Para poder modelar el comportamiento de cierto núcleo de material —ya sea magnético o diamagnético— necesitas comprender la interacción que hay entre el estímulo externo (campo magnético) y el comportamiento del mismo en el material.

Sabes que —al hacer circular una corriente por un conductor— aparece un campo magnético alrededor de éste, como lo establece la Ley de Ampere. También sabes que si en lugar de usar un conductor recto o una espira de una sola vuelta utilizas una bobina compuesta por varias vueltas, el campo magnético dentro de la bobina será mucho mayor. ¿Qué tanto más grande? Proporcional al número de vueltas. Si quieres incrementar el valor de ese campo magnético, puedes también incrementar la corriente por el conductor. Considera la siguiente ilustración:

Figura 1
Imagen obtenida de http://webs.uvigo.es/quintans/recursos/Web_electromagnetismo/electromagnetismo_circuitosmagneticos.htm solo para fines educativos.

Los elementos de la figura 1 son los siguientes: en color verde se representa la bobina. Esto es, un conductor enrollado con N número de vueltas, y a través del cual circula una corriente I. El resto representa un núcleo formado de material ferromagnético. Las flechas rojas representan la dirección del flujo magnético dentro del material. El punto marcado como E representa un pequeño hueco en el núcleo con propiedades muy interesantes.

El campo magnético, en la ilustración anterior, sólo puede provenir de la bobina; ésta es la fuente del campo. Así como el voltaje se denomina fuerza electromotriz, la bobina es nuestra fuente de fuerza magneto-motriz (FMM). La intensidad de esta fuente es proporcional al número de vueltas y a la magnitud de la corriente.

El flujo generado por la FMM cambiará dependiendo de qué tanta resistencia encuentre a su paso. Si el núcleo está compuesto por materiales ferromagnéticos, con un valor alto de permeabilidad, la resistencia al flujo será mínima. Si el núcleo estuviera formado por materiales diamagnéticos con un valor de permeabilidad mucho más bajo, la resistencia que encontraría el flujo será mucho mayor. Puedes decir que el flujo será proporcional a la FMM e inversamente proporcional a la resistencia encontrada en la trayectoria.

Ésta es proporcional a la longitud de la trayectoria e inversamente proporcional al área transversal de la misma y a la permeabilidad del material.

Con las condiciones anteriores, puedes establecer formalmente las siguientes relaciones sencillas:

Como para participar en este curso se requieren conocimientos de análisis de circuitos, puedes confiar en que las relaciones anteriormente establecidas te resulten similares a las relaciones que hay en un circuito eléctrico. Estas relaciones se conocen como la Ley de Ohm.

Así se establece que los circuitos magnéticos son análogos a los circuitos eléctricos, donde:

Por tanto, las mismas técnicas de análisis que se utilizan en circuitos eléctricos se utilizan en circuitos magnéticos sin ningún problema.

La fuerza magneto motriz (FMM) es la fuerza impulsora para el circuito magnético. La FMM proviene del campo magnético creado por un conductor portador de corriente, generalmente en la forma una espira para maximizar su efecto con las vueltas de la espira.

La FMM es proporcional al número de vueltas de la espira y a la corriente que circula por ella.

La reluctancia es para un circuito magnético lo que la resistencia es para un circuito eléctrico. La magnitud de esta define qué tanto esfuerzo tiene que hacer una FMM para establecer un cierto valor de flujo Φ en el núcleo. Para una FMM dada, a mayor reluctancia, menor será el flujo en el circuito magnético.

La reluctancia es proporcional a la longitud del circuito, e inversamente proporcional al área y a la permeabilidad del medio.

Para estudiar y comprender el fenómeno del entrehierro, observa la figura 2:

Figura 2

Podrás notar que en el punto “E” la trayectoria magnética del núcleo se interrumpe por un pequeño pedazo de aire. Este pedazo se conoce como entrehierro. Su influencia en el circuito magnético es fácil de determinar recordando que la permeabilidad del aire es miles de veces menor que la de los materiales ferromagnéticos. Por tanto, la reluctancia de este pequeño pedazo de aire incrementa enormemente la reluctancia total del circuito magnético y la FMM tendrá que imponer un esfuerzo mucho mayor para establecer la misma cantidad de flujo que si este no estuviera presente.

Hasta ahora el entrehierro suena como una gran molestia, sin embargo, es inevitable. Observa la siguiente fotografía:

Figura 3. Ejemplo de motor monofásico de inducción magnética con rotor expuesto y bobina.

Esta es la estructura típica de cualquier motor eléctrico. La parte que está acoplada a la flecha se le conoce como rotor (es la parte que gira), y a la que está estática se le conoce como estator (es estática). El flujo magnético del motor se genera en los devanados que están en el estator. ¿Puedes identificarlos en la fotografía?

Para que el motor pueda girar y cumplir su función, este flujo debe viajar desde la FMM (los devanados en el estator) hacia el rotor. En la figura puedes ver que entre los devanados hay láminas de material ferromagnético, éstas constituyen el núcleo del motor. Sin embargo, resulta muy evidente que si el rotor estuviera pegado al estator, el motor no podría girar.

Para que el rotor pueda girar libremente, debe de tener una separación del estator, misma que se puede apreciar en la fotografía. En el circuito magnético equivalente del motor, ¿puedes adivinar a qué es equivalente este espacio? Así es, el entrehierro. Es la parte del circuito magnético que presentará la mayor reluctancia. Pero si este entrehierro no existiera, la máquina no podría girar.

La mayor parte de la FMM se desperdiciará en el entrehierro; por tanto, es muy importante que este sea de la menor longitud posible. Las tolerancias de manufactura, la excentricidad de la flecha y otros factores, harán que el entrehierro sea más grande o más chico. Un motor de mayor calidad tendrá un entrehierro más pequeño, reduciendo las pérdidas en el núcleo, las pérdidas en los devanados e incrementando la eficiencia del motor en general. Un entrehierro más pequeño representa una manufactura con menores tolerancias, y por tanto más costosa.

Has establecido anteriormente que los circuitos magnéticos y los circuitos eléctricos son análogos y las técnicas de análisis de uno aplican al otro.