materiales ferromagneticos

7/17/2019 MATERIALES FERROMAGNETICOS

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MATERIALES FERROMAGNETICOS

Los materiales ferromagnéticos, compuestos de hierro y sus aleaciones concobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales

magnéticos más comunes y se utilizan para el diseño y constitución de núcleos delos transformadores y maquinas eléctricas. n un transformador se usan parama!imizar el acoplamiento entre los de"anados, así como para disminuir lacorriente de e!citación necesaria para la operación del transformador. n lasmaquinas eléctricas se usan los materiales ferromagnéticos para dar forma a loscampos, de modo que se logren hacer má!imas las características de producciónde par.

stos materiales han e"olucionado mucho con el paso del tiempo lo que implicamas eficiencia, reducción de "olúmenes y costo, en el diseño de transformadores

y maquinas eléctricas.

Los materiales ferromagnéticos poseen las siguientes propiedades ycaracterísticas que se detallan a continuación.

Propiedades de los materiales ferromagneticos.

• #parece una gran inducción magnética al aplicarle un campo magnético.

• $ermiten concentrar con facilidad líneas de campo magnético, acumulando

densidad de flu%o magnético ele"ado.

• &e utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los camposmagnéticos en trayectorias bien definidas.

• $ermite que las maquinas eléctricas tengan "olúmenes razonables y costosmenos e!cesi"os.

Características de los materiales ferromágneticos.

Los materiales ferromágneticos se caracterizan por uno o "arios de los siguientesatributos'

• $ueden imanarse mucho más fácilmente que los demás materiales. stacaracterística "iene indicada por una gran permeabilidad relati"a µ (µ r .



• )ienen una inducción magnética intrínseca má!ima *ma! muy ele"ada.

• &e imanan con una facilidad muy diferente según sea el "alor del campomagnético. ste atributo lle"a una relación no lineal entre los módulos deinducción magnética+* y campo magnético.

• -n aumento del campo magnético les origina una "ariación de flu%odiferente de la "ariación que originaria una disminución igual de campomagnético. ste atributo indica que las relaciones que e!presan lainducción magnética y la permeabilidad +µ como funciones del campomagnético, no son lineales ni uniformes.

• onser"an la imanación cuando se suprime el campo.

• )ienden a oponerse a la in"ersión del sentido de la imanación una "ezimanados.

Materiales ferromagnéticos para transformadores:

La aleación ferromagnética más utilizada para el diseño de núcleos detransformadores es la aleación hierro/silicio, esta aleación es la producida enmayor cantidad y esta compuesta por hierro esencialmente puro con 0/12 de

silicio, dependiendo este porcenta%e del fin a que se destine el material. 3ando aesta aleación un tratamiento térmico adecuado, se obtiene un material quecomparado con el hierro, tiene me%ores propiedades magnéticas para camposmagnéticos débiles, una resisti"idad mayor y sufren perdidas totales menores enel núcleo. sta aleación se lamina en chapas y fle%es, principalmente de espesorescomprendidos entre 4,56 y 4,156 mm recocidos7 en el lengua%e corriente se leconoce con el nombre de acero al silicio o hapa magnética.

Las chapas de me%or calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 8 y el6. l silicio ele"a la dureza del material, por lo que su porcenta%e se determina

según el empleo al que se designa la chapa. $ara maquinas rotatorias el limitesuperior es apro!imadamente del 82, teniendo en cuenta el peligro de lafragilidad. )ambién se prefieren chapas de menor contenido de silicio cuando lasdensidades de funcionamiento son ele"adas o cuando se desea una ele"adaconducti"idad calorífica. Las perdidas en el núcleo y el coeficiente deen"e%ecimiento aumentan al disminuir el contenido de silicio.



La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar normalizada enconsiderable e!tensión por lo que los datos magnéticos publicados por di"ersosfabricantes no se diferencian, calidad por calidad, e!cesi"amente.

Aislamiento interlaminar

l aislamiento interlaminar se consigue formando una capa de ó!ido naturalsobre la superficie de la chapa magnética laminada plana o aplicando unre"estimiento superficial. "identemente este tratamiento no reduce las corrientes

parásitas en el interior de las chapas. 9eneralmente se consigue una me%ora en laresistencia entre chapas recociendo la chapa ba%o condiciones ligeramenteo!idantes que aumentan el espesor del ó!ido superficial y cortando entonces lasformas acabadas para los núcleos.

Los re"estimientos o acabados de aislamiento pueden clasificarse ampliamenteen orgánicos o inorgánicos'

a) El aislamiento orgánico consiste, en general, en esmaltes o barnices que seaplican a la superficie del acero para proporcionar una resistencia interlaminar.

La chapa magnética laminada plana con re"estimiento de tipo orgánico no puederecibir un recocido de distensión sin per%udicar el "alor aislante de la capa. sta,sin embargo, resiste las temperaturas de funcionamiento normales. #lgunos

aislamientos orgánicos son apropiados sólo en núcleos refrigerados por aire,mientras que otros pueden ser apropiados para núcleos de transformadores tantodel tipo refrigerado por aire como los de baño de aceite. l espesor de este tipo deaislamiento es de apro!imadamente de :,6 µ m.

b) El aislamiento inorgánico se caracteriza, en general, por una ele"adaresistencia y por la capacidad de resistir las temperaturas necesarias para elrecocido de distensión. sta ideado para núcleos de transformadores refrigerados

por aire o en baño de aceite.

Efecto Zeeman



Cuando un átomo de hidrogeno se introduce en un campo magnético uniforme, el nivelfundamental se desdobla en una cantidad que depende de la intensidad del campomagnético.

Observado por primera vez por Pieter Zeeman, esta divisin se atribu!e a lainteraccin entre el campo magnético ! el momento de dipolo magnético asociado con

el momento angular orbital. En ausencia del campo magnético, las energ"as delhidrgeno dependen slo del n#mero cuántico principal n, ! las emisiones se producenen una sola longitud de onda.

El efecto Zeeman normal también fue e$plicado posteriormente por %hor de formasemiclásica al desarrollar su modelo del átomo de hidrgeno ! luego también e$plicadocon la mecánica cuántica.

&eg#n la mecánica cuántica la energ"a de interaccin viene dada por

' interaccin()* %

donde μ ( es/ +mc es el momento magnético del electrn, s es el momento angularorbital ! % es el campo magnético e$terno.

a ecuacin anterior, muestra que un estado con determinados n#meros cuánticos n ! -se separa en +- / niveles de energ"a debido a la presencia de un campo magnéticoe$terno.

Efecto Zeeman normal

Jorge Alberto Chávez Sarmiento

8 de diciembre de 2008

R

n este artículo pretendo describir bre"emente y sin entrar en mucho detalle en los desarrollos, analizándolo desde el punto de "ista semiclásico y cuántico.



1. Introdcci!nn el año 0<=6 >. #. Lorentz en su teoría clásica de electrones predi%o el desdoblamientode los ni"eles de energía del átomo. -n año después de ocurrido esto $. ;eeman con?rmóe!periementalmente dicha predicción. ;eeman obser"ó que @perpendicularmente a uncampo magnético@ en lugar de una línea espectral, se encontraba un triplete de líneas.

#demás, paralelamente a dicho campo encontró un doblete de líneas.

Aesulta curioso que al efecto mencionado anteriormente se lo conozca como efecto;eeman normal, ya que luego de el se descubrio uno similar en el cual los desdoblamientosde los ni"eles de energía eran algo más complicados y se le denominó efecto ;eemananómalo7 sin embargo 9oudsmit y -hlenbecB en el año 0=:6 enunciaron la hipótesis delspin electron donde el llamado efecto ;eeman normal es el que no sigue la regla, sólo que por esas cosas que trae el destino fue obser"ado primero.

l efecto ;eeman normal también fue e!plicado posteriormente por *hor de formasemiclásica al desarrollar su modelo del átomo de hidrógeno y luego también e!plicado conla mecánica cuántica.

2. E"#licaci!n del Efecto Zeeman normalCue se obser"en "arias líneas en una transicion de un ni"el atómico a otro implica que cadauna de esas líneas corresponde a la emisión de una onda electromagnética formada por fotones con un determinado "alor de energía7 es decir lo que se busca probar es que, alsometer al átomo a un campo magnético, sus ni"eles energéticos se desdoblan, permitiendoasí que haya mas de una transición entre un ni"el y otro. Dste es el moti"o por el cual nosolo se obser"ará una sola línea en el espectro emitido.

# continuación presentaré dos formas en las cuales se puede e!plicar este efecto' primero basándome en la teoría semiclásica, y luego en la mecánica cuántica.

2.1. Teoría semiclásica

l momento magnético asociado al momento angular orbital de un electron está dado por'

uando se lo somete a un campo magnético que forma un ángulo α con la normal al plano en donde gira el electrón, este e!perimentará un torque τ E μ L F B, además si

llamamos a μ B E y se toma en cuenta que L E $ , entonces la magnitud de esetorque es'

Luego, la energía empleada, E B, para pasar de una posición angular α4 E π : +"eremos másadelante que ésto es para que E B E G E B a otra posición arbitraria α en presencia del campomagnético e!terno B B+dirigido a lo largo del e%e Z arbitrario es entonces'



$ero se sabe que cosα E E $, entonces la ecuación anterior se puedereescribir como'

sto signi?ca que a la energía E n de un estado n del electrón en el átomo de hidrógenohay que añadirle una energía G E B, lo cual produce un desdoblamiento de los ni"elesdegenerados.

2.2. Mecánica cuántica

l efecto ;eeman normal aparece sólo en transiciones entre estados atómicos con spintotal S E 4. l impulso angular total J E L H S de un estado es, entonces, un impulso angular orbital puro, + J E L. #hora si calculamos el >amiltoniano, se tendría que'

donde el primer término es el hamiltoniano en ausencia de campo magnético y elsegundo es el que produce un campo magnético al colocarémos orientado en la dirección Z .Luego la ecuación de &chIdinger "iene dada por

Los posibles "alores de la energía son los "alores propios del hamiltoniano. 3e hecho,

las funciones propias Ĥ 4 y z por separado. Aesol"iendo la ecuación se obtiene que laenergía está dada por

donde la constante μ B E es el llamado magnetón de *ohr y tiene un "alor de= ,:J8 x04K:8)K0, notar que es el mismo que aparece en la e!plicación semiclásica.

La ecuación anterior, muestra que un estado con determinados números

cuánticos n y ℓ se separa en :ℓ H 0 ni"eles de energía debido a la presencia de un campomagnético e!terno.

%. Comentario& 'nale&Mbser"emos la siguiente ?gura 0.

http://www.lawebdefisica.com/pages/zeeman/#x1-50011

http://www.lawebdefisica.com/pages/zeeman/#x1-50011



Figura

1:

(e&doblamiento de lo& nivele& np ) n*d de n &i&tema at!mico+ a&, como la& tran&icione& entre ello&.

n la sección anterior se a determinado que cada ni"el se desdoblará en "ariossubni"eles al someter al átomo a un campo magnético e!terno, y a eso se le conoce comoefecto ;eeman normal. $ero de todas las transiciones, que se puedan realizar entre lossubni"eles de diferentes ni"eles energéticos, habrá algunas que in"olucran el mismocambio de energía y, en consecuencia, la luz que emiten tiene la misma frecuencia y se

obser"a como una sola línea. #demás que algunas transiciones son transiciones prohibidasdebido a las reglas de selección +esas transiciones se marcan con líneas punteadas, por esemoti"o, solamente se obser"arán tres lineas en el espectro emitido.

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