Electroimán

Para consultar las definiciones de las variables que aparecen a continuación, véase el recuadro al final del artículo.

Se pueden producir campos magnéticos mucho más fuertes si se coloca un núcleo magnético , hecho 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 intensidad del campo de la bobina sola, debido a la alta permeabilidad magnética.${\displaystyle \mu }$del material. ^{[ 1 ] [ 2 ]} No todos los electroimanes usan núcleos, por lo que se le llama electroimán de núcleo ferromagnético o de núcleo de hierro .

Este fenómeno se produce porque el material del núcleo magnético (a menudo hierro o acero) está compuesto por pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos que actúan como diminutos imanes (véase ferromagnetismo ). Antes de que se active la corriente en el electroimán, estos dominios apuntan en direcciones aleatorias, por lo que sus pequeños campos magnéticos se anulan entre sí y el núcleo carece de un campo magnético a gran escala. Cuando una corriente pasa a través del cable que rodea el núcleo, su campo magnético penetra en él y hace que los dominios se alineen en paralelo con el campo. Al alinearse, todos sus pequeños campos magnéticos se suman al campo del cable, lo que crea un campo magnético intenso que se extiende por el espacio que rodea al imán. El núcleo concentra el campo, y este lo atraviesa con menor reluctancia que si lo hiciera a través del aire.

Cuanto mayor sea la corriente que pasa a través de la bobina de alambre, más se alinean los dominios y más fuerte es el campo magnético. Una vez que todos los dominios están alineados, cualquier corriente adicional solo causa un ligero aumento en la fuerza del campo magnético. Finalmente, la fuerza del campo se estabiliza y se vuelve casi constante, independientemente de cuánta corriente se envíe a través de los devanados. ^{[ 2 ]} Este fenómeno se llama saturación y es la principal característica no lineal de los materiales ferromagnéticos. ^{[ 2 ]} Para la mayoría de los aceros de núcleo de alta permeabilidad, la fuerza máxima posible del campo magnético es de alrededor de 1,6 a 2 teslas (T). ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} Por eso los electroimanes más fuertes, como los superconductores y los electroimanes de muy alta corriente, no pueden usar núcleos.

Cuando se interrumpe la corriente en la bobina, la mayoría de los dominios en el material del núcleo pierden su alineación y vuelven a un estado aleatorio, y el campo electromagnético desaparece. Sin embargo, parte de la alineación persiste porque los dominios se resisten a cambiar su dirección de magnetización, lo que deja el núcleo magnetizado como un imán permanente débil. Este fenómeno se denomina histéresis y el campo magnético residual se denomina 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.

El campo magnético de los electroimanes en el caso general viene dado por la ley de Ampère :

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

lo cual dice que la integral del campo magnetizante${\displaystyle \mathbf {H} }$El campo magnético alrededor de cualquier circuito cerrado es igual a la suma de las corrientes que fluyen a través de él. Una ecuación relacionada es la ley de Biot-Savart , que proporciona el campo magnético debido a cada pequeño segmento de corriente.

Asimismo, en el solenoide, la fuerza ejercida por un electroimán sobre un conductor situado en una sección del material del núcleo es:

Esta ecuación se puede derivar de la energía almacenada en un campo magnético . La energía es igual a la fuerza multiplicada por la distancia. Reordenando 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 puede ejercer un electroimán de núcleo de hierro; aproximadamente:

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

para el límite de saturación del núcleo,${\displaystyle B_{sat}}$En unidades más intuitivas, es útil recordar que a 1  T la presión magnética es aproximadamente 4 atmósferas estándar (4,1 kg/ ^cm² ) . 

Dada una geometría de núcleo, el campo magnético necesario para una fuerza dada se puede calcular a partir de ( Ec. 2 ); si el resultado es 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. Primero, la intensidad del campo varía de un punto a otro de manera compleja, particularmente fuera del núcleo y en los entrehierros, donde deben considerarse los campos de borde y el flujo de fuga . Segundo, el campo magnético y la fuerza son funciones no lineales de la corriente, dependiendo de la relación no lineal entre${\displaystyle B}$y${\displaystyle \mathbf {H} }$para el material del núcleo específico utilizado. Para cálculos precisos, se emplean programas informáticos que pueden generar un modelo del campo magnético mediante el método de elementos finitos .

En muchas aplicaciones prácticas de los electroimanes, como motores, generadores, transformadores, imanes de elevación y altavoces, el núcleo de hierro tiene la forma de un bucle o circuito magnético , posiblemente interrumpido por algunos pequeños espacios de aire. 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 ]} Dado que las líneas de campo magnético son bucles cerrados, el núcleo generalmente se fabrica en forma de bucle.

Dado que la mayor parte del campo magnético está confinada dentro de los contornos del bucle central, esto permite una simplificación del análisis matemático. ^{[ 2 ]} Una suposición simplificadora común que satisfacen muchos electroimanes, y que se utilizará en esta sección, es que la intensidad del campo magnético${\displaystyle B}$es constante alrededor del circuito magnético (dentro del núcleo y los entrehierros) y cero fuera de él. La mayor parte del campo magnético se concentrará en el material del núcleo ( C ) (véase la figura 1). Dentro del núcleo, el campo magnético ( B ) será aproximadamente uniforme en cualquier sección transversal; si el núcleo también tiene un área aproximadamente constante a lo largo de su longitud, el campo en el núcleo será constante. ^{[ 2 ]}

En cualquier espacio de aire ( G ) entre secciones del núcleo, las líneas de campo magnético ya no están confinadas por el núcleo. Aquí, se extienden más allá de la geometría del núcleo a lo largo del espacio, reduciendo la intensidad del campo en el espacio. ^{[ 2 ]} Estos "abultamientos" ( BF ) se denominan campos marginales. ^{[ 2 ]} _{Sin embargo, siempre que la longitud del espacio sea menor que las dimensiones de} la sección transversal del núcleo, el campo en el espacio será aproximadamente el mismo que en el núcleo.

Además, algunas líneas de campo magnético ( BL ) tomarán "atajos" y no atravesarán 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 de alambre pero no entran en el núcleo. Esto se denomina flujo de fuga .

Las ecuaciones de esta sección son válidas para electroimanes que:

1. El circuito magnético es una sola espira de material central, posiblemente interrumpida por algunos espacios de aire;
2. El núcleo tiene aproximadamente la misma área de sección transversal a lo largo de 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. El flujo de fuga es insignificante.

Circuito magnético cerrado

Para un circuito magnético cerrado (sin entrehierro), como el que se encuentra en un electroimán que levanta un trozo de hierro conectado entre sus polos, la ecuación ( Ec. 3 ) se convierte en:

Sustituyendo en ( Ec. 2 ), la fuerza es:

Para maximizar la fuerza, se necesita un núcleo con una trayectoria de flujo corta.${\displaystyle L}$y una amplia área de sección transversal${\displaystyle A}$Se prefiere (esto también se aplica a los imanes con entrehierro). Para lograrlo, en aplicaciones como imanes de elevación y altavoces , se suele utilizar un diseño cilíndrico plano. El devanado se enrolla alrededor de un núcleo cilíndrico corto y ancho que forma un polo, y una carcasa metálica gruesa que envuelve el exterior del devanado forma la otra parte del circuito magnético, llevando el campo magnético hacia el frente para formar el otro polo.

Los métodos anteriores son aplicables a electroimanes con un circuito magnético ; sin embargo, no son válidos cuando una gran parte del campo magnético se encuentra fuera del núcleo. (Un ejemplo sin circuito sería un imán con un núcleo cilíndrico recto). Para determinar la fuerza entre dos electroimanes (o imanes permanentes) en estos casos, se puede utilizar una analogía especial denominada modelo de carga magnética . En este modelo, se supone que los imanes tienen "polos" bien definidos donde las líneas de campo emergen del núcleo, y que el campo magnético es producido por "cargas magnéticas" ficticias en la superficie de los polos. Este modelo supone polos puntuales (en lugar de superficies), por lo que solo proporciona una buena aproximación cuando la distancia entre los imanes es mucho mayor que su diámetro; por lo tanto, solo es útil para determinar la fuerza entre ellos.

La fuerza del polo magnético${\displaystyle m}$de un electroimán viene dado por $${\displaystyle m={\frac {NIA}{L}}}$$ y por lo tanto 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 que ejerce el imán 2 sobre el imán 1 es igual a la suma vectorial de las fuerzas que ejercen los polos del imán 2 sobre cada polo del imán 1.

La única potencia consumida en un electroimán de corriente continua (CC) en condiciones de estado estacionario se debe a la resistencia de los devanados y se disipa en forma de calor. Algunos electroimanes de gran tamaño requieren sistemas de refrigeración por agua en los devanados para disipar el calor residual .

Dado que el campo magnético es proporcional al producto${\displaystyle NI}$, el número de vueltas en los devanados${\displaystyle N}$y el actual${\displaystyle I}$pueden elegirse para minimizar las pérdidas de calor, siempre que su producto sea constante. Dado que la disipación de potencia,${\displaystyle P=I^{2}R}$, aumenta con el cuadrado de la corriente pero solo aumenta aproximadamente linealmente con el número de espiras, la potencia perdida en las espiras se puede minimizar reduciendo${\displaystyle I}$y aumentando proporcionalmente el número de giros${\displaystyle N}$o utilizando un cable más grueso para reducir la resistencia. Por ejemplo, reduciendo a la mitad${\displaystyle I}$y duplicando${\displaystyle N}$Duplicar la longitud del cable reduce a la mitad la pérdida de potencia. En ambos casos, aumentar la cantidad de cable reduce las pérdidas óhmicas. Por esta razón, los devanados de los electroimanes suelen tener un grosor considerable.

Sin embargo, el límite para aumentar${\displaystyle N}$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 está llena, agregar más vueltas requiere un diámetro de alambre menor, que tiene mayor resistencia y, por lo tanto, anula la ventaja de usar más vueltas. Por lo tanto, en imanes grandes hay una cantidad mínima de pérdida de calor que no se puede reducir. Esto aumenta con el cuadrado del flujo magnético ,${\displaystyle B^{2}}$.

Un electroimán posee una inductancia significativa y se resiste a las variaciones de la corriente que circula por sus bobinados. Cualquier cambio brusco en la corriente provoca grandes picos de tensión en los bobinados. Esto se debe a que, al aumentar la corriente que atraviesa el imán, como cuando se enciende, la energía del circuito debe almacenarse en el campo magnético. Al apagarlo, la energía del campo se devuelve al circuito.

Si se utiliza un interruptor común para controlar la corriente del devanado, pueden producirse chispas en sus terminales. Esto no ocurre cuando el imán está encendido, ya que la tensión de alimentación limitada provoca que la corriente que lo atraviesa y la energía del campo aumenten lentamente. Sin embargo, al apagarlo, la energía del campo magnético regresa repentinamente al circuito, causando un pico de tensión elevado y un arco eléctrico entre los contactos del interruptor, lo que puede dañarlos. En electroimanes pequeños, a veces se utiliza un condensador en paralelo con los contactos, lo que reduce la formación de arcos eléctricos al almacenar temporalmente la corriente. Con mayor frecuencia, se utiliza un diodo para evitar picos de tensión, ya que proporciona una vía para que la corriente recircule a través del devanado hasta que la energía se disipe en forma de calor. El diodo se conecta en paralelo con el devanado, orientado de manera que esté polarizado inversamente durante el funcionamiento en estado estacionario y no conduzca. Al interrumpirse 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 vuelta al devanado. Un diodo utilizado de esta manera se denomina diodo de rueda libre o diodo flyback .

Los electroimanes de gran tamaño suelen alimentarse con fuentes de alimentación electrónicas de corriente variable , controladas por un microprocesador , que evitan picos de tensión al realizar cambios de corriente de forma gradual y progresiva. Energizar o desenergizar un imán de gran tamaño puede llevar varios minutos.

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

• Las líneas de campo dentro del eje de la bobina ejercen una fuerza radial sobre cada espira del devanado, tendiendo a empujarlas hacia afuera en todas direcciones. Esto provoca una tensión en el cable.
• Las líneas de campo de fuga entre cada espira de la bobina ejercen una fuerza de atracción entre espiras adyacentes, tendiendo a juntarlas.

Las fuerzas de Lorentz aumentan con${\displaystyle B^{2}}$En los electroimanes de gran tamaño, los devanados deben estar firmemente sujetos para evitar que el movimiento durante el encendido y apagado provoque fatiga del metal en los devanados. En el diseño del electroimán Bitter (Fig. 2), utilizado en imanes de investigación de campo muy alto, los devanados están construidos como discos planos para resistir las fuerzas radiales y sujetos axialmente para resistir las axiales.

En los electroimanes de corriente alterna (CA), utilizados en transformadores , inductores , motores y generadores de CA , el campo magnético varía constantemente. Esto provoca pérdidas de energía en sus núcleos magnéticos, que se disipan en forma de calor. Dichas pérdidas se deben a dos procesos: corrientes parásitas y pérdidas por histéresis.

Corrientes parásitas : Según la ley de inducción de Faraday , un campo magnético variable induce corrientes eléctricas circulantes (corrientes parásitas) en los conductores cercanos. La energía de estas corrientes se disipa en forma de calor debido a la resistencia eléctrica del conductor, por lo que provocan pérdidas de energía. Dado que el núcleo de hierro del imán es conductor y la mayor parte del campo magnético se concentra allí, las corrientes parásitas en el núcleo constituyen el principal problema. Las corrientes parásitas 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 corriente alterna están formados por pilas de láminas delgadas de acero, o laminaciones , orientadas paralelamente al campo magnético, con un recubrimiento aislante en la superficie. Las capas aislantes impiden que las corrientes parásitas fluyan entre las láminas. Las corrientes parásitas restantes deben fluir dentro de la sección transversal de cada laminación individual, lo que reduce considerablemente las pérdidas. Otra alternativa es utilizar un núcleo de ferrita , que es un material no conductor.

Pérdidas por histéresis : Invertir 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 se denominan pérdidas por histéresis. La energía perdida por ciclo es proporcional al área del bucle de histéresis en el${\displaystyle BH}$gráfico. 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 .

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

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 se han generado mediante 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 formado por una pila de discos conductores, dispuestos de manera que la corriente se mueve en una trayectoria 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 extremas fuerzas de Lorentz del campo, que aumentan con${\displaystyle B^{2}}$Los discos están perforados con orificios por los que pasa agua de refrigeración para disipar el calor generado por la alta corriente. El campo continuo más intenso logrado únicamente con un imán resistivo es de 41,5  T a fecha de 22 de agosto de 2017.  , producido por un electroimán Bitter en el Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos en Tallahassee , Florida . ^{[ 25 ] [ 26 ]} El récord anterior era 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 que el calor producido durante el pulso se elimine antes del siguiente pulso.

Los campos magnéticos artificiales más potentes ^{[ 28 ]} se han creado utilizando explosivos para comprimir el campo magnético dentro de un electroimán mientras se pulsa; estos se denominan generadores de compresión de flujo por bombeo explosivo . 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, las cargas huecas redirigen 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 física y ciencia de los materiales para estudiar las propiedades de los materiales en campos magnéticos intensos.