Saturação (magnética) - Saturation (magnetic)
Visto em alguns materiais magnéticos , saturação é o estado alcançado quando um aumento no campo magnético externo aplicado H não pode aumentar a magnetização do material ainda mais, então a densidade de fluxo magnético total B mais ou menos se estabiliza. (Porém, a magnetização continua a aumentar muito lentamente com o campo devido ao paramagnetismo .) A saturação é uma característica de materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos , como ferro , níquel , cobalto e suas ligas. Diferentes materiais ferromagnéticos têm diferentes níveis de saturação.
Descrição
A saturação é mais claramente vista na curva de magnetização (também chamada de curva BH ou curva de histerese ) de uma substância, como uma curvatura para a direita da curva (veja o gráfico à direita). À medida que o campo H aumenta, o campo B se aproxima de um valor máximo assintoticamente , o nível de saturação da substância. Tecnicamente, acima da saturação, o campo B continua aumentando, mas na taxa paramagnética , que é várias ordens de magnitude menor do que a taxa ferromagnética vista abaixo da saturação.
A relação entre o campo magnetizante H e o campo magnético B também pode ser expressa como a permeabilidade magnética : ou a permeabilidade relativa , onde é a permeabilidade ao vácuo . A permeabilidade dos materiais ferromagnéticos não é constante, mas depende de H . Em materiais saturáveis, a permeabilidade relativa aumenta com H até um máximo, então, à medida que se aproxima a saturação se inverte e diminui em direção a um.
Diferentes materiais têm diferentes níveis de saturação. Por exemplo, ligas de ferro de alta permeabilidade usadas em transformadores atingem saturação magnética em 1,6–2,2 teslas (T), enquanto as ferritas saturam em 0,2–0,5 T. Algumas ligas amorfas saturam em 1,2–1,3 T. O metal Mu satura em cerca de 0,8 T.
Explicação
Materiais ferromagnéticos (como o ferro) são compostos de regiões microscópicas chamadas domínios magnéticos , que agem como minúsculos ímãs permanentes que podem mudar sua direção de magnetização. Antes de um campo magnético externo ser aplicado ao material, os campos magnéticos dos domínios são orientados em direções aleatórias, cancelando um ao outro efetivamente, de modo que o campo magnético externo líquido é desprezivelmente pequeno. Quando um campo de magnetização externo H é aplicado ao material, ele penetra no material e alinha os domínios, fazendo com que seus minúsculos campos magnéticos girem e se alinhem paralelamente ao campo externo, somando-se para criar um grande campo magnético B que se estende para fora do material. Isso é chamado de magnetização . Quanto mais forte o campo magnético externo H , mais os domínios se alinham, produzindo uma densidade de fluxo magnético B mais alta . Eventualmente, em um determinado campo magnético externo, as paredes do domínio se moveram o mais longe que podem e os domínios estão tão alinhados quanto a estrutura cristalina permite que estejam, então há uma mudança insignificante na estrutura do domínio ao aumentar o campo magnético externo acima disso. A magnetização permanece quase constante e é considerada saturada. A estrutura do domínio na saturação depende da temperatura.
Efeitos e usos
A saturação coloca um limite prático nos campos magnéticos máximos alcançáveis em eletroímãs de núcleo ferromagnético e transformadores de cerca de 2 T, o que coloca um limite no tamanho mínimo de seus núcleos. Esta é uma das razões por que motores de alta potência, os geradores, e utilidade transformadores são fisicamente grande; para conduzir grandes quantidades de fluxo magnético necessário para a produção de alta potência, eles devem ter grandes núcleos magnéticos. Em aplicações nas quais o peso dos núcleos magnéticos deve ser reduzido ao mínimo, como transformadores e motores elétricos em aeronaves, uma liga de alta saturação como o Permendur é freqüentemente usada.
Em circuitos eletrônicos , transformadores e indutores com núcleos ferromagnéticos operam de forma não linear quando a corrente que os atravessa é grande o suficiente para levar os materiais do núcleo à saturação. Isso significa que sua indutância e outras propriedades variam com as mudanças na corrente do inversor. Em circuitos lineares, isso geralmente é considerado um desvio indesejado do comportamento ideal. Quando os sinais CA são aplicados, esta não linearidade pode causar a geração de harmônicos e distorção de intermodulação . Para evitar isso, o nível dos sinais aplicados aos indutores com núcleo de ferro deve ser limitado para que não sature. Para diminuir seus efeitos, um entreferro é criado em alguns tipos de núcleos de transformadores. A corrente de saturação , a corrente através do enrolamento necessária para saturar o núcleo magnético, é fornecida pelos fabricantes nas especificações de muitos indutores e transformadores.
Por outro lado, a saturação é explorada em alguns dispositivos eletrônicos. A saturação é empregada para limitar a corrente em transformadores de núcleo saturável , usados em soldagem a arco , e em transformadores ferrorressonantes que servem como reguladores de tensão . Quando a corrente primária excede um certo valor, o núcleo é empurrado para sua região de saturação, limitando aumentos adicionais na corrente secundária. Em uma aplicação mais sofisticada, indutores de núcleo saturável e amplificadores magnéticos usam uma corrente CC por meio de um enrolamento separado para controlar a impedância de um indutor . A variação da corrente no enrolamento de controle move o ponto operacional para cima e para baixo na curva de saturação, controlando a corrente alternada através do indutor. Eles são usados em reatores de luz fluorescente variável e sistemas de controle de energia.
A saturação também é explorada em magnetômetros fluxgate e bússolas fluxgate .
Em algumas aplicações de áudio, transformadores ou indutores saturáveis são usados deliberadamente para introduzir distorção em um sinal de áudio. A saturação magnética gera harmônicos de ordem ímpar, normalmente introduzindo distorção de terceiro e quinto harmônico na faixa de frequência média e baixa.