene aproximadamente la misma sección transversal en toda su longitud.
3. Los espacios de aire entre las secciones del material del núcleo no son grandes en comparación con las dimensiones de la sección transversal del núcleo.
4. Hay un flujo de fuga insignificante.

Campo magnético en circuito magnético

El campo magnético creado por un electroimán es proporcional tanto a N como a I , por lo que este producto, NI , recibe el nombre de fuerza magnetomotriz . Para un electroimán con un solo circuito magnético , la Ley de Ampere se reduce a: ^{[2] [20] [21]}

${\displaystyle NI=H_{\mathrm {core} }L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {gap} }L_{\mathrm {gap} }}$

Esta es una ecuación no lineal , porque μ varía con B. Para una solución exacta, el valor de μ en el valor B utilizado debe obtenerse de la curva de histéresis del material del núcleo . ^[2] Si B es desconocido, la ecuación debe resolverse mediante métodos numéricos .

Además, si la fuerza magnetomotriz está muy por encima de la saturación, de modo que el material del núcleo está en saturación, el campo magnético será aproximadamente el valor de saturación B _sat para el material, y no variará mucho con los cambios en NI . Para un circuito magnético cerrado (sin espacio de aire), la mayoría de los materiales del núcleo se saturan a una fuerza magnetomotriz de aproximadamente 800 amperios-vuelta por metro de trayectoria de flujo.

Para la mayoría de los materiales del núcleo, . ^[21] Por lo tanto, en la ecuación (2) anterior, el segundo término domina. Por lo tanto, en circuitos magnéticos con un entrehierro, B depende en gran medida de la longitud del entrehierro, y la longitud de la trayectoria del flujo en el núcleo no importa mucho. Dado un entrehierro de 1 mm, se requiere una fuerza magnetomotriz de aproximadamente 796 amperios-vuelta para producir un campo magnético de 1 T. ${\displaystyle \mu _{r}\approx 2000{\text{–}}6000\,}$

Circuito magnético cerrado

Sección transversal de un electroimán de elevación como el de la foto anterior, que muestra una construcción cilíndrica. Los devanados ( C ) son tiras planas de cobre para soportar la fuerza de Lorentz del campo magnético. El núcleo está formado por la carcasa de hierro gruesa ( D ) que envuelve los devanados.

Para un circuito magnético cerrado (sin entrehierro), como el que se encontraría en un electroimán que levanta un trozo de hierro conectado a través de sus polos, la ecuación ( 2 ) se convierte en:

Sustituyendo en ( 1 ), la fuerza es:

Se puede observar que para maximizar la fuerza, se prefiere un núcleo con un recorrido de flujo corto L y una amplia área de sección transversal A (esto también se aplica a los imanes con un entrehierro). Para lograr esto, en aplicaciones como imanes de elevación (ver foto de arriba) y altavoces, a menudo se utiliza un diseño cilíndrico plano. El devanado se envuelve alrededor de un núcleo cilíndrico ancho y corto que forma un polo, y una carcasa metálica gruesa que envuelve el exterior de los devanados forma la otra parte del circuito magnético, llevando el campo magnético al frente para formar el otro polo.

Fuerza entre electroimanes

Los métodos anteriores son aplicables a electroimanes con un circuito magnético y no se aplican cuando una gran parte de la trayectoria del campo magnético está fuera del núcleo. Un ejemplo sin circuito sería un imán con un núcleo cilíndrico recto como el que se muestra en la parte superior de este artículo. Centrándonos únicamente en la fuerza entre dos electroimanes (o imanes permanentes) con "polos" bien definidos donde las líneas de campo emergen del núcleo, una analogía especial llamada modelo de carga magnética que supone que el campo magnético es producido por "cargas magnéticas" ficticias en la superficie de los polos. Este modelo supone polos puntuales en lugar de las superficies realmente existentes y, por lo tanto, solo ofrece una buena aproximación cuando la distancia entre los imanes es mucho mayor que su diámetro, por lo que es útil solo para una fuerza entre ellos.

La fuerza del polo magnético de los electroimanes se puede encontrar a partir de: $${\displaystyle m={\frac {NIA}{L}}}$$

La fuerza entre dos polos es: $${\displaystyle F={\frac {\mu _{0}m_{1}m_{2}}{4\pi r^{2}}}}$$

Cada electroimán tiene dos polos, por lo que la fuerza total sobre un imán dado debido a otro imán es igual a la suma vectorial de las fuerzas de los polos del otro imán que actúan sobre cada polo del imán dado.

Efectos secundarios

Existen varios efectos secundarios que se producen en los electroimanes y que deben tenerse en cuenta en su diseño. Estos suelen ser más significativos en los electroimanes de mayor tamaño.

Calentamiento óhmico

Grandes barras colectoras de aluminio que transportan corriente a los electroimanes del laboratorio de alto campo LNCMI (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses).

La única potencia que consume un electroimán de CC en condiciones de estado estable se debe a la resistencia de los devanados y se disipa en forma de calor. Algunos electroimanes grandes requieren sistemas de refrigeración por agua en los devanados para disipar el calor residual .

Como el campo magnético es proporcional al producto NI , el número de vueltas en los devanados N y la corriente I se pueden elegir para minimizar las pérdidas de calor, siempre que su producto sea constante. Como la disipación de potencia, P = I ² R , aumenta con el cuadrado de la corriente pero solo aumenta aproximadamente de forma lineal con el número de devanados, la potencia perdida en los devanados se puede minimizar reduciendo I y aumentando el número de vueltas N proporcionalmente, o utilizando un cable más grueso para reducir la resistencia. Por ejemplo, reducir a la mitad I y duplicar N reduce a la mitad la pérdida de potencia, al igual que duplicar el área del cable. En cualquier caso, aumentar la cantidad de cable reduce las pérdidas óhmicas. Por esta razón, los electroimanes suelen tener un espesor significativo de devanados.

Sin embargo, el límite para aumentar N o reducir la resistencia es que los devanados ocupan más espacio entre las piezas del núcleo del imán. Si el área disponible para los devanados se llena, se requieren más vueltas para un diámetro de cable más pequeño, que tiene mayor resistencia, lo que cancela la ventaja de usar más vueltas. Por lo tanto, en los imanes grandes hay una cantidad mínima de pérdida de calor que no se puede reducir. Esta aumenta con el cuadrado del flujo magnético B ² .

Picos de tensión inductivos

Un electroimán tiene una inductancia significativa y resiste los cambios en la corriente a través de sus bobinados. Cualquier cambio repentino en la corriente del bobinado provoca grandes picos de voltaje a través de los bobinados. Esto se debe a que cuando la corriente a través del imán aumenta, como cuando se enciende, la energía del circuito debe almacenarse en el campo magnético. Cuando se apaga, la energía del campo se devuelve al circuito.

Si se utiliza un interruptor normal para controlar la corriente del devanado, esto puede provocar chispas en los terminales del interruptor. Esto no ocurre cuando se enciende el imán, porque la tensión de alimentación limitada hace que la corriente a través del imán y la energía del campo aumenten lentamente, pero cuando se apaga, la energía del campo magnético se devuelve repentinamente al circuito, lo que provoca un gran pico de tensión y un arco a través de los contactos del interruptor, lo que puede dañarlos. Con pequeños electroimanes, a veces se utiliza un condensador a través de los contactos, lo que reduce la formación de arcos al almacenar temporalmente la corriente. Más a menudo se utiliza un diodo para evitar picos de tensión proporcionando un camino para que la corriente recircule a través del devanado hasta que la energía se disipe en forma de calor. El diodo está conectado a través del devanado, orientado de modo que esté polarizado inversamente durante el funcionamiento en estado estable y no conduzca. Cuando se elimina la tensión de alimentación, el pico de tensión polariza directamente el diodo y la corriente reactiva continúa fluyendo a través del devanado, a través del diodo y de regreso al devanado. Un diodo utilizado de esta manera se llama diodo de rueda libre o diodo flyback .

Los electroimanes de gran tamaño suelen estar alimentados por fuentes de alimentación electrónicas de corriente variable , controladas por un microprocesador , que evitan los picos de tensión al realizar los cambios de corriente lentamente, en rampas suaves. Puede llevar varios minutos activar o desactivar un imán de gran tamaño.

Fuerzas de Lorentz

En los electroimanes potentes, el campo magnético ejerce una fuerza sobre cada espira de los devanados, debido a la fuerza de Lorentz que actúa sobre las cargas móviles dentro del cable. La fuerza de Lorentz es perpendicular tanto al eje del cable como al campo magnético. Se puede visualizar como una presión entre las líneas del campo magnético , que las separa. Tiene dos efectos sobre los devanados de un electroimán: ${\displaystyle q\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$

• Las líneas de campo dentro del eje de la bobina ejercen una fuerza radial sobre cada espira de los devanados, que tiende a empujarlos hacia afuera en todas las direcciones, lo que provoca una tensión de tracción en el cable.
• Las líneas de campo de fuga entre cada vuelta de la bobina ejercen una fuerza de atracción entre las vueltas adyacentes, tendiendo a unirlas. ^{[ cita requerida ]}

Las fuerzas de Lorentz aumentan con B ² . En los electroimanes grandes, los devanados deben estar firmemente sujetos en su lugar, para evitar que el movimiento durante el encendido y apagado provoque fatiga del metal en los devanados. En el diseño de Bitter , que se muestra a continuación, utilizado en imanes de investigación de campo muy alto, los devanados están construidos como discos planos para resistir las fuerzas radiales y sujetos en dirección axial para resistir las axiales.

Pérdidas de núcleo

En los electroimanes de corriente alterna (CA), utilizados en transformadores , inductores y motores y generadores de CA , el campo magnético cambia constantemente. Esto provoca pérdidas de energía en sus núcleos magnéticos que se disipan en forma de calor en el núcleo. Las pérdidas se originan en dos procesos:

• Corrientes de Foucault : De acuerdo con la ley de inducción de Faraday , el campo magnético cambiante induce corrientes eléctricas circulantes en el interior de los conductores cercanos, llamadas corrientes de Foucault . La energía de estas corrientes se disipa en forma de calor en la resistencia eléctrica del conductor, por lo que son una causa de pérdida de energía. Dado que el núcleo de hierro del imán es conductor y la mayor parte del campo magnético se concentra allí, las corrientes de Foucault en el núcleo son el principal problema. Las corrientes de Foucault son bucles cerrados de corriente que fluyen en planos perpendiculares al campo magnético. La energía disipada es proporcional al área encerrada por el bucle. Para evitarlas, los núcleos de los electroimanes de CA están hechos de pilas de láminas de acero delgadas, o laminaciones , orientadas en paralelo al campo magnético, con un revestimiento aislante en la superficie. Las capas de aislamiento evitan que la corriente de Foucault fluya entre las láminas. Cualquier corriente de Foucault restante debe fluir dentro de la sección transversal de cada laminación individual, lo que reduce en gran medida las pérdidas. Otra alternativa es utilizar un núcleo de ferrita , que no es conductor.
• Pérdidas por histéresis : La inversión de la dirección de magnetización de los dominios magnéticos en el material del núcleo en cada ciclo provoca una pérdida de energía, debido a la coercitividad del material. Estas pérdidas se denominan histéresis . La energía perdida por ciclo es proporcional al área del bucle de histéresis en el gráfico BH . Para minimizar esta pérdida, los núcleos magnéticos utilizados en transformadores y otros electroimanes de CA están hechos de materiales "blandos" de baja coercitividad, como acero al silicio o ferrita blanda . La pérdida de energía por ciclo de la corriente alterna es constante para cada uno de estos procesos, por lo que la pérdida de potencia aumenta linealmente con la frecuencia .

Electroimanes de alto campo

Electroimanes superconductores

El electroimán más potente del mundo, el imán superconductor híbrido Bitter de 45 T, en el Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos de Estados Unidos, en Tallahassee, Florida, EE.UU.

Cuando se necesita un campo magnético superior al límite ferromagnético de 1,6 T, se pueden utilizar electroimanes superconductores . En lugar de utilizar materiales ferromagnéticos, estos utilizan devanados superconductores enfriados con helio líquido , que conducen la corriente sin resistencia eléctrica . Estos permiten que fluyan enormes corrientes, que generan campos magnéticos intensos. Los imanes superconductores están limitados por la intensidad del campo en el que el material del devanado deja de ser superconductor. Los diseños actuales están limitados a 10-20 T, con el récord actual (2017) de 32 T. ^{[22] [23]} El equipo de refrigeración necesario y el criostato los hacen mucho más caros que los electroimanes ordinarios. Sin embargo, en aplicaciones de alta potencia esto se puede compensar con menores costes operativos, ya que tras el arranque no se requiere energía para los devanados, ya que no se pierde energía por calentamiento óhmico. Se utilizan en aceleradores de partículas y máquinas de resonancia magnética .

Electroimanes amargos

Tanto los electroimanes con núcleo de hierro como los superconductores tienen límites en el campo que pueden producir. Por lo tanto, los campos magnéticos artificiales más potentes han sido generados por electroimanes no superconductores con núcleo de aire de un diseño inventado por Francis Bitter en 1933, llamados electroimanes Bitter . ^[24] En lugar de bobinados de alambre, un imán Bitter consiste en un solenoide hecho de una pila de discos conductores, dispuestos de manera que la corriente se mueve en un camino helicoidal a través de ellos, con un orificio en el centro donde se crea el campo máximo. Este diseño tiene la resistencia mecánica para soportar las fuerzas extremas de Lorentz del campo, que aumentan con B ² . Los discos están perforados con orificios a través de los cuales pasa agua de refrigeración para eliminar el calor causado por la alta corriente. El campo continuo más fuerte logrado únicamente con un imán resistivo es de 41,5 teslas al 22 de agosto de 2017 ^[update], producido por un electroimán Bitter en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahassee , Florida . ^{[25] [26]} El récord anterior fue de 37,5 T. ^[27] El campo magnético continuo más fuerte en general, 45 T, ^[24] se logró en junio de 2000 con un dispositivo híbrido que consistía en un imán Bitter dentro de un imán superconductor.

El factor que limita la fuerza de los electroimanes es la incapacidad de disipar el enorme calor residual, por lo que se han obtenido campos más potentes, de hasta 100 T, ^[23] a partir de imanes resistivos enviando breves pulsos de alta corriente a través de ellos; el período inactivo después de cada pulso permite eliminar el calor producido durante el pulso, antes del siguiente pulso.

Compresión de flujo bombeada explosivamente

Un generador de compresión de flujo bombeado por explosivos de tipo tubo hueco. El tubo hueco de cobre actúa como un devanado secundario de una sola vuelta de un transformador; cuando el pulso de corriente del condensador en los devanados crea un pulso de campo magnético, esto crea una fuerte corriente circunferencial en el tubo, atrapando las líneas de campo magnético en su interior. Luego, los explosivos colapsan el tubo, reduciendo su diámetro, y las líneas de campo se ven forzadas a acercarse, aumentando el campo.

Los campos magnéticos artificiales más potentes ^[28] se han creado mediante el uso de explosivos para comprimir el campo magnético dentro de un electroimán a medida que se pulsa; estos se denominan generadores de compresión de flujo bombeados explosivamente . La implosión comprime el campo magnético a valores de alrededor de 1000 T ^[24] durante unos pocos microsegundos. Si bien este método puede parecer muy destructivo, la conformación de carga redirige la explosión hacia afuera para minimizar el daño al experimento. Estos dispositivos se conocen como electroimanes pulsados ​​destructivos. ^[29] Se utilizan en la investigación de la física y la ciencia de los materiales para estudiar las propiedades de los materiales en campos magnéticos altos.

Definición de términos

Véase también

• Imán dipolar : la forma más básica de imán.
• Electromagnetismo
• Imán electropermanente : una disposición de electroimanes magnéticamente duros
• Bobina de campo
• Cojinete magnético
• Imán de campo pulsado
• Imán cuadrupolo : una combinación de imanes y electroimanes que se utiliza principalmente para afectar el movimiento de partículas cargadas.

Referencias

1. Nave, Carl R. (2012). "Electroimán". Hiperfísica . Departamento de Física y Astronomía, Universidad Estatal de Georgia. Archivado desde el original el 22 de septiembre de 2014. Consultado el 17 de septiembre de 2014 .
2. Merzouki, Rochdi; Samantaray, Arun Kumar; Pathak, Pushparaj Mani (2012). Sistemas mecatrónicos inteligentes: modelado, control y diagnóstico. Springer Science & Business Media. págs. 403–405. ISBN 978-1447146285. Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2016.
3. Sturgeon, W. (1825). "Aparato electromagnético mejorado". Trad. Royal Society of Arts, Manufactures, & Commerce . 43 : 37–52.citado en Miller, TJE (2001). Control electrónico de máquinas de reluctancia conmutada. Newnes. pág. 7. ISBN 978-0-7506-5073-1. Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2016.
4. Windelspecht, Michael. Experimentos científicos innovadores, inventos y descubrimientos del siglo XIX Archivado el 11 de enero de 2017 en Wayback Machine , xxii, Greenwood Publishing Group, 2003, ISBN 0-313-31969-3 . 
5. Cavicchi, Elizabeth. "Experimentación en serie y en paralelo con electroimanes" (PDF) . Pavia Project Physics, Univ. de Pavia, Italia. Archivado (PDF) del original el 15 de marzo de 2016. Consultado el 22 de agosto de 2015 .
6. Sherman, Roger (2007). "Contribuciones de Joseph Henry al electroimán y al motor eléctrico". The Joseph Henry Papers . The Smithsonian Institution. Archivado desde el original el 8 de junio de 2012. Consultado el 27 de agosto de 2008 .
7. "Multiplicador de Schweigger – 1820". Maglab . Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos. Archivado desde el original el 17 de octubre de 2017 . Consultado el 17 de octubre de 2017 .
8. Dawes, Chester L. (1967). "Ingeniería eléctrica". En Baumeister, Theodore (ed.). Manual estándar para ingenieros mecánicos (7.ª ed.). McGraw-Hill. págs. 15-105.
9. Dawes 1967, pág. 15-105-15-106
10. Dawes 1967, pág. 15-106, Tabla 25
11. Dawes 1967, pág. 15-106
12. Underhill, Charles R. (1906). El electroimán. D. Van Nostrand. p. 113. Archivado desde el original el 1 de mayo de 2016.
13. Millikin, Robert; Bishop, Edwin (1917). Elementos de electricidad. Chicago: American Technical Society. págs. 125.
14. Fleming, John Ambrose (1892). Short Lectures to Electrical Artisans, 4.ª ed. Londres: E.& FN Spon. págs. 38–40. Archivado desde el original el 11 de enero de 2017.
15. Gates, Earl (2013). Introducción a la tecnología básica de electricidad y electrónica. Cengage Learning. pág. 184. ISBN 978-1133948513. Archivado desde el original el 10 de enero de 2017.
16. Shipman, James; Jerry, Wilson; Todd, Aaron (2009). Introducción a la ciencia física (12.ª ed.). Cengage Learning. págs. 205-206. ISBN 978-1111810283. Archivado desde el original el 11 de enero de 2017.
17. " Los niveles de flujo de saturación de varios materiales magnéticos varían hasta 24,5 kilogauss " (2,5 T) p.1 " El acero al silicio se satura a unos 17 kilogauss " (1,7 T) p.3 Pauley, Donald E. (marzo de 1996). "Magnetismo de fuentes de alimentación, parte 1: selección del material del núcleo del transformador/inductor". Conversión de potencia y movimiento inteligente . Archivado desde el original el 24 de diciembre de 2014. Consultado el 19 de septiembre de 2014 .
18. El material de núcleo magnético más utilizado, el acero al silicio al 3 %, tiene una inducción de saturación de 20 kilogauss (2 T). "Material Properties, 3% grain-oriented silicon steel". Catálogo . Magnetic Materials Co. 2013. p. 16. Archivado desde el original el 20 de septiembre de 2014 . Consultado el 19 de septiembre de 2014 .
19. " El acero magnético se satura completamente a aproximadamente 2 T " Short, Thomas Allen (2003). Manual de distribución de energía eléctrica. CRC Press. p. 214. ISBN 978-0203486504.
20. Feynman, Richard P. (1963). Lectures on Physics, vol. 2. Nueva York: Addison-Wesley. págs. 36-9 a 36-11, ec. 36-26. ISBN 978-8185015842.
21. Fitzgerald, A.; Kingsley, Charles; Kusko, Alexander (1971). Maquinaria eléctrica, 3.ª ed . EE. UU.: McGraw-Hill. págs. 3–5.
22. "Imán superconductor de 32 teslas". Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos (EE. UU.) 2018.
23. "Mag Lab World Records". Media Center . Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos, EE. UU. 2008. Archivado desde el original el 2008-10-07 . Consultado el 2008-08-31 .
24. Coyne, Kristin (2008). "Imanes: de pequeños a poderosos". Magnet Lab U. Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos. Archivado desde el original el 17 de septiembre de 2008. Consultado el 31 de agosto de 2008 .
25. "MagLab recupera el récord del imán resistivo más potente". Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos. 22 de agosto de 2017. Consultado el 14 de mayo de 2023 .
26. Toth, J.; Bole, ST (abril de 2018). ""Diseño, construcción y primera prueba de un imán totalmente resistivo de 41,5 T en el NHMFL en Tallahassee,"". IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 28 (3). IEEE: 1–4. Bibcode :2018ITAS...2875578T. doi : 10.1109/TASC.2017.2775578 . S2CID  7923594.
27. "HFML establece un récord mundial con un nuevo imán de 37,5 teslas". High Field Magnet Laboratory. 31 de marzo de 2014. Archivado desde el original el 4 de septiembre de 2015. Consultado el 21 de mayo de 2014 .
28. "¿Cuál es el imán más potente del mundo?". Apex magnets. Noviembre de 2014. Archivado desde el original el 5 de febrero de 2017. Consultado el 5 de febrero de 2017 .
29. Coyne, Kristin (2008). "7. Imanes pulsados: breves momentos brillantes". Imanes desde pequeños hasta poderosos . Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos . Archivado desde el original el 20 de diciembre de 2014. Consultado el 21 de mayo de 2014 .

Enlaces externos

• Electroimanes - Las conferencias Feynman sobre física