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Saturación magnética
La máxima magnetización posible de un material se denomina magnetización de saturación. Se trata de una fuerza magnética inicialmente creciente y proporcional a la intensidad del campo magnético en el caso de la magnetización de un cuerpo ferromagnético. Sin embargo, esta magnetización aumenta cada vez más lentamente a partir de un determinado momento hasta que finalmente alcanza un punto final, conocido como saturación magnética. Esta es la razón por la que los imanes permanentes tienen una intensidad de campo magnético limitada, razón por la que no existen imanes que sean arbitrariamente fuertes.
Explicación física de la magnetización y la saturación del campo magnético
El intento de aumentar la magnetización después de alcanzar la saturación magnética da como resultado el siguiente comportamiento: El material se comporta de la misma manera que cuando se aumenta el campo magnético externo en el vacío. La magnetización se observa en este contexto, sobre todo en los materiales ferromagnéticos: La densidad de flujo magnético aumenta muy fuertemente en cuanto la materia ferromagnética se introduce en un campo magnético externo. La explicación física de este fenómeno son los espines de los electrones. Éstos se alinean en el ferromagneto en función del campo magnético exterior. A medida que aumenta la magnetización, más y más de los llamados momentos magnéticos (efecto de los espines de los electrones) se alinean en paralelo al campo magnético. Este proceso también se conoce como polarización magnética. Debido a la propia alineación, el campo externo se refuerza. El resultado es un fuerte aumento de la densidad de flujo magnético y del campo magnético en las proximidades del ferromagneto. Lógicamente, este proceso sólo tiene lugar hasta que se alinean todos los momentos magnéticos existentes.
En cuanto esto ocurre, se alcanza la saturación magnética. A partir de este momento, el campo magnético externo del ferromagneto ya no puede reforzarse más, aunque se aumente aún más desde el exterior. La densidad de flujo de este campo se comporta ahora de la misma manera que cuando el campo magnético se amplifica en el vacío. Por tanto, no hay más amplificación por parte del ferromagneto - después de todo, el espín del electrón ya no puede alinearse.
Experimento de saturación magnética
Para realizar este experimento se necesita una bobina con núcleo de hierro, así como un dispositivo de medición de la densidad de flujo magnético (por ejemplo, una sonda Hall) y una fuente de tensión ajustable. En el experimento, la densidad de flujo magnético se mide siempre directamente en el núcleo de hierro con corrientes cambiantes. Resulta que la densidad de flujo magnético aumenta inicialmente de forma significativa con un aumento de la corriente eléctrica a través de la bobina de hierro. Si la corriente, o intensidad de corriente, se duplica, la densidad de flujo magnético también se duplica aproximadamente. Sin embargo, a partir de cierto punto, el aumento es más lento. Finalmente, se alcanza la saturación magnética del núcleo de hierro (para el hierro a una densidad de flujo máxima de 2 Tesla). La permeabilidad magnética del material ferromagnético disminuye durante el efecto de saturación hasta aproximarse al valor 1. Esto significa que la conductividad magnética del material ferromagnético es igual a la del vacío, lo que confirma las afirmaciones anteriores de que el campo magnético del ferromagneto se comporta como un campo magnético en el vacío después de la saturación.
Remanencia y saturación magnética
Como ya se ha explicado, la saturación máxima se alcanza cuando todos los espines atómicos están alineados con el campo magnético. A partir de ese momento, la magnetización del material ya no puede aumentar más, por lo que, tras desconectar el campo magnético externo, éste es el estado de máxima magnetización remanente posible. La magnetización remanente suele denominarse remanencia.
Importancia en tecnología
La saturación magnética conlleva muchos inconvenientes en las aplicaciones técnicas. Un ejemplo son los transformadores. Estos transforman la tensión basándose en un campo magnético alterno a través de dos bobinas que tienen el mismo núcleo de hierro. Mientras la corriente en el circuito primario del transformador sea muy baja, el transformador funciona con gran eficacia porque la magnetización es proporcional a la corriente. Sin embargo, si la corriente es demasiado alta, la eficiencia disminuye al alcanzarse el rango de magnetización de saturación. Esto también reduce la eficiencia del transformador. Este efecto puede contrarrestarse cortando un entrehierro en el núcleo de hierro. La saturación magnética se produce más tarde porque la densidad de flujo magnético aumenta más lentamente, ya que la resistencia magnética del entrehierro es mucho mayor que la del núcleo de hierro. Esto, a su vez, aumenta el rendimiento. Sin embargo, en la mayoría de los transformadores se puede prescindir de este entrehierro. Un contraejemplo serían los llamados transformadores de alta corriente. Quizá los recuerde de las clases de física: el profesor suele intentar hacer brillar un clavo u otro objeto metálico con una corriente elevada.