Saturación (magnética)

La saturación, que se observa en algunos materiales magnéticos , es el estado que se alcanza cuando un aumento del campo magnético externo aplicado H no puede aumentar más la magnetización del material, por lo que la densidad total del flujo magnético B se estabiliza más o menos (aunque la magnetización continúa aumentando muy lentamente con el campo debido al paramagnetismo ). La saturación es una característica de los materiales ferromagnéticos y ferromagnéticos , como el hierro , el níquel , el cobalto y sus aleaciones. Los diferentes materiales ferromagnéticos tienen diferentes niveles de saturación.

La saturación se observa con mayor claridad en la curva de magnetización (también llamada curva BH o curva de histéresis ) de una sustancia, como una curvatura hacia la derecha de la curva (ver gráfico a la derecha). A medida que el campo H aumenta, el campo B se acerca a un valor máximo de manera asintótica , el nivel de saturación de la sustancia. Técnicamente, por encima de la saturación, el campo B continúa aumentando, pero a una tasa paramagnética , que es varios órdenes de magnitud menor que la tasa ferromagnética que se observa por debajo de la saturación. ^[2]

La relación entre el campo magnetizante H y el campo magnético B también se puede expresar como la permeabilidad magnética : o la permeabilidad relativa , donde es la permeabilidad al vacío . La permeabilidad de los materiales ferromagnéticos no es constante, sino que depende de H . En materiales saturables la permeabilidad relativa aumenta con H hasta un máximo, luego a medida que se acerca a la saturación se invierte y disminuye hacia uno. ^{[2] [3]}${\displaystyle \mu = B/H}$ ${\displaystyle \mu _{r}=\mu /\mu _{0}}$${\displaystyle \mu_{0}}$

Los distintos materiales tienen distintos niveles de saturación. Por ejemplo, las aleaciones de hierro de alta permeabilidad que se utilizan en los transformadores alcanzan la saturación magnética a 1,6–2,2 teslas (T), ^[4] mientras que las ferritas se saturan a 0,2–0,5 T. ^[5] Algunas aleaciones amorfas se saturan a 1,2–1,3 T. ^[6] El mu-metal se satura alrededor de 0,8 T. ^{[7] [8]}     

Los materiales ferromagnéticos (como el hierro) están compuestos de regiones microscópicas llamadas dominios magnéticos , que actúan como pequeños imanes permanentes que pueden cambiar su dirección de magnetización. Antes de que se aplique un campo magnético externo al material, los campos magnéticos de los dominios están orientados en direcciones aleatorias, cancelándose entre sí de manera efectiva, por lo que el campo magnético externo neto es insignificantemente pequeño. Cuando se aplica un campo magnético externo H al material, penetra en el material y alinea los dominios, lo que hace que sus pequeños campos magnéticos giren y se alineen en paralelo al campo externo, sumándose para crear un gran campo magnético B que se extiende desde el material. Esto se llama magnetización . Cuanto más fuerte es el campo magnético externo H , más se alinean los dominios, lo que produce una mayor densidad de flujo magnético B. Finalmente, en un cierto campo magnético externo, las paredes del dominio se han movido lo más lejos que pueden, y los dominios están tan alineados como la estructura cristalina les permite estar, por lo que hay un cambio insignificante en la estructura del dominio al aumentar el campo magnético externo por encima de este. La magnetización permanece casi constante y se dice que está saturada. ^[9] La estructura del dominio en saturación depende de la temperatura. ^[9]

La saturación impone un límite práctico a los campos magnéticos máximos alcanzables en los electroimanes y transformadores con núcleo ferromagnético de alrededor de 2 T, lo que impone un límite al tamaño mínimo de sus núcleos. Esta es una de las razones por las que los motores, generadores y transformadores de servicios públicos de alta potencia son físicamente grandes; para conducir las grandes cantidades de flujo magnético necesarias para la producción de alta potencia, deben tener núcleos magnéticos grandes. En aplicaciones en las que el peso de los núcleos magnéticos debe mantenerse al mínimo, como transformadores y motores eléctricos en aeronaves, a menudo se utiliza una aleación de alta saturación como Permendur .

En los circuitos electrónicos , los transformadores e inductores con núcleos ferromagnéticos funcionan de forma no lineal cuando la corriente que los atraviesa es lo suficientemente grande como para saturar los materiales de su núcleo. Esto significa que su inductancia y otras propiedades varían con los cambios en la corriente de excitación. En los circuitos lineales , esto suele considerarse una desviación no deseada del comportamiento ideal. Cuando se aplican señales de CA , esta no linealidad puede provocar la generación de armónicos y distorsión por intermodulación . Para evitarlo, se debe limitar el nivel de señales aplicadas a los inductores con núcleo de hierro para que no se saturen. Para reducir sus efectos, se crea un espacio de aire en algunos tipos de núcleos de transformadores. ^[10] La corriente de saturación , la corriente que pasa por el devanado necesaria para saturar el núcleo magnético, la proporcionan los fabricantes en las especificaciones de muchos inductores y transformadores.

Por otra parte, la saturación se explota en algunos dispositivos electrónicos. La saturación se emplea para limitar la corriente en transformadores de núcleo saturable , utilizados en soldadura por arco , y transformadores ferroresonantes que sirven como reguladores de voltaje . Cuando la corriente primaria excede un cierto valor, el núcleo es empujado a su región de saturación, limitando mayores aumentos en la corriente secundaria. En una aplicación más sofisticada, los inductores de núcleo saturable y los amplificadores magnéticos utilizan una corriente continua a través de un devanado separado para controlar la impedancia de un inductor . Variar la corriente en el devanado de control mueve el punto de operación hacia arriba y hacia abajo en la curva de saturación, controlando la corriente alterna a través del inductor. Estos se utilizan en balastos de luz fluorescente variable y sistemas de control de potencia. ^[11]

La saturación también se aprovecha en magnetómetros y brújulas fluxgate .

En algunas aplicaciones de audio, se utilizan deliberadamente transformadores o inductores saturables para introducir distorsión en una señal de audio. La saturación magnética genera armónicos de orden impar, que suelen introducir distorsión armónica de tercer y quinto orden en el rango de frecuencias bajas y medias. ^[12]

• Reluctancia magnética
• Permendur/Hiperco