Saturación (magnética)

En algunos materiales magnéticos , la saturación es el estado que se alcanza cuando un aumento en el campo magnético externo aplicado H no puede incrementar más la magnetización del material, por lo que la densidad de flujo magnético total B se estabiliza. (Aunque, debido al paramagnetismo , la magnetización continúa aumentando muy lentamente con el campo ). La saturación es una característica de los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos , como el hierro , el níquel , el cobalto y sus aleaciones. Los distintos materiales ferromagnéticos presentan 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 inflexión hacia la derecha de la curva (véase el gráfico de la derecha). A medida que aumenta el campo H , el campo B se aproxima asintóticamente a un valor máximo , el nivel de saturación de la sustancia. Técnicamente, por encima de la saturación, el campo B continúa aumentando, pero a la velocidad paramagnética , que es varios órdenes de magnitud menor que la velocidad ferromagnética observada por debajo de la saturación. ^{[ 2 ]}

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

Los distintos materiales tienen distintos niveles de saturación. Por ejemplo, las aleaciones de hierro de alta permeabilidad utilizadas en 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 por regiones microscópicas llamadas dominios magnéticos , que actúan como pequeños imanes permanentes capaces de cambiar su dirección de magnetización. Antes de aplicar un campo magnético externo al material, los campos magnéticos de los dominios están orientados aleatoriamente, cancelándose mutuamente, por lo que el campo magnético externo resultante es insignificante. Al aplicar un campo magnetizante externo H al material, este penetra en él y alinea los dominios, provocando que sus pequeños campos magnéticos giren y se alineen paralelamente al campo externo, sumándose para crear un gran campo magnético B que se extiende desde el material. Este proceso se denomina magnetización . Cuanto más intenso sea el campo magnético externo H , mayor será la alineación de los dominios, resultando en una mayor densidad de flujo magnético B. Finalmente, a un determinado campo magnético externo, las paredes de los dominios se han desplazado hasta su límite máximo, y los dominios están tan alineados como lo permite la estructura cristalina, por lo que el cambio en la estructura de dominios al aumentar el campo magnético externo por encima de este valor es insignificante. La magnetización permanece casi constante y se dice que se ha saturado. ^{[ 9 ]} La estructura de dominios en la saturación depende de la temperatura. ^{[ 9 ]}

La saturación impone un límite práctico a los campos magnéticos máximos alcanzables en electroimanes y transformadores con núcleo ferromagnético, de alrededor de 2 T, lo que a su vez limita el tamaño mínimo de sus núcleos. Esta es una de las razones por las que los motores, generadores y transformadores de alta potencia son físicamente grandes; para conducir el gran flujo magnético necesario para la producción de alta potencia, deben tener núcleos magnéticos de gran tamaño. En aplicaciones donde el peso de los núcleos magnéticos debe minimizarse, como en transformadores y motores eléctricos de aeronaves, se suele utilizar una aleación de alta saturación como el Permendur .

En los circuitos electrónicos , los transformadores e inductores con núcleos ferromagnéticos operan de forma no lineal cuando la corriente que los atraviesa es lo suficientemente grande como para llevar sus materiales del núcleo a la saturación. Esto significa que su inductancia y otras propiedades varían con los cambios en la corriente de excitación. En los circuitos lineales, esto generalmente se considera una desviación indeseada del comportamiento ideal. Cuando se aplican señales de CA , esta no linealidad puede causar la generación de armónicos y distorsión de intermodulación . Para evitar esto, el nivel de las señales aplicadas a los inductores de núcleo de hierro debe limitarse para que no se saturen. Para reducir sus efectos, se crea un entrehierro en algunos tipos de núcleos de transformadores. ^{[ 10 ]} La corriente de saturación , la corriente a través del devanado necesaria para saturar el núcleo magnético, es proporcionada por los fabricantes en las especificaciones de muchos inductores y transformadores.

Por otro lado, la saturación se aprovecha en algunos dispositivos electrónicos. Se emplea para limitar la corriente en transformadores de núcleo saturable , utilizados en soldadura por arco , y en transformadores ferroresonantes que funcionan como reguladores de voltaje . Cuando la corriente primaria supera un cierto valor, el núcleo entra en su región de saturación, limitando así aumentos adicionales 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 independiente para controlar la impedancia del inductor . Al variar la corriente en el devanado de control, el punto de operación se desplaza hacia arriba y hacia abajo en la curva de saturación, controlando así la corriente alterna que circula por el inductor. Estos se utilizan en balastos variables para lámparas fluorescentes y en sistemas de control de potencia. ^{[ 11 ]}

La saturación también se aprovecha en magnetómetros de flujo magnético y brújulas de flujo magnético .

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, introduciendo típicamente distorsión armónica de tercer y quinto orden en el rango de frecuencias bajas y medias. ^{[ 12 ]}

• reluctancia magnética
• Permendur/Hiperco