Corriente (I) a través de un alambre produce un campo magnético (B). El campo está orientado según la regla de la derecha.,
Las líneas de campo magnético de una corriente de bucle de alambre de pasar por el centro del bucle, concentrar el campo
El campo magnético generado por el paso de una corriente a través de una bobina
Una corriente eléctrica que fluye en el alambre, crea un campo magnético alrededor del alambre, debido a la ley de Ampere (ver dibujo abajo)., Para concentrar el campo magnético, en un electroimán, el alambre se enrolla en una bobina con muchas vueltas de alambre uno al lado del otro. El campo magnético de todas las vueltas del alambre pasa a través del centro de la bobina, creando un campo magnético fuerte allí. Una bobina que forma la forma de un tubo recto (una hélice) se llama solenoide.
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 derecha., Si los dedos de la mano derecha están enrollados 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.
se pueden producir campos magnéticos mucho más fuertes si un «núcleo magnético» de un material ferromagnético blando (o ferrimagnético), como el hierro, se coloca dentro de la bobina., Un núcleo puede aumentar el campo magnético a miles de veces la fuerza del campo de la bobina debido a la alta permeabilidad magnética µ del material. Esto se denomina electroimán de núcleo ferromagnético o de núcleo de hierro. Sin embargo, no todos los electroimanes utilizan núcleos, y los electroimanes más fuertes, como los superconductores y los electroimanes de corriente muy alta, no pueden usarlos debido a la saturación.
ampere’s lawEdit
para las definiciones de las variables a continuación, consulte el cuadro al final del artículo.,
el campo magnético de los electroimanes en el caso general está dado por la Ley de Ampere:
∫ J ⋅ d A = H H ⋅ D l {\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d\mathbf {l} }
que dice que la integral del campo de magnetización h alrededor de cualquier bucle cerrado del campo 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. Calcular el campo magnético y la fuerza ejercida por los materiales ferromagnéticos es difícil por dos razones., Primero, porque la fuerza del campo varía de un punto a otro de una manera complicada, particularmente fuera del núcleo y en espacios de aire, donde se deben considerar los campos de flecos y el flujo de fuga. En segundo lugar, porque el campo magnético B y la fuerza son funciones no lineales de la corriente, dependiendo de la relación no lineal entre B Y H para el material de núcleo particular utilizado. Para cálculos precisos, se emplean programas informáticos que pueden producir un modelo del campo magnético utilizando el método de elementos finitos.,
núcleo Magnéticoeditar
el material de un núcleo magnético (a menudo hecho de hierro o acero) se compone de pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos que actúan como pequeños imanes (véase ferromagnetismo). Antes de que la corriente en el electroimán se encienda, los dominios en el núcleo de hierro apuntan en direcciones aleatorias, por lo que sus campos magnéticos diminutos se cancelan entre sí, y el hierro no tiene un campo magnético a gran escala., Cuando una corriente pasa a través del alambre envuelto alrededor del hierro, su campo magnético penetra en el hierro, y hace que los dominios giren, alineándose paralelos al campo magnético, por lo que sus campos magnéticos diminutos se suman al campo del alambre, creando un gran campo magnético que se extiende en el espacio alrededor del imán. El efecto del núcleo es concentrar el campo, y el campo magnético pasa a través del núcleo más fácilmente de lo que pasaría a través del aire.
cuanto más grande es la corriente que pasa a través de la bobina de alambre, más se alinean los dominios y más fuerte es el campo magnético., Finalmente, todos los dominios están alineados, y nuevos aumentos en la corriente solo causan ligeros aumentos en el campo magnético: este fenómeno se llama saturación.
Cuando la corriente en la bobina se apaga, en los materiales magnéticamente blandos que casi siempre se utilizan como núcleos, la mayoría de los dominios pierden alineación y vuelven a un estado aleatorio y el campo desaparece. Sin embargo, parte de la alineación persiste, porque los dominios tienen dificultades para girar su dirección de magnetización, dejando el núcleo 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 por desgaussing. 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.
circuito magnético – la aproximación constante del campo beditar
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 bf – «campos de flecos». En los espacios G Las líneas de campo magnético «sobresalen», por lo que la fuerza del campo es menor que en el núcleo: BF < B
BL – flujo de fuga; líneas de campo magnético que no siguen el circuito magnético completo
L – Longitud media del circuito magnético utilizado en la ecualización. 1 INFRA. Es la suma de la longitud Lcore en las piezas de núcleo de hierro y la longitud Lgap en los huecos de aire G.
tanto el flujo de fuga como los campos de flecos se hacen más grandes a medida que se aumentan los huecos, reduciendo la fuerza ejercida por el imán.,
en muchas aplicaciones prácticas de electroimanes, como motores, generadores, transformadores, imanes de elevación y altavoces, el núcleo de hierro tiene la forma de un bucle o circuito magnético, posiblemente roto por unos estrechos espacios de aire. Esto se debe a que las líneas del campo magnético están en forma de bucles cerrados. 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 de la trayectoria del campo magnético está dentro del núcleo.,
dado que la mayor parte del campo magnético está confinado dentro de los contornos del bucle central, esto permite una simplificación del análisis matemático. Ver el dibujo a la derecha. Una suposición simplificadora común satisfecha por muchos electroimanes, que se utilizará en esta sección, es que la fuerza 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 a lo largo de su longitud, el campo en el núcleo será constante. Esto solo deja los espacios de aire (G), si los hay, entre las secciones principales. En los huecos, las líneas del campo magnético ya no están confinadas por el núcleo, por lo que «sobresalen» más allá de los contornos del núcleo antes de curvarse hacia atrás para ingresar a la siguiente pieza de Material del núcleo, reduciendo la fuerza del campo en el hueco. Los bultos (BF) se llaman campos de flecos., Sin embargo, mientras la longitud de la brecha sea menor que las dimensiones de la sección transversal del núcleo, el campo en la brecha será aproximadamente el mismo que en el núcleo. Además, algunas de las líneas de campo magnético (BL) tomarán ‘atajos’ y no pasarán a través de todo el circuito del núcleo, y por lo tanto no contribuirán a la fuerza ejercida por el imán. Esto también incluye líneas de campo que rodean los devanados del cable, pero no entran en el núcleo. Esto se llama flujo de fuga., Por lo tanto, las ecuaciones en esta sección son válidas para electroimanes para los cuales:
- El circuito magnético es un solo bucle de Material del núcleo, posiblemente roto por unos pocos espacios de aire
- El núcleo tiene aproximadamente la misma área de sección transversal a lo largo de su longitud.
- cualquier espacio de aire entre las secciones del material del núcleo no es grande en comparación con las dimensiones de la sección transversal del núcleo.
- hay flujo de fuga insignificante
La principal característica no lineal de los materiales ferromagnéticos es que el campo B satura a un cierto valor, que es alrededor de 1.,6 a 2 teslas (T) para la mayoría de los aceros de núcleo de alta permeabilidad. El campo B aumenta rápidamente con el aumento de la corriente hasta ese valor, pero por encima de ese valor el campo se nivela y se vuelve casi constante, independientemente de cuánta corriente se envíe a través de los devanados. Por lo tanto, la fuerza máxima del campo magnético posible de un electroimán de núcleo de hierro se limita a alrededor de 1,6 A 2 T.,
campo magnético creado por una currentEdit
el campo magnético creado por un electroimán es proporcional tanto al número de vueltas en el devanado, N, y la corriente en el cable, I, por lo tanto este producto, NI, en amperios-vueltas, se le da el nombre de Fuerza magnetomotriz.,circuito agnético, cuya longitud Lcore de la trayectoria del campo magnético está en el material del núcleo y longitud Lgap está en espacios de aire, la Ley de Ampere se reduce a:
N I = H c O R E L c O R E + H G A p L G A p {\displaystyle ni=H_{\mathrm {core} }L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {gap} }l_{\mathrm {gap} }\,} n i = B ( L c O R E μ + L G A P μ 0 ) ( 1 ) {\displaystyle ni=B\left({\frac {l_{\mathrm {Core} }}{\mu }}+{\frac {L_{\mathrm {gap} }}{\Mu _{0}}}\right)\qquad \qquad \qquad \qquad\ qquad (1)\,} donde μ = b / h {\displaystyle\ mu =b/h\,} es la permeabilidad magnética del material del núcleo en el campo B particular utilizado., μ 0=4 π ( 10 − 7 ) N ⋅ A − 2 {\displaystyle \mu _{0} = 4\pi (10^{-7})\ \mathrm {N} \cdot \mathrm {a} ^{-2}} es la permeabilidad del espacio libre (o aire); tenga en cuenta que a {\displaystyle \mathrm {a} } en esta definición es amperios.
Esta es una ecuación no lineal, porque la permeabilidad del núcleo, μ, varía con el campo magnético 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. Si B es Desconocido, la ecuación debe ser resuelta por métodos numéricos., Sin embargo, si la Fuerza magnetomotriz está muy por encima de la saturación, por lo que el material del núcleo está en saturación, el campo magnético será aproximadamente el valor de saturación Bsat 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 saturan a una Fuerza magnetomotriz de aproximadamente 800 amperios por metro de trayectoria de flujo.
para la mayoría de los materiales de núcleo, μ r = μ / μ 0 ≈ 2000-6000 {\displaystyle \ mu_{r} = \mu /\mu _{0}\approx 2000-6000\,} . Así que en la ecuación (1) anterior, el segundo término domina., Por lo tanto, en circuitos magnéticos con un espacio de aire, la fuerza del campo magnético B depende en gran medida de la longitud del espacio de aire, y la longitud de la trayectoria del flujo en el núcleo no importa mucho. Dado un espacio de aire de 1 mm, se requiere una Fuerza magnetomotriz de aproximadamente 796 amperios-vueltas para producir un campo magnético de 1t.,
la Fuerza magnética ejercida por fieldEdit
La fuerza ejercida por un electroimán en una sección de material de la base es:
F = B 2 2 µ 0 ( 2 ) {\displaystyle F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (2)\,}
cuando Un {\displaystyle Un} es el área de sección transversal del núcleo. La ecuación de fuerza se puede derivar de la energía almacenada en un campo magnético. La energía es fuerza por Distancia. Reorganizar los Términos produce la ecuación anterior.
El 1.,6 t límite en el campo mencionado anteriormente establece un límite en la fuerza máxima por unidad de área del núcleo, o presión magnética, que un electroimán de núcleo de hierro puede ejercer; aproximadamente:
F A = B S A t 2 2 μ 0 ≈ 1000 k p a = 10 6 N / m 2 = 145 l b f ⋅ I n-2 {\displaystyle {\frac {F}{A}}={\frac {B_{sat}^{2}}{2\mu _{0}}}\approx 1000\ \mathrm {kPa} =10^{6}\mathrm {n/m^{2}} =145\ \mathrm {lbf} \cdot \mathrm {in} ^{-2}\,}
en unidades más intuitivas es útil recordar que a 1 T la presión magnética es de aproximadamente 4 atmósferas, o kg/cm2.,
dada una geometría de núcleo, el campo B necesario para una fuerza dada se puede calcular a partir de (2); si sale a mucho más de 1.6 T, se debe usar un núcleo más grande.
circuito magnético Cerradoeditar
sección transversal del electroimán de elevación como la de la foto de arriba, que muestra la construcción cilíndrica. Los devanados (C) son tiras de cobre planas para soportar la fuerza de Lorentz del campo magnético. El núcleo está formado por la gruesa carcasa de hierro (D) que envuelve los devanados.,circuito ic (sin espacio de aire), como se encontraría en un electroimán que levanta una pieza de hierro puenteada a través de sus polos, la ecuación (1) se convierte en: B = N I μ L ( 3 ) {\displaystyle B={\frac {NI\mu }{L}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad\ qquad\qquad (3)\,}
sustituyendo en (2), la fuerza es:
F = μ 2 N 2 i 2 a 2 μ 0 L 2 ( 4) {\displaystyle F={\frac {\Mu ^{2}n^{2}I^{2}a}{2 \mu _{0}L^{2}}} \qquad \qquad \qquad\ qquad \ qquad (4)\,}
se puede ver que para maximizar la fuerza, se prefiere un núcleo con un camino de flujo corto l y un área de Sección transversal amplia a (esto también se aplica a los imanes con un espacio de aire)., Para lograr esto, en aplicaciones como los imanes de elevación (ver foto arriba) y los altavoces se utiliza a menudo un diseño cilíndrico plano. El devanado se envuelve alrededor de un núcleo cilíndrico corto y ancho que forma un polo, y una carcasa metálica gruesa que se envuelve alrededor del exterior de los devanados forma la otra parte del circuito magnético, llevando el campo magnético al frente para formar el otro polo.,
fuerza entre electroimáneseditar
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 sería un imán con un núcleo cilíndrico recto como el que se muestra en la parte superior de este artículo., Para electroimanes (o imanes permanentes) con ‘polos’ bien definidos donde las líneas de campo emergen del núcleo, la fuerza entre dos electroimanes se puede encontrar utilizando el ‘modelo de Gilbert’ que asume que el campo magnético es producido por ‘cargas magnéticas’ ficticias en la superficie de los polos, con fuerza de polo m y unidades de amperímetro de giro., La fuerza del polo magnético de los electroimanes se puede encontrar a partir de:
m = N I A L {\displaystyle m={\frac {NIA}{L}}}
la fuerza entre dos polos es:
F = μ 0 m 1 m 2 4 π r 2 {\displaystyle F={\frac {\mu _{0}m_{1}m_{2}}{4\pi r^{2}}}}
Este modelo no dar el campo magnético correcto dentro del núcleo y por lo tanto da resultados incorrectos si el polo de un imán se acerca demasiado a otro imán.