Permeabilidad magnética: constante y tabla
La permeabilidad magnética es la cantidad física de la propiedad de la materia de generar un campo magnético propio, cuando es permeado por otro campo magnético exterior.
Ambos campos: el externo y el propio, se superponen dando un campo resultante. Al campo exterior, independiente del material, se le denomina intensidad de campo magnético H, mientras que la superposición del campo exterior más el inducido en el material es la inducción magnética B.
Cuando se trata de materiales homogéneos e isótropos, los campos H y B son proporcionales. Y la constante de proporcionalidad (escalar y positiva) es la permeabilidad magnética, denota por la letra griega μ:
B = μ H
En el Sistema Internacional SI la inducción magnética B se mide en Tesla (T), mientras la intensidad de campo magnético H se mide en Ampere sobre metro (A/m).
Dado que μ debe garantizar la homogeneidad dimensional en la ecuación, la unidad de μ en el sistema SI es:
[ μ ] = (Tesla ⋅ metro)/Ampere = (T ⋅ m)/A
Índice del artículo
- 1 Permeabilidad magnética del vacío
- 2 Tabla de permeabilidad magnética
- 3 Análisis de la tabla
- 4 Referencias
Veamos cómo se producen los campos magnéticos, cuyos valores absolutos le denotamos por B y H, en una bobina o solenoide. A partir de allí se introducirá el concepto de permeabilidad magnética del vacío.
El solenoide consiste en un conductor enrollado en forma espiral. A cada vuelta de espiral se le llama espira. Si se hace pasar corriente i por el solenoide, entonces se tiene un electroimán que produce un campo magnético B.
Además, el valor de la inducción magnética B es mayor, en la medida que la corriente i es aumente. Y también cuando aumente la densidad de espiras n (número N de espiras entre la longitud d del solenoide).
El otro factor que afecta el valor del campo magnético producido por un solenoide es la permeabilidad magnética μ del material que esté en su interior. Finalmente, la magnitud de dicho campo es:
B = μ. i .n = μ. i .(N/d)
Según lo dicho en el apartado anterior, la intensidad de campo magnético H es:
H = i.(N/d)
Ese campo de magnitud H, que solo depende de la corriente circulante y la densidad de espiras del solenoide, “permea” al material de permeabilidad magnética μ, haciendo que el mismo se magnetice.
Entonces se produce un campo total de magnitud B, que sí depende del material que se encuentre en el interior del solenoide.
De igual manera, si el material dentro del solenoide es el vacío, entonces el campo H “permea” el vacío produciendo un campo resultante B. El cociente entre el campo B en el vacío y el H producido por el solenoide define la permeabilidad del vacío, cuyo valor es:
μo = 4π x 10-7 (T⋅m)/A
Resulta que el valor anterior fue una definición exacta hasta el 20 de mayo de 2019. A partir de esa fecha, se hizo una revisión del Sistema Internacional, que conlleva a que μo sea medido experimentalmente.
No obstante, las medidas hechas hasta el momento indican que este valor es extremadamente preciso.
Los materiales tienen una permeabilidad magnética característica. Ahora bien, es posible encontrar la permeabilidad magnética con otras unidades. Por ejemplo tomemos la unidad de la inductancia, que es el henry (H):
1H= 1(T ⋅ m2)/A.
Comparando esta unidad con la que se dio al comienzo, se ve que existe un parecido, aunque la diferencia es el metro cuadrado que posee el henry. Por este motivo, se considera a la permeabilidad magnética como una inductancia por unidad de longitud:
[ μ ] = H/m.
La permeabilidad magnética μ está estrechamente relacionada con otra propiedad física de los materiales, denominada la susceptibilidad magnética χ, la cual se define como:
μ = μo (1 + χ)
En la expresión anterior μo, es la permeabilidad magnética del vacío.
La susceptibilidad magnética χ es la proporcionalidad entre el campo externo H y la magnetización del material M.
Es muy frecuente expresar la permeabilidad magnética en relación con la permeabilidad del vacío. Se conoce como permeabilidad relativa y no es más que el cociente entre la permeabilidad del material respecto a la del vacío.
De acuerdo a esta definición, la permeabilidad relativa no tiene unidades. Pero se trata de un concepto útil para clasificar los materiales.
Por ejemplo, los materiales son ferromagnéticos, siempre y cuando su permeabilidad relativa sea mucho mayor que la unidad.
De la misma forma, las sustancias paramagnéticas tienen permeabilidad relativa apenas por encima de 1.
Y finalmente los materiales diamagnéticos tienen permeabilidades relativas apenas por debajo de la unidad. La razón es que se magnetizan de tal forma que producen un campo que se opone al campo magnético exterior.
Cabe mencionar que los materiales ferromagnéticos presentan un fenómeno conocido como “histéresis”, en los que guardan memoria de los campos aplicados previamente. En virtud de esta característica pueden formar un imán permanente.
Debido a la memoria magnética de los materiales ferromagnéticos, las memorias de las primigenias computadoras digitales eran pequeños toroides de ferrita atravesadas por conductores. Allí guardaban, extraían o borraban el contenido (1 o 0) de la memoria.
A continuación algunos materiales, con su permeabilidad magnética en H/m y entre paréntesis su permeabilidad relativa:
Hierro: 6.3 x 10-3 (5000)
Cobalto-hierro: 2.3 x 10-2 (18000)
Níquel-hierro: 1.25 x 10-1 (100000)
Manganeso-zinc: 2.5 x 10-2 (20000)
Acero al carbón: 1.26 x 10-4 (100)
Imán de neodimio: 1.32 x 10-5 (1.05)
Platino: 1.26 x 10-6 1.0003
Aluminio: 1.26 x 10-6 1.00002
Aire 1.256 x 10-6 (1.0000004)
Teflón 1.256 x 10-6 (1.00001)
Madera seca 1.256 x 10-6 (1.0000003)
Cobre 1.27 x10-6 (0.999)
Agua pura 1.26 x 10-6 (0.999992)
Superconductor: 0 (0)
Observando los valores de esta tabla, puede verse que hay un primer grupo con permeabilidad magnética relativa a la del vacío con valores altos. Estos son los materiales ferromagnéticos, muy adecuados para la fabricación de electroimanes para la producción de campos magnéticos grandes.
Luego tenemos un segundo grupo de materiales, con permeabilidad magnética relativa apenas por encima de 1. Estos son los materiales paramagnéticos.
Después pueden verse materiales con permeabilidad magnética relativa apenas por debajo de la unidad. Se trata de materiales diamagnéticos como el agua pura y el cobre.
Por último tenemos un superconductor. Los superconductores tienen permeabilidad magnética nula porque excluye por completo el campo magnético en su interior. Los superconductores no sirven para ser usados en el núcleo de un electroimán.
Sin embargo, se suelen construir electroimanes superconductores, pero el superconductor se usa en el embobinado para establecer corrientes eléctricas muy elevadas que producen campos magnéticos elevados.
- Dialnet. Experimentos sencillos para hallar la permeabilidad magnética. Recuperado de: dialnet.unirioja.es
- Figueroa, D. (2005). Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 6. Electromagnetismo. Editado por Douglas Figueroa (USB). 215-221.
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th.Ed Prentice Hall. 560-562.
- Kirkpatrick, L. 2007. Física: Una mirada al mundo. 6ta Edición abreviada. Cengage Learning. 233.
- Youtube. Magnetismo 5 – Permeabilidad. Recuperado de: youtube.com
- Wikipedia. Campo magnético. Recuperado de: es.wikipedia.com
- Wikipedia. Permeability (Electromagnetism). Recuperado de: en.wikipedia.com