Circuitos magnéticos y la ley de Ohm magnética
¿Qué hace de corriente en un circuito magnético?
La bobina enrollada en la columna izquierda empuja flujo al núcleo de hierro, y ese flujo da una vuelta completa por el núcleo y vuelve a la bobina. Este flujo ocupa el mismo lugar que la corriente en un circuito eléctrico, y la primera pregunta es cuál de las tres pestañas (intensidad de campo, densidad de flujo, flujo) llena exactamente ese lugar. Al elegir una pestaña, la parte de la figura a la que se refiere esa magnitud se vuelve dorada.
Circuitos eléctrico y magnético son gemelos
Igual que la tensión empuja la corriente, la fuerza magnetomotriz F = NI empuja el flujo, e igual que la resistencia frena la corriente, la reluctancia frena el flujo. Si se pone Φ = F/R en el lugar de la ley de Ohm I = V/R, el circuito magnético queda resuelto. La fuerza magnetomotriz se cuenta en amperios-vuelta porque lo que fija el empuje es cuántas vueltas tiene la bobina y cuánta corriente lleva. Pero no se parecen en todo. El aire que rodea un cable casi bloquea la corriente, pero no bloquea el flujo, así que parte del flujo se sale del núcleo y se escapa por el aire como flujo de dispersión; además, la permeabilidad del hierro baja cuando el flujo crece, que es la saturación, de modo que un circuito magnético no es una proporción tan recta como uno eléctrico.
Qué fija la reluctancia
La reluctancia tiene exactamente la misma forma que la resistencia eléctrica R = l/(σA): R = l/(μA). Crece con la longitud del camino y disminuye con una permeabilidad μ mayor o una sección A más ancha. La μ del hierro es miles de veces la del aire, así que la misma fuerza magnetomotriz hace pasar mucho más flujo por él, y por eso el flujo se concentra a lo largo del núcleo y forma un circuito. Esa razón de miles es diminuta frente a la diferencia de conductividad eléctrica entre un metal y un aislante, así que el flujo nunca queda tan limpiamente encerrado en su camino como la corriente.
Un pequeño entrehierro domina la reluctancia
Basta abrir un entrehierro de 1 mm en el núcleo para que, como la μ del aire es tan pequeña, la reluctancia de esa rendija corta iguale o supere la de todo el largo camino de hierro. En la figura también, al ensanchar el entrehierro las flechas de flujo disminuyen y se apagan, porque las reluctancias se suman en serie y el término mayor fija el flujo. Por eso los motores y generadores hacen el entrehierro lo más estrecho posible, mientras que los inductores y los transformadores flyback, al contrario, llevan un entrehierro a propósito para que el núcleo no se sature. En los bordes del entrehierro el flujo se abomba hacia fuera (efecto de borde), así que el área efectiva del entrehierro se toma un poco mayor que la del núcleo.
De vuelta a la primera pantalla
Lo que llenó exactamente el lugar de la corriente fue el flujo Φ. H, la presión que empuja el flujo a lo largo del camino, está del lado de la tensión, y B, lo apretado del flujo, está del lado de la densidad de corriente, así que sus lugares no coincidían. Solo el total que da una vuelta completa al circuito hace el papel de la corriente, y ese total es Φ = NI / R, la fuerza magnetomotriz dividida entre la reluctancia. Al ensanchar el entrehierro el flujo bajó porque el denominador de esta fórmula se hizo mayor.
La ley de Ohm magnética es la base de toda esta materia. En la próxima lección, la inductancia de una bobina depende directamente de la reluctancia como L = N²/R (MC-A2), y los caminos de flujo de transformadores, motores y generadores se analizan todos como circuitos magnéticos en serie y en paralelo como estos. La intuición de que el entrehierro domina la reluctancia lleva directamente al diseño del entrehierro de las máquinas rotativas.