¿Cuál es la diferencia entre el campo magnético H y el campo B?

Question

Wikipedia proporciona una explicación matemática . ¿Puedo tener el intuitivo? Me gustaría, por ejemplo, entender una hoja de datos de ferrita. Normalmente tienen gráficos de H vs B, y la definición de permeabilidad depende de la comprensión de la relación de H y B.

Además, me pregunto: Pude aprender mucho sobre los campos eléctricos antes de saber lo que eran los "campos". Aprendí sobre el voltaje y la ley de Ohm y así sucesivamente, que un físico podría explicar con un campo, pero que el ingeniero eléctrico explica con conceptos más simples, como la diferencia entre dos puntos en un circuito. ¿Existe una explicación similar y más simple de los campos H vs B que sea más relevante para el ingeniero eléctrico y menos para el físico?

Answer 1

H es la fuerza motriz en las bobinas y es amperios-vuelta por metro, donde la parte del metro es la longitud del circuito magnético. En un transformador es fácil determinar esta longitud porque el 99% del flujo está contenido en el núcleo. Una bobina con núcleo de aire es difícil, como se puede imaginar.

Pienso en B como un subproducto de H y B se hace más grande por la permeabilidad del núcleo.

En electrostática, E (intensidad de campo eléctrico) es el equivalente de H (intensidad de campo magnético) y es algo más fácil de visualizar. Sus unidades son voltios por metro y también da lugar a otra cantidad, la densidad de flujo eléctrico (D), cuando se multiplica por la permitividad del material en el que existe: -

\$\dfrac{B}{H} = \mu_0\mu_R\$ y

\$\dfrac{D}{E} = \epsilon_0\epsilon_R\$

En cuanto a las hojas de datos de las ferritas, la curva BH es la importante, ya que te indica la permeabilidad del material y ésta se relaciona directamente con la cantidad de inductancia que puedes obtener por una vuelta de cable.

También indicará cuánta energía podría perderse al invertir el campo magnético - esto, por supuesto, siempre ocurrirá cuando se acciona la CA - no todos los dominios en la ferrita vuelven a producir un promedio de magnetismo cero cuando se retira la corriente y al invertir la corriente los dominios restantes necesitan ser neutralizados antes de que el magnetismo del núcleo se vuelva negativo - esto requiere una pequeña cantidad de energía en la mayoría de las ferritas y da lugar al término pérdida de histéresis.

Otros gráficos importantes en una hoja de datos de ferrita son el de permeabilidad frente a la frecuencia y el de permeabilidad frente a la temperatura.

Por mi experiencia personal de haber diseñado unos cuantos transformadores, los encuentro tortuosos en el sentido de que nunca parece que recuerde de forma natural nada más que lo básico cada vez que empiezo un nuevo diseño y esto es molesto - ¡en esta respuesta he tenido que volver a comprobar todo excepto las unidades de H!

Answer 2

No es usted el primero que se siente desconcertado por las explicaciones convencionales de B y H que se aplican a los dispositivos electromagnéticos prácticos, como los núcleos inductores de ferrita. Durante años he luchado con las explicaciones estándar de la naturaleza de B y H y su aplicación en tales dispositivos. Mi salvación vino de un solo capítulo en un libro en gran parte olvidado que encontré en una tienda de libros usados hace unos veinte años. Creo que el libro está disponible en línea en formato pdf. Prueba con Google Books. El nombre del libro es "The Magnetic Circuit" (El circuito magnético), de V. Karapetoff, y fue publicado alrededor de 1911 -sí, ¡hace más de 110 años! Sin embargo, los principios magnéticos se entendían bien en aquella época y la terminología no ha cambiado en las décadas posteriores.

Si se lee el capítulo 1 con mucha atención, se obtendrá una comprensión muy práctica del campo magnético y de todas sus bellas características, así como de su arcaica terminología, que sigue siendo de uso común hoy en día (por ejemplo, fuerza magnetomotriz, permeancia, reluctancia, flujo frente a densidad de flujo, etc.) Los capítulos restantes también son interesantes, pero no están tan bien presentados como el capítulo 1, que venero como una brillante joya de la exposición ingenieril.

También ayudará a su comprensión si construye unas cuantas bobinas sencillas con núcleo de aire para experimentar como ayuda a la digestión de los conceptos básicos. Utilice un generador de funciones para conducir las bobinas y una bobina más pequeña para detectar el campo magnético y mostrarlo en un osciloscopio. Las bobinas accionadas deben tener un diámetro de entre 6 y 12 pulgadas y la bobina sensora un diámetro de 1/2". Una frecuencia de 1000 Hz es adecuada. Si eres realmente ambicioso deberías construir la bobina toroidal que el autor utiliza como vehículo principal de explicación.

Terminaré dando mi explicación estándar de B y H: El circuito eléctrico más simple es una batería con una resistencia conectada en paralelo. La Ley de Ohms puede aprenderse únicamente a partir de esta sencilla disposición de tres elementos -fuente de tensión, resistencia y cable- junto con un voltímetro y un amperímetro. B y H pueden aprenderse de forma análoga a partir del circuito magnético más sencillo. Se trata de un cable por el que circula una corriente (alterna o continua).

El campo magnético producido por la corriente rodea el cable con una formación cilíndrica de líneas de flujo. "M" es la fuerza magnetomotriz análoga al voltaje de la batería en el ejemplo de la Ley de Ohms. "B" es la fuerza del campo de flujo magnético resultante formado alrededor del cable por esa fuerza magnetomotriz M, y es análoga a la corriente eléctrica "I" en el ejemplo de la Ley de Ohms. La "resistencia" es la permeabilidad del aire que rodea al cable. El aire circundante forma una especie de resistencia magnética "colectiva" o "distribuida" alrededor del cable. Esta "resistencia magnética" dicta una relación de flujo producido "B" para una determinada fuerza motriz (es decir, fuerza magnetomotriz) "M", que es a su vez proporcional al valor de la corriente que fluye a través del cable, de forma bastante similar a la Ley de Ohms. Desgraciadamente, no podemos comprar "resistencias magnéticas" de cualquier valor que nos convenga. Tampoco existe un "medidor de fuerza magnetomotriz" equivalente a nuestro práctico voltímetro disponible en Digikey. Si tienes la suerte de tener un "medidor de flujo" podrías medir el valor "B" de las líneas de flujo que rodean el cable. Así que imagina cómo descifrarías la Ley de Ohms a partir del sencillo circuito batería-resistencia que he descrito anteriormente, si todo lo que tuvieras para trabajar fuera un amperímetro y no conocieras el valor de la resistencia o el voltaje de la batería. Sería un ejercicio intelectual bastante desconcertante. Esta es la mayor carga práctica que hay que superar cuando se aprenden los circuitos magnéticos: sencillamente, no tenemos las herramientas básicas de medición magnética que tenemos para la electricidad.

Ahhhh, pero nadie puede exponerlo exactamente como el bueno de Karapetoff -¡quienquiera que sea y dondequiera que descanse ahora!

Answer 3

Versión corta: Tanto B como H provienen de los imanes o de la corriente.

Uno (H) es "amperios-vuelta", (no: Andy es correcto: amperios-vuelta por metro) el otro (B) es H por la permeabilidad del circuito magnético. Para el aire o el vacío, es 1, por lo que B=H. Para el hierro, B=permeabilidad (número grande) * H.

(EDIT para aclarar : como dice Phil, B es en realidad H * la permeabilidad del espacio libre : que es 1 en unidades CGS, y una constante ( \$\mu_0\$ ) en unidades del SI. En cualquiera de los dos sistemas se multiplica por la "permeabilidad relativa" de los materiales magnéticos como el hierro)

En un escenario más complejo como el de un motor, en el que intervienen piezas de hierro en los polos, barras de hierro en un rotor y espacios de aire, cada sección tiene su propia permeabilidad, longitud y área, por lo que, si bien se conocen los amperios-vuelta, calcular el flujo magnético en cada área (el espacio de aire entre los polos y el rotor, por ejemplo) y, por tanto, el par que se puede esperar del motor se convierte en un complejo proceso de contabilidad.

Se podría pensar que aumentar la permeabilidad para aumentar el flujo magnético para la misma corriente es algo bueno, y se tendría razón hasta cierto punto: la relación B-H no es lineal (por encima de un determinado B, la permeabilidad disminuye (groseramente, cuando todos los dominios magnéticos ya están alineados), lo que se conoce como saturación de un núcleo magnético, o de un componente del circuito magnético de un transformador o motor. Por ejemplo, si un componente se satura antes que los demás, hay que aumentar su sección transversal o cambiar su material. En algunos materiales, la curva B-H también tiene histéresis, es decir, el material se magnetiza y almacena el estado anterior: por eso puede actuar como almacenamiento informático o cinta de audio.

El diseño de circuitos magnéticos es un arte tan importante como el diseño de circuitos eléctricos, y a menudo se descuida.

Answer 4

\$ B = \mu_c\times H\$

B es la densidad de flujo magnético y es única para el material. Más alto \$\mu_c\$ significa más densidad de flujo magnético bajo el mismo campo magnético.

H es la intensidad del campo magnético y es una cantidad absoluta.

Answer 5

Tal como yo lo veo, H es el campo magnético causado por la corriente en la bobina. Supone que no se inserta un núcleo ferromagnético. Si se inserta un núcleo ferromagnético, el campo magnético se hace más fuerte en el núcleo y por lo tanto había una necesidad de describir ese campo magnético neto, denotándolo por B. Como había una necesidad de distinguir entre ellos, H se llamó intensidad de campo y B se llamó densidad de flujo.