Qué es la permeabilidad magnética

El concepto de permeabilidad magnética indica la velocidad a la que un material permite que las líneas de campo magnético pasen a través de él. En términos menos técnicos, es una medida de la facilidad con la que un material puede conducir el magnetismo a través de él, de forma similar a la conductividad eléctrica, que es una medida de la facilidad con la que puede conducir la electricidad.

Este hecho describe por qué materiales como el hierro se convierten en potentes imanes, mientras que la madera o el plástico no. Los materiales altamente permeables son capaces de concentrar las líneas magnéticas, lo que resulta valioso en motores, transformadores e inductores.

Permeabilidad magnética Definición

El grado en que un material transporta un campo magnético en su interior se denomina permeabilidad magnética. Narra la respuesta del material a la aplicación de un campo magnético.

Considere las líneas magnéticas como agua en una tubería; un material muy permeable se asemeja a una tubería ancha que deja pasar fácilmente el magnetismo. La representación de la permeabilidad es m (mu), y es un parámetro importante en los cálculos magnéticos.

Permeabilidad magnética del espacio libre 

Permeabilidad magnética del espacio libre, comúnmente denominada μ₀ (es una propiedad del magnetismo en el vacío. Tiene un valor constante de 4π × 10-⁷ H/m (henrios por metro).

Esto se puede utilizar para trazar una comparación del comportamiento magnético de otros materiales. En el caso de la permeabilidad relativa, siempre se debe a que se mide con respecto a μ₀.

Relación entre B y H; permeabilidad μ definición.

La permeabilidad conecta dos términos importantes en magnetismo, la densidad de flujo magnético (B) y la intensidad de campo magnético (H), mediante la ecuación:

B = μH

En este caso, B representa el campo magnético global dentro del material, H es el campo aplicado y μ es la intensidad de respuesta del material.

En caso de que m sea alto, el material se magnetiza fácilmente; en caso de que sea bajo, no se magnetiza fácilmente.

Visión microscópica frente a macroscópica; permeabilidad incremental

A escala microscópica, la permeabilidad magnética viene determinada por la alineación de pequeños imanes atómicos (dipolos) con un campo externo. En sustancias como el hierro, los átomos están orientados en gran número, lo que las hace muy permeables.

A escala macroscópica, la permeabilidad es un término utilizado para describir el comportamiento global del material como entidad y puede variar con la intensidad del campo, la temperatura o la frecuencia.

El pequeño cambio en el flujo magnético por el pequeño cambio en el campo aplicado es el permeabilidad incremental. También puede ser útil en la investigación del comportamiento de los materiales ante campos magnéticos alternos o variables, incluidos transformadores y circuitos electrónicos.

Fórmula de permeabilidad magnética
 Para estudiar la permeabilidad magnética en la vida real, utilizamos fórmulas. Éstas ayudan a calcular cómo actúan los campos magnéticos en el interior de distintos materiales. Con estas ecuaciones, los ingenieros pueden comparar materiales, diseñar mejores dispositivos magnéticos y predecir la capacidad de una sustancia para transportar magnetismo.

Símbolos/Unidades y Variables

En las ecuaciones magnéticas se utilizan tres símbolos principales: B, Hy μ.

• B significa densidad de flujo magnético, medido en tesla (T). Muestra el campo magnético total dentro del material.
• H representa intensidad del campo magnético, medido en amperios por metro (A/m). Muestra la intensidad del campo magnético aplicado.
• μ es el permeabilidad magnética, que muestra cuánto flujo magnético se produce en el interior del material para un campo aplicado determinado.

Juntos, forman la ecuación básica B = μH.

Unidad de permeabilidad magnética

La norma Unidad SI de la permeabilidad magnética es el henry por metro (H/m). También puede expresarse como tesla metro por amperio (T-m/A) porque 1 henrio equivale a 1 tesla metro por amperio.

Esta unidad describe cuánto campo magnético (en tesla) se genera para una intensidad de corriente dada por metro de material.

Fórmula dimensional

La fórmula dimensional de la permeabilidad magnética puede deducirse de la ecuación B = μH.
  Lo sabemos:

• B tiene dimensiones [M¹ L⁰ T-² I-¹]
• H tiene dimensiones [I L-¹]

Por lo tanto,
  μ = B / H = [M¹ L¹ T-² I-²]

Por lo tanto, la fórmula dimensional de la permeabilidad magnética es M¹ L¹ T-² I-², que representa su dependencia de la masa, la longitud, el tiempo y la corriente eléctrica.

Unidades de permeabilidad magnética relativa

Permeabilidad magnética relativa (μᵣ) es un cantidad adimensional. Representa la relación entre la permeabilidad del material (μ) y la permeabilidad del espacio libre (μ₀):
  μᵣ = μ / μ₀

Dado que tanto μ como μ₀ tienen las mismas unidades, su cociente tiene ninguna unidad. Esto hace que μᵣ sea un número puro que se utiliza para comparar materiales fácilmente.

Permeabilidad relativa y susceptibilidad magnética
  La permeabilidad relativa y la susceptibilidad magnética describen cómo reaccionan los materiales a los campos magnéticos. Permeabilidad muestra la facilidad con que un campo magnético atraviesa un material, mientras que susceptibilidad muestra con qué intensidad se magnetiza el material. Juntos, explican el comportamiento magnético de distintas sustancias.

μᵣ = μ/μ₀; χₘ = μᵣ - 1
  Permeabilidad relativa (μᵣ) es la relación entre la permeabilidad de un material (μ) a la permeabilidad del espacio libre (μ₀). Indica lo mejor o peor que un material transporta el flujo magnético en comparación con el vacío.
  Susceptibilidad magnética (χₘ) mide cuánta magnetización se produce en el interior del material. Están relacionados por χₘ = μᵣ - 1, lo que significa que a mayor μᵣ mayor χₘ.

Susceptibilidad magnética
  Susceptibilidad magnética (χₘ) muestra la facilidad con la que un material se magnetiza. Si χₘ es positivo, el material es atraído por imanes (como el hierro - paramagnético o ferromagnético). Si χₘ es negativo, se repele ligeramente (diamagnético). Esto ayuda a identificar cómo se alinean los átomos con un campo magnético.

Relación con la susceptibilidad y la μ₀.
  La permeabilidad y la susceptibilidad están relacionadas mediante la fórmula μ = μ₀(1 + χₘ). Demuestra que la permeabilidad total depende tanto de la permeabilidad del vacío como de la susceptibilidad del material. Cuando χₘ aumenta, μ también aumenta, lo que significa que el material soporta un campo magnético más intenso.

Relación entre χ y μᵣ

 El simple vínculo entre ellos es μᵣ = 1 + χₘ.
  Si χₘ = 0, entonces μᵣ = 1 (como el aire o el vacío).
 Los materiales ferromagnéticos tienen χₘ altos y μᵣ muy grandes, mientras que los materiales diamagnéticos tienen χₘ negativos pequeños y μᵣ justo por debajo de 1. Esta relación ayuda a clasificar los materiales por su comportamiento magnético.

Tipos de permeabilidad magnética

La permeabilidad magnética no es un valor constante. Varía en función del material y del campo de aplicación, la intensidad y otras condiciones como la temperatura o la frecuencia. A continuación se definen varias clases de permeabilidad, que describen el comportamiento de los materiales al desplazarse por determinados campos magnéticos o condiciones de señal en los campos magnéticos estacionarios y alternos.

Permeabilidad absoluta (μ)

La permeabilidad real de un material en henrios por metro (H/m) se conoce como permeabilidad absoluta (μ). Es la suma de todas las capacidades conductoras de ese material frente al flujo magnético. La permeabilidad absoluta contiene el efecto de la estructura atómica, así como las condiciones del campo externo del material.

Es útil para la base de cálculo, y luego se compara con el espacio libre o medidas relativas.

Permeabilidad relativa (μᵣ)

La permeabilidad relativa (μᵣ) es la relación entre la permeabilidad de un material y la permeabilidad del espacio libre. Es la relación entre la cantidad de campo magnético que puede transportar una sustancia y la que puede transportar el vacío.

Por ejemplo, cuando μᵣ es igual a 1000 para el hierro blando, significa que el hierro blando es capaz de conducir el flujo magnético 1000 veces mejor que el aire.

Amplitud, máxima, inicial, incremental, reversible, compleja

Los distintos tipos de permeabilidad ayudan a los científicos a comprender cómo se comportan los materiales en diferentes condiciones ambientales.

Permeabilidad de amplitud es el valor que aparece cuando el campo magnético sufre cambios sinusoidales.

Permeabilidad inicial - la permeabilidad a campos magnéticos muy bajos.

Permeabilidad máxima es el valor máximo medido antes de que los materiales se saturen.

Permeabilidad incremental es la permeabilidad de pequeña señal alrededor de un punto de polarización específico.

Permeabilidad reversible es el comportamiento de los materiales en los casos en que la dirección de los campos magnéticos se invierte por completo.

En permeabilidad compleja es aplicable en campos alternos que presentan pérdidas de potencia y desplazamientos de fase.

Tipos de materiales magnéticos

Los científicos ordenan los materiales magnéticos en función de su respuesta al campo magnético. Los materiales muestran una resistencia variable al campo magnético: algunos materiales son muy resistentes y otros tienen una resistencia débil, y otros son muy atractivos. El conocimiento de la permeabilidad y la susceptibilidad se utiliza en la selección de materiales adecuados para su trabajo magnético y electrónico, en función del comportamiento de los materiales.

Categorías de permeabilidad magnética

Los científicos agrupan los materiales magnéticos en tres grandes categorías. Tales como:

Materiales ferromagnéticos

Los materiales ferromagnéticos presentan el mayor grado de permeabilidad, ya que son fuertemente atraídos por un campo magnético.

Los dipolos atómicos de estos materiales son paralelos entre sí y, por tanto, dan lugar a un valor de permeabilidad enormemente grande, miles de veces superior a los valores del espacio libre.

Estos materiales se utilizan en la construcción de motores y transformadores y en el desarrollo de núcleos magnéticos, pero sus características de permeabilidad disminuyen al aumentar la temperatura o el campo magnético. Los materiales se vuelven no magnéticos a temperaturas superiores al punto de Curie.

Materiales paramagnéticos

Los materiales paramagnéticos tienen una susceptibilidad positiva pequeña y una permeabilidad relativa ligeramente superior a uno. Algunos ejemplos son el aluminio, el platino y el magnesio. Estos materiales muestran cierta atracción por los imanes, pero la atracción se pierde al retirar el campo magnético.

Los materiales tienen una aplicación de investigación científica y pueden funcionar en un entorno de campo magnético débil.

Materiales diamagnéticos

Los materiales diamagnéticos, como el cobre y el oro, y el bismuto, son empujados por los campos magnéticos. Los momentos magnéticos de los electrones de estos materiales provocan un débil efecto de repulsión al resistirse al campo magnético externo.

Permeabilidad compleja

Cuando se producen algunos cambios dependientes del tiempo en los campos magnéticos aplicados a los materiales, la permeabilidad se complica en los casos de corrientes alternas o funciones de microondas. El almacenamiento o la pérdida de energía bajo un campo magnético alterno viene dado por las dos componentes de la permeabilidad compleja, que engloban las componentes real e imaginaria.

μ′ y μ″; tangente de pérdida tan δ = μ″/μ′.

En permeabilidad compleja, μ′ (mu prime) representa la parte real, que muestra cuánta energía magnética se almacena, mientras que μ″ (mu doble primo) representa la parte imaginaria, que muestra cuánta energía se pierde en forma de calor.

En tangente de pérdida (tan δ = μ″ / μ′). indica la eficacia con la que un material magnético funciona a frecuencias alternas. Un tan δ más bajo significa menos pérdidas y mejor rendimiento.

Este concepto es fundamental en el diseño de materiales para transformadores de alta frecuencia, antenas y blindajes, donde tanto el almacenamiento de energía como las pérdidas son importantes.

Histéresis magnética

La histéresis magnética se refiere al desfase entre los cambios en la potencia del campo magnético y la magnetización resultante de un material. Muestra que la permeabilidad no es regular, sino que depende de los registros magnéticos, de cómo el material se magnetiza o desmagnetiza previamente durante ciclos magnéticos repetidos.

Cambios de permeabilidad con el bucle B-H

 Dentro de la curva B-H (bucle de histéresis magnética), la permeabilidad permanece constante con un aumento y una disminución de la magnetización. En primer lugar, la permeabilidad aumenta violentamente con la alineación de los dipolos atómicos con la esfera.

Una vez que el campo alcanza su punto de saturación, el aumento adicional de la intensidad de campo produce una magnetización adicional insignificante. En el punto de inversión, no se invierte completamente y, por lo tanto, se produce una pérdida de histéresis.

Este bucle permite determinar la eficacia de los ciclos de sustancias magnéticas para almacenar y liberar energía.

Saturación y materiales del núcleo

Cuando un núcleo magnético se ha saturado, todos los dominios magnéticos se han alineado y la permeabilidad se reduce enormemente. En esta fase, el material no es capaz de retener más flujo magnético.

Los principales materiales utilizados como núcleo, como el silicio metálico, la ferrita y las aleaciones de hierro, se eligen totalmente en función de su capacidad para manejar la saturación con eficacia.

Es importante mantener una permeabilidad alta por debajo de la saturación en transformadores, inductores y otros dispositivos electromagnéticos para garantizar el funcionamiento de imanes limpios y las menores pérdidas posibles.

Factores que afectan a la permeabilidad

La permeabilidad magnética no es fija, sino que varía en función de la temperatura, la estructura del material, las impurezas y la potencia del campo magnético. El conocimiento de dichos factores ayuda a crear dispositivos magnéticos y electrónicos.

Temperatura, microestructura, impurezas

La alta temperatura hace que la alineación magnética se vea perturbada por las vibraciones atómicas, lo que disminuye la permeabilidad.

La microestructura (como el tamaño del grano y la orientación del cristal) también puede ser crítica; los granos más finos suelen dar mejores resultados.

La mayoría de las impurezas, como el carbono o el oxígeno, interfieren en el movimiento de los dominios; de ahí que las aleaciones magnéticas se traten térmicamente y se purifiquen para equilibrarlas.

 No linealidad; efectos de saturación

En campos magnéticos elevados, los dominios se alinean, lo que da lugar a un comportamiento no lineal de la permeabilidad. El material se vuelve resistente a la permeabilidad, tras lo cual su valor se reduce rápidamente. Los transformadores se diseñan basándose en la prevención de la saturación, lo que evita la pérdida de energía y la degradación de la señal.

La permeabilidad magnética puede cambiar

La permeabilidad magnética de los materiales está sujeta a cambios con el tiempo debido a la aplicación de tensiones y diversos ciclos de magnetización, así como a la presión mecánica. La alineación magnética de los dominios experimenta ligeras variaciones, debido a lo cual los materiales magnéticos requieren un tratamiento especial para mantener sus propiedades homogéneas.

 Ejemplo de permeabilidad magnética en acero dulce

El acero dulce tiene una alta permeabilidad magnética, ya que su permeabilidad relativa se sitúa entre 2000 y 5000, lo que permite que las líneas magnéticas atraviesen el material miles de veces en comparación con el aire. Este material se ha utilizado como gran sustituto de los núcleos de transformadores y electroimanes debido a su alta permeabilidad.

Ejemplo de permeabilidad magnética en la madera

Los valores de permeabilidad relativa de la madera se sitúan en el rango de 1, lo que significa que no atrae ni aleja los campos magnéticos. El material es una base no magnético en experimentos científicos que no interfieran con un campo magnético.

Aplicaciones de los materiales de alta permeabilidad

El funcionamiento de los sistemas eléctricos y electrónicos también depende de materiales de alta permeabilidad magnética. Estos materiales minimizan el derroche de energía, mejoran el rendimiento y estabilizan los circuitos magnéticos de transformadores, motores y dispositivos de apantallamiento que tienen que trabajar en condiciones magnéticas pesadas o variables.

Transformadores e inductores

Los transformadores e inductores tienen núcleos de alta permeabilidad construidos con acero al silicio o ferrita, lo que permite una fácil transmisión del flujo magnético. El sistema presenta una transferencia de energía mejorada con escasas pérdidas de potencia y fugas de campos magnéticos. Una elección adecuada de los materiales del núcleo hace posible un trabajo estable y eficaz en sistemas de alimentación eléctrica y circuitos de transmisión de señales.

Almacenamiento magnético

Los discos duros y las cintas son dispositivos de almacenamiento magnético que guardan datos digitales utilizando materiales con una permeabilidad muy regulada. La información binaria se representa mediante la orientación magnética de pequeñas regiones. El material facilita la escritura y lectura eficaz de los datos, además de ampliar el espacio de almacenamiento.

Blindaje electromagnético

El apantallamiento electromagnético se realiza con material de alta permeabilidad como el mu-metal. Las líneas de campo magnético son absorbidas y redirigidas por ellos, evitando así interferencias con los componentes electrónicos sensibles. El material blinda los equipos médicos y los sistemas de comunicación, así como los equipos de laboratorio, contra las interferencias electromagnéticas.

Campos magnéticos extraños

Los materiales de alta permeabilidad funcionan como barreras protectoras que redirigen los campos magnéticos hacia zonas seguras cuando existen campos magnéticos fuertes o incontrolados. Los materiales protegen de interferencias las instalaciones de resonancia magnética y las operaciones aeroespaciales, así como los equipos científicos de precisión, al tiempo que garantizan la precisión y la seguridad operativas.

Conclusión

La permeabilidad magnética es una de las principales propiedades que describen el comportamiento de los materiales en presencia de un campo magnético. Sirve de puente entre las interacciones a nivel atómico y el comportamiento magnético a gran escala, lo que permite comprender los distintos tipos de materiales en el contexto de los campos magnéticos. En pocas palabras, algunos materiales aumentan el campo magnético, mientras que otros lo debilitan. El estudio de la permeabilidad es muy útil para comprender el comportamiento de los dominios magnéticos y su papel en la determinación de la eficacia de los dispositivos magnéticos.

La capacidad de controlar la permeabilidad es uno de los factores más importantes para crear sistemas fiables y que ahorren energía en la tecnología actual. Conociendo cómo afectan la temperatura, las impurezas y la saturación a la permeabilidad, los ingenieros pueden idear componentes magnéticos no solo más inteligentes, sino también más estables para las aplicaciones del mundo real.

PREGUNTAS FRECUENTES

¿Es buena una alta permeabilidad magnética?

Los altos valores de permeabilidad magnética crean efectos positivos en la mayoría de las situaciones. El material permite una mejor transmisión del flujo magnético, lo que se traduce en una mayor eficiencia operativa en transformadores y motores, e inductores.