¿Cómo se comporta el CAMPO MAGNÉTICO en un material? ⚡ HISTÉRESIS Explicada

Hola protones, volvemos a hablar de electromagnetismo. Esta vez vamos a centrarnos en comprender mejor la naturaleza de los campos magnéticos y cómo se magnetiza un material. Te contaré qué es la histéresis y por qué es relevante conocer sus efectos en las máquinas eléctricas. Para descubrir todo esto y mucho más, ¡sígueme la corriente! Llegados a este punto, vamos a hacer énfasis en unos matices del campo magnético como concepto y dos parámetros en los que digamos se aplica este concepto. Digamos que el campo magnético, o la intensidad de campo magnético, se aplica a las magnitudes HOV indistintamente, aunque sí es cierto que hay algunos matices entre ellas. El campo H, también llamado excitación magnética, está relacionado con el movimiento de cargas libres en el material y con los polos magnéticos, digamos los imanes elementales o los dipolos elementales de los que se compone el material en sí. Es conceptualmente el grado de magnetización que tiene un material. Por otra parte, el campo B se describió históricamente más tarde que el campo H y es el que a día de hoy se considera el campo magnético auténtico. Digamos que es ese campo que se genera, viaja indistintamente del medio. Al final, yendo al significado conceptual, H y B son magnitudes equivalentes en el vacío, ya que no estamos considerando un medio físico, la relación entre ambos es la que vemos en pantalla. Y aquí vemos perfectamente cómo la permeabilidad magnética, el parámetro μ, es la que cobra relevancia en cuanto a la diferencia que existe entre B y H. Si consideramos el vacío, la permeabilidad magnética será la siguiente, 4π por 10 elevado a la menos 7. Así que si nos damos cuenta, cuando representamos el campo B frente al campo H, lo que tenemos es la ecuación de una recta, con el valor dependiente igual a la permeabilidad del medio. Todo perfecto. A medida que aumentamos el campo magnético B, va aumentando la magnetización del medio H. Y a medida que disminuyamos el campo magnético, también disminuye la H. Relación lineal. Directa. Intuitiva. En el vacío, la relación que existe entre B y H es esta relación lineal. Sin embargo, cuando consideramos un medio material distinto al vacío, ya cambia la película. En primer lugar, tenemos que considerar qué tipo de material tenemos delante. ¿De qué estamos hablando? Todo esto en cuanto a propiedades magnéticas se refiere. Y en ese sentido, distinguiendo en propiedades magnéticas, tenemos tres tipos de materiales. Los materiales diamagnéticos, los materiales paramagnéticos y los materiales ferromagnéticos. Los materiales diamagnéticos van a recibir una magnetización muy débil cuando se exponen a un campo magnético, y esa magnetización será de sentido inverso. Digamos que por eso serán ligeramente repelidos por los imanes. Por otra parte, los materiales paramagnéticos también reaccionarán muy ligeramente a los imanes, digamos, o a la influencia de un campo magnético. Pero a diferencia de los diamagnéticos, reaccionarán de esta manera acercándose y no alejándose. Se trata de un fenómeno en ese sentido de atracción, no de repulsión, porque el campo magnético va a estar alineado con la magnetización que tienen estos materiales, aunque recordemos también de una intensidad muy ligera. Y llegamos al tercer tipo, que es el más relevante para nosotros en el estudio de las máquinas eléctricas. Se trata de los materiales ferromagnéticos, que son esos materiales que pueden mostrar magnetización incluso cuando ya no existe campo magnético. Además, tienen la particularidad de que esa magnetización va a ser muy intensa. Pero espérate, espérate, espérate, ¿qué es eso de que tienen magnetización sin que haya campo magnético? Pues como lo oyes, así como hay materiales que únicamente tienen propiedades magnéticas cuando se exponen a un campo magnético, y ya cuando el campo deja de estar, ellos dejan de tener esas propiedades, los materiales ferromagnéticos tienen propiedades magnéticas cuando se exponen a un campo y las mantienen cuando el campo desaparece, con menor intensidad, pero mantienen una magnetización. Esto sucede debido a un fenómeno llamado histéresis, pero vamos a verlo poco a poco, no sea que acabemos histéricos. La histéresis como concepto físico, olvida un momentito el magnetismo, es la tendencia que tiene un material para conservar las propiedades que ha conseguido por algún estímulo cuando ya ese estímulo deja de existir. Puede haber histéresis en varios campos, digamos, y nosotros nos estamos centrando en la histéresis magnética. Así que aplicado a lo que estamos viendo, cuando aplicamos campo magnético a un material ferromagnético, ese material se magnetiza, luego quitamos el campo magnético y es la histéresis la que permite que el material siga manteniendo propiedades magnéticas. Este fenómeno es, por ejemplo, lo que permite a los discos duros de los ordenadores almacenar información. Mediante campo magnético se induce una magnetización en los discos, aplicando códigos de cero y de uno, y esa codificación se va a mantener aunque luego quitemos el campo magnético, de forma que podrá ser leída a posteriori para mostrar la información almacenada. En el caso de las máquinas eléctricas, este fenómeno también ocurre, y conocerlo tiene gran relevancia. Cuando el núcleo ferromagnético de un transformador se ve sometido a un campo magnético alterno, los imanes elementales de ese núcleo van a girar también alternativamente para irse ordenando en el sentido del campo magnético en cada momento. Una vez dejamos de aplicar el campo magnético, esos imanes elementales tenderán a volver a su posición inicial, aunque no todos llegan a alcanzarla porque existen rozamientos moleculares que se lo impiden. Esas posiciones intermedias que se quedan son las que dan lugar a un magnetismo remanente en el material, producto del fenómeno de histéresis. La histéresis en los transformadores es particularmente relevante porque es una de las principales causas por las que existe pérdida de energía. Las llamadas pérdidas por histéresis, digamos que al final son pérdidas en forma de calor debido al rozamiento de esas partículas cuando van girando para alinearse con el campo magnético alternativo. Estamos hablando de esos imanes o esos dipolos elementales que van siguiendo la trayectoria del campo magnético al que están sometidos y por eso se van magnetizando. Y ese giro es el que mediante rozamiento ocasiona calor. Y ese calor al final es energía que se desprende, energía perdida, si hablamos en términos de transferencia de energía en el campo magnético en sí, hasta por ejemplo el bobinado secundario del transformador. Así que teniendo en cuenta todo esto de la histéresis, cuando volvemos a representar gráficamente la relación entre B y H, la relación entre el campo magnético y la magnetización del material, ya no nos va a salir aquella relación lineal que veíamos antes sencillita y fácil. No, no, no. Ahora nos va a salir algo completamente diferente. Nos va a salir la histéresis en sí misma y se ve a la perfección el fenómeno que La relación B-H en un material es la que forma la llamada curva de histéresis, y tiene la pinta siguiente. Cuando tenemos un material sin magnetizar, no hay campo y tampoco hay magnetización. Estamos en cero-cero, el origen de coordenadas. A medida que empleemos un campo magnético B, la magnetización del material H irá subiendo también. Digamos que en esta curva, cuanto más arriba estemos, más campo magnético hay. Y cuanto más a la derecha estemos, estamos con un material más magnetizado. Vemos que a partir del punto más bajo, al principio cuesta un poquito más que aumente la inducción magnética. Esta zona inicial se conoce como la zona reversible, porque si el campo magnético desaparece justo en este punto, el material perderá la magnetización. Una vez pasado este punto, comienza la fase lineal en la que la magnetización va subiendo proporcionalmente, como ocurría en el vacío, siguiendo la forma de una recta con la pendiente igual a la permeabilidad magnética del medio. Pero como estamos considerando un material real, y todo lo bueno siempre se acaba, esta subida de inducción magnética va a llegar a un punto en el que ya no pueda seguir creciendo. Esa zona se llama la zona de saturación, y es el momento en el que el material llega a su límite y ya no puede magnetizar más. Ahora viene lo interesante. Una vez reducimos el campo magnético hasta hacerlo cero, podemos observar cómo la curva ya se ha desplazado hacia la izquierda. Existe magnetización del material, aunque no exista campo magnético. Estamos viendo perfectamente cómo el valor de B, el campo magnético, es cero, pero el valor de H ya no es cero, tiene un valor concreto, debido al fenómeno de la histéresis. Si luego aplicamos un campo magnético con sentido negativo, la curva llegará hasta el punto de saturación negativo en el material, y luego, desde aquí, si revertimos el proceso volviendo a campo magnético cero, y continuando en valores positivos, volveremos a pasar la saturación y subiremos hasta la saturación positiva. ¿Y es que esto es brutal? Estamos viendo aquí literalmente cómo el material ha cambiado completamente sus propiedades. Al principio no había campo, y el material no estaba magnetizado. Luego hubo campo, magnetizó el material aquí arriba, cuando subíamos desde el origen de coordenadas, magnetizó el material hasta que llegó a saturación, y a partir de ahí da igual que disminuyas el campo, que le pongas el sentido contrario, que le vuelvas a poner el sentido para arriba, da igual, ya el material va a quedar con un magnetismo remanente para siempre, y si queremos que ese magnetismo desaparezca, tenemos que aplicarle un campo en sentido contrario. Llegados a este punto, todo el ciclo de histéresis ya seguirá la forma que vemos aquí afuera, y podemos olvidar la curvita de subida magnética inicial. Además, es útil tener en cuenta que el ancho de la curva de histéresis nos representa si el material tiene más o menos histéresis, es decir, si el material almacena más o menos magnetización cuando eliminamos el campo magnético. Si la curva de histéresis es muy estrecha, implica que el material se magnetiza muy poquito cuando no hay campo magnético presente, y si la curva es muy ancha, implica que el material sigue albergando mucha magnetización cuando ya no existe campo magnético. Depende de la aplicación, vamos a querer que el material presente más histéresis o menos. Por ejemplo, el núcleo ferromagnético de un transformador, ¿a qué lo queremos? Su función es transportar el campo magnético desde el bobinado primario del transformador hasta el bobinado secundario del transformador. Si no ponemos ese núcleo, pues al final el campo va para todos lados y es un rollo, pero si pones el núcleo, digamos que te sirve como de autopista, para que el campo magnético vaya por ahí, ¿vale? Tu objetivo es transportar el campo magnético, por tanto, no te interesa que se pierda energía por el camino para otros fines que no sea transportar el campo magnético. O sea que tú no quieres que el material se magnetice mucho, tú quieres que el campo vaya más o menos fluido y llegue al final. Por eso en este caso te va a interesar que el material tenga poca histéresis, es decir que la curva que vimos antes sea estrechita. Si por el contrario quiero hacer un imán permanente, yo lo que voy a querer es que la curva sea lo más ancha posible, tener mucha histéresis, porque mi intención es que cuando yo quite el campo magnético inicial, el material quede supermagnetizado, que se haya convertido en un imán potente. Volvamos a ver la gráfica una última vez. Ya no volverá a darse el caso de que sin campo magnético el material tenga magnetismo cero. Ahora, cuando no haya campo magnético, el material puede tener un magnetismo interno correspondiente a este valor o a este otro. Y si queremos que el material no tenga magnetización, pues habrá que aplicarle un campo magnético de signo contrario para contrarrestar el magnetismo del propio material. Una manera de entender esto del ciclo de histéresis es verlo como, digamos, una herramienta para conocer la vida del material. Un material cualquiera, aunque no presente propiedades magnéticas, pues al final tú le pones un campo magnético y le da igual, y le quitas el campo magnético y le da igual. Un material que sí que magnetice pero no sea ferromagnético, le pones el campo magnético y vale, ok, se magnetiza, pero se lo quitas y no hay rastro, no hay magnetización en el material. Se queda igual. No puedes tener ni idea de si en algún momento ha estado o no sometido a un campo magnético. Sin embargo, un material ferromagnético que ha recibido campo magnético en algún punto de su vida y ha pasado por saturación, ya nunca más podrá tener las mismas propiedades que al principio. No volveremos a encontrar la relación BH en el origen de coordenadas, como sí sucedía al inicio, sino que únicamente se moverá por la curva de histéresis. Y gracias a eso nosotros sabemos qué propiedades tiene, gracias a eso conoceremos su historia. Espero que te haya gustado este vídeo, comenta por aquí abajo qué te ha parecido y si te ha ayudado a comprender esto de la histéresis, que muchas veces es algo pesado de entender y algo abstracto, y también si te ha ayudado a comprender qué nos cuenta la histéresis sobre los materiales ferromagnéticos. Con este vídeo cerramos la miniserie dedicada al electromagnetismo. La semana que viene comenzaremos otra miniserie, esta vez dedicada a la trifásica, circuitos trifásicos. Por qué usamos trifásica, qué son los circuitos trifásicos equilibrados, qué son los circuitos trifásicos desequilibrados, etc. Para poder continuar comprendiendo cuáles son esas bases conceptuales que van a sustentar toda la ingeniería eléctrica desarrollada después. Para más energía y para más electricidad, no te olvides, vete aquí abajo, suscríbete y dale a la campanita para que YouTube te avise con los próximos vídeos de este canal. Además, si te ha gustado este vídeo, dale a un like, porque así la plataforma lo va a compartir y llegará esta información a más gente. Como siempre, volveremos a vernos de nuevo muy pronto. Sígueme la corriente. Sígueme. Electrón con electrón. Sígueme la corriente. Suscríbete y sé mi protón.