Capítulo 2: Principios de Magnetismo

Si observamos la figura anterior podemos ver el polo magnético Norte que se ubica al sur de la tierra y el polo magnético Sur que se ubica al norte de la tierra.

Ahora bien, de la figura también podemos observar cómo salen líneas del polo magnético norte y llegan hasta el polo magnético sur. Esas líneas son las llamadas líneas de flujo magnético que son las responsables de que un compás pueda funcionar en cualquier parte del planeta tierra.

Esas mismas líneas de flujo son las que nos permitirán efectuar la inspección mediante partículas magnéticas. Evidentemente no se usan las líneas de flujo de la tierra para el ensayo, pero el principio físico es el mismo.

Al igual que con las cargas eléctricas los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. Esto lo podemos ver en la siguiente figura.

Tal y como se aprecia en la figura los polos opuestos se atraen y los similares se repelen. También se debe mencionar que siempre se van a tener dos polos en un solo componente, no se pueden aislar uno del otro. Es decir, si se tiene un polo sur necesariamente se tendrá adherido un polo norte y viceversa.

Ahora bien, para generar un campo magnético podemos hablar de dos cosas:

• ¿Qué podemos magnetizar?
• ¿Cómo generamos el campo magnético?

La primera pregunta será respondida con más detalle más adelante en este manual, pero brevemente podemos decir que todos aquellos materiales ferromagnéticos van a ser magnetizables y por lo tanto capaces de ser evaluados mediante partículas magnéticas.

Para responder la segunda pregunta lo mejor es empezar hablando de la siguiente figura.

En la figura anterior podemos observar como una corriente eléctrica afecta directamente un compás. Antes de responder la pregunta también necesitamos ver esta próxima figura.

En la figura anterior vemos como una carga de voltaje positiva y/o negativa son afectadas por la presencia de un campo magnético, en la imagen de la derecha vemos la aplicación más conocida y en desuso que eran los televisores de tubos de rayos catódicos en los cuales se controlaba el disparo de los electrones a la pantalla para generar la imagen con un campo magnético.

Si hacemos un análisis de las últimas dos figuras podemos entender que los campos magnéticos y la electricidad están relacionados directamente.

Entonces, para responder la pregunta de ¿Cómo generamos el campo magnético? Tenemos que hacerlo a través del uso de corriente eléctrica y esto podríamos llamarlo específicamente Inducción Electromagnética.

2. Campos Magnéticos

Como ya se vio anteriormente la presencia de polos magnéticos generará en el espacio un campo magnético que visualmente lo podemos representar a través de líneas de flujo. En la siguiente figura, se muestran algunos ejemplos.

Tal y como se aprecia en la figura anterior tenemos tres tipos de generadores de campos magnéticos: Imán tipo barra, Imán tipo herradura y un solenoide.

Podemos hacer la acotación de que los imanes tienen los polos magnéticos que generan las líneas de flujo. Por otra parte, el solenoide tiene una corriente eléctrica que es la responsable de generar el campo magnético.

Como queda en evidencia en la figura anterior es claro que la geometría del generador del campo magnético afectara el recorrido que tendrán las líneas de flujo. Pero algo que si podemos establecer es que las líneas de flujo siempre siguen 4 propiedades sumamente importantes:

1. Las líneas del flujo deben ser tangentes en cualquier punto de la línea de flujo.
2. A medida que la densidad de líneas de flujo es mayor la intensidad del flujo es mayor.
3. Las líneas de flujo siempre van de cargas positivas a cargas negativas. O del polo Norte al polo Sur.
4. Las líneas de flujo nunca se cruzan entre sí.
5. Las líneas de flujo siempre buscan el camino de menor resistencia.

3. Magnetismo por Inducción

La inducción electromagnética es la magnetización de un componente mediante la utilización de una corriente eléctrica. Este fenómeno es crucial para el método de partículas magnéticas ya que sin las líneas de flujo saliendo de la pieza evaluada no podríamos efectuar la inspección. En la siguiente figura se aprecia un proceso de magnetización en una inspección.

En la figura anterior se aprecia la inspección de partículas magnéticas en donde se utiliza un yugo electromagnético para generar un campo magnético en la pieza evaluada.

Para entender cómo funciona la inducción electromagnética podemos basarnos en la siguiente figura.

En la figura anterior vemos un cilindro azul que pensemos que básicamente es un cable conductor a través del cual pasa una corriente eléctrica denotada con la letra I.

Como ya hemos visto existe una relación entre la corriente eléctrica y los campos magnéticos y esto lo podemos apreciar en la figura anterior. Se aprecian las líneas negras denotadas por la letra B, esa letra B significa campo magnético.

Toda corriente eléctrica generara un campo magnético perpendicular al movimiento del flujo de la corriente.

Si queremos verlo desde un punto de vista práctico y mucho más fácil de recordar podemos hablar de la conocida regla de la mano derecha que se ilustra en la siguiente figura.

Vemos que la relación entre la corriente eléctrica y el campo magnético se puede relacionar con la posición de la mano derecha colocándola de la forma en que se encuentra en la figura.

Ahora bien, si trasladamos este fenómeno al yugo electromagnético que vimos anteriormente tenemos que pensar que debe existir una corriente eléctrica pasando a través del yugo y a su vez esa corriente eléctrica estará generando un campo magnético entrará en contacto con la pieza evaluada. Esto lo podemos observar en la siguiente figura.

Tal y como se aprecia en la figura anterior un yugo electromagnético consta de un solenoide a través de la cual fluye la corriente y genera un campo magnético que pasara a través de la superficie del componente evaluado.

Ahora bien, el hecho de que el campo magnético generado por el yugo entre en contacto con un componente no significa que se magnetizara.

Ya mencionamos anteriormente que una condición es que el material tenga la capacidad de ser magnetizado y para ello debe ser un material ferromagnético.

Un material ferromagnético al ser sometido a una carga eléctrica o a un campo magnético resultará en un proceso de magnetización a través de la reorientación de sus dominios magnéticos, esto será explicado más adelante.

4. Definiciones, Unidades y Formulas de Medición Electromagnética

Ya que tenemos una base teórica de la magnetización es momento de definir algunos conceptos y establecer las unidades de medición que se utilizan en este campo de la física.

• Imán: Un imán es un cuerpo con magnetismo. Dicho magnetismo es capaz de atraer otros imanes o metales ferromagnéticos como hierro, cobalto, níquel, entre otros.
• Electroimán: Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético que produce se debe al flujo de una corriente eléctrica. Normalmente un electroimán consiste de un embobinado de alambre con una corriente eléctrica que fluye a través de este embobinado, un ejemplo sería el yugo electromagnético que se mostró previamente en este manual.
• Líneas de Flujo: Las líneas de flujo de un campo magnético son las líneas ficticias que van del polo norte de un imán al polo sur. Estas líneas nos ayudan a comprender el comportamiento del campo magnético al igual que visualizar su campo de acción.
• Campo Magnético: El campo magnético es una zona en la que la fuerza magnética actúa. Desde un punto de vista físico el campo magnético se representa con la letra H.
• Retentividad: Es la capacidad que tiene un material de mantener un campo magnético luego de la remoción de la fuerza magnetizante.
• Magnetismo Residual: El campo magnético remanente es un campo magnético generado por un material ferromagnético que fue previamente magnetizado por un campo magnéticos externo y luego fue removido. La remanencia de esa magnetización es la que genera el campo magnético remanente.
• Flujo Magnético: El flujo magnético representa la superficie a través de la cual el campo magnético B. El flujo magnético se representa con la letra Φ.
• Maxwell: El maxwell (Mx) es la unidad del sistema CGS (Centímetro – Gramo – Segundo) para representar el flujo magnético Φ_B.
• Weber: El weber (Wb) es la unidad del sistema internacional SI para representar el flujo magnético Φ_B. 1Wb =10⁸Mx.
• Densidad de Flujo: La densidad de flujo magnético básicamente es el flujo magnético del campo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo. Se representa con la letra B.
• Gauss: El gauss (G) es la unidad del sistema CGS (Centímetro – Gramo – Segundo) para representar la densidad del flujo magnético Φ_B.
• Tesla: El tesla (T) es la unidad del sistema internacional SI para representar el flujo magnético Φ_B en donde el T básicamente es Wb/m². Tenemos que 1Wb/m² = 1T = 10⁴G.
• Permeabilidad Magnética: La permeabilidad magnética es la capacidad que tienen los materiales conductores de atraer y conducir líneas de flujo. Dicho de otra forma, es la medida de que tan fácil el componente se magnetiza. La permeabilidad magnética se denota por la letra µ.
• Reluctancia: La reluctancia magnética es la resistencia que tiene un material al paso del flujo magnético. Es decir, a mayor reluctancia será más difícil que el flujo magnético pase. Por lo tanto, un material con alta permeabilidad magnética significa menor reluctancia.
• Fuerza Coercitiva: La fuerza coercitiva es la intensidad que se requiere aplicar del campo magnético para desmagnetizar el material ferromagnético.
• Histéresis Magnética: La histéresis magnética es el fenómeno que ocurre cuando un campo magnético externo se aplica sobre un componente magnetizable y luego de remover dicho campo magnético la pieza producto de la magnetización genera un campo magnético.
• Dominios Magnéticos: Los dominios magnéticos son regiones dentro de un material en donde la magnetización en dicho dominio está alineada. Los materiales ferromagnéticos están conformados por estos dominios y si todos los dominios magnéticos se alinean tendremos un componente magnetizado. Esto explica porque el hierro no es espontáneamente magnético, debe pasar por un proceso de magnetización.

1.1 Regla Nemotécnica de Interrelación Magnética – PRRRC

Una herramienta sumamente útil para saber las relaciones entre algunas propiedades magnéticas es PRRRC. El significado de este acrónimo lo podemos ver en la siguiente figura.

Tal y como se aprecia en la figura anterior existe una relación entre la permeabilidad magnética y el resto de las propiedades. Entonces podemos decir que:

A medida que la permeabilidad magnética es mayor:

• Disminuye la reluctancia. Es decir, se magnetiza más fácilmente.
• Disminuye el magnetismo residual. Es decir, que se tiene menos campo magnético residual.
• Disminuye la Retentividad. Es decir, que es más difícil de mantener el campo magnético residual.
• Disminuye la fuerza coercitiva. Es decir, se requiere de menos energía para desmagnetizar el componente.

Por el otro lado, a medida que la permeabilidad magnética es menor:

• Aumenta la reluctancia. Es decir, es más difícil de magnetizar.
• Aumenta el magnetismo residual. Es decir, que se tiene más campo magnético residual.
• Aumenta la Retentividad. Es decir, que es más fácil de mantener el campo magnético residual.
• Aumenta la fuerza coercitiva. Es decir, se requiere de más energía para desmagnetizar el componente.

5. Materiales Magnéticos

Podemos decir que todos los materiales poseen propiedades magnéticas ya que ciertamente se verán afectados por los campos magnéticos a cierto grado.

Evidentemente que tanto afectara el campo magnético a un material dependerá del tipo de material que entre en contacto con el campo magnético. Desde un punto de vista general y sin entrar mucho en la teoría sabemos que existen materiales conductores como el cobre y materiales aislantes como el caucho.

Solo pensando en eso podemos darnos cuenta de la variedad en comportamiento que puede existir y esto será producto de la permeabilidad magnética µ que tenga cada material.

Podemos distinguir tres grandes grupos de materiales: diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos. Ahora bien, una variable que es sumamente importante y que determina el tipo de material es la permeabilidad magnética.

A manera de ilustrar las diferencias de valores de permeabilidad magnética en función del tipo de material observemos la siguiente figura.

En la imagen anterior observamos un eje de coordenadas que evalúa el flujo magnético B en función al campo magnético H de un material. Dependiendo de la permeabilidad magnética del material la relación entre estas variables tendrán distintos comportamientos.

µ₀= Permeabilidad magnética del vacío.
µ_f= Permeabilidad magnética de un material ferromagnético
µ_p= Permeabilidad magnética de material paramagnético.
µ_d= Permeabilidad magnética de un material diamagnético.

La relación entre B, H y µ se puede definir en una ecuación que es la siguiente.

B=µ×H

Material Diamagnético: Un material diamagnético es aquel material que tiene una permeabilidad magnética por debajo de 1. Algunos materiales diamagnéticos son: Oro, zinc, bismuto y mercurio.

Estos materiales cuando son colocados en campos magnéticos su campo magnético inducido van en el sentido opuesto generando el fenómeno de repulsión. Esta es una magnetización muy débil que no suele mantenerse luego de la remoción del campo magnético.

Material Paramagnético: Un material paramagnético es aquel material que tiene una permeabilidad magnética por encima de 1. Algunos materiales paramagnéticos son: Aluminio, plata, madera, entre otros.

Cuando este material se encuentra en dentro de un campo magnético se alineará y será atraído por este. El magnetismo no se mantiene luego de la remoción del campo externo.

Material Ferromagnético: Un material ferromagnético es aquel material que tiene una permeabilidad magnética muy por encima de 1. Algunos materiales ferromagnéticos son: Hierro, cobalto, níquel, algunas aleaciones de cobre, algunas aleaciones de aluminio, entre otros.

La siguiente sección especificar en detalle sobre los materiales ferromagnéticos.

6. Materiales Ferromagnéticos y Dominios Magnéticos

Los materiales ferromagnéticos son aquellos materiales que son fuertemente atraídos por las fuerzas magnéticas y esto se debe a que este tipo de material se magnetiza fácilmente.

La permeabilidad magnética que tienen estos materiales es sumamente alta y es por ello que son fácilmente magnetizables.

Ahora bien, la facilidad que poseen estos materiales de magnetizarse se explica a través de la presencia de los dominios magnéticos que conforman estos materiales. La mejor manera de explicarlo es a través de la siguiente figura.

Tal y como apreciamos en la figura anterior y sin entrar en mucha profundidad en ciencias de los materiales podemos ver que los materiales ferromagnéticos están conformados por unas regiones claramente definidas. Estas regiones las podemos llamar granos en el mundo de ciencias de los materiales y a su vez las podemos llamar dominios magnéticos.

Cada uno de estos dominios tiene polaridad positiva y negativa, esto significa que cada uno de los dominios es como si fuera una especie de imán. Ahora bien, como se aprecia en la figura anterior todos estos dominios no tienen una orientación global definida, pero si logramos orientar todos los dominios generaríamos una especia de imán gigante y básicamente este es el proceso de magnetización.

En la siguiente figura podemos observar cómo los dominios magnéticos se alineas debido a una fuerza de magnetización externa.

Tal y como se aprecia en la figura anterior a medida que la fuerza de magnetización se imprime sobre el componente ferromagnético los dominios se alinean hasta generar dos polos magnéticos globales.

Una vez que la fuerza de magnetización externa se remueve del componente los dominios magnéticos mantienen su orientación queriendo decir que el componente retiene cierta cantidad del magnetismo imprimo y por lo tanto genera su propio campo magnético que para nosotros como inspectores de partículas magnéticas es lo que ciertamente nos interesa.

Gracias a ese campo magnético que permanecerá en la pieza podemos proceder a utilizar las partículas magnéticas para evaluar el flujo magnético que recorre la pieza.

A manera de resumen podemos decir que los materiales ferromagnéticos tienen las siguientes características:

• Son fuertemente atraídos por campo magnéticos.
• Son capaces de mantener cierta cantidad de magnetismo debido a la alineación de los dominios magnéticos.
• La permeabilidad magnética de estos materiales es bastante alta.

7. Materiales y Magnetización

Como se ha observado a lo largo de este manual, sabemos que el material debe tener las características adecuadas para poder ser candidato para ser evaluado mediante el método de partículas magnéticas. En este apartado hablaremos de algunos materiales específicos, que podemos encontrar con recurrencia en las diversas industrias, y evaluaremos su capacidad de ser evaluado mediante el método.

• Acero Inoxidable: El acero inoxidable es un material ferromagnético que se magnetiza fácilmente. Sin embargo, la magnetización puede variar según la composición química y el tratamiento térmico del acero inoxidable.
• Acero Inoxidable Ferrítico: El acero inoxidable ferrítico es un tipo de acero inoxidable que contiene cromo y hierro, son magnéticos y su estructura metalográfica está formada básicamente por ferrita. Es un material ferromagnético que se magnetiza fácilmente.
• Aceros Inoxidables Austeníticos: Los aceros inoxidables austeníticos son un tipo de acero inoxidable que contienen níquel, cromo y hierro. Son materiales paramagnéticos que no se magnetizan fácilmente.
• Aceros Inoxidables Martensíticos: Los aceros inoxidables martensíticos son un tipo de acero inoxidable que contienen cromo y hierro, se caracterizan por su estructura cristalina martensítica. Son materiales ferromagnéticos que se magnetizan fácilmente.
• Aceros Aleados: Los aceros aleados son materiales ferromagnéticos que se magnetizan fácilmente. La capacidad de magnetización puede variar según la composición química y el tratamiento térmico del acero.
• Aceros de alto contenido de carbono: Los aceros de alto contenido de carbono son materiales ferromagnéticos que se magnetizan fácilmente. La capacidad de magnetización puede variar según la composición química y el tratamiento térmico del acero.

8. Curva de Histéresis

Como ya se definió anteriormente la histéresis magnética es el fenómeno que ocurre cuando un campo magnético externo se aplica sobre un componente magnetizable y luego de remover dicho campo magnético la pieza producto de la magnetización genera un campo magnético.

Por otra parte, sabemos que los materiales magnetizables son los materiales ferromagnéticos y dependiendo del material su capacidad de ser magnetizado variara (no todos los materiales son iguales).

Mediante la curva de histéresis magnética podemos en primer lugar observar cómo se da el fenómeno de magnetización y en segundo lugar podemos evaluar las características de cada fenómeno material. A continuación, podemos observar la curva.

Tal y como se aprecia en la figura anterior la curva de histéresis se presenta en un plano cartesiano que relaciona H y B. Pero por otra parte vemos que nuestra curva de histéresis posee varias partes definidas en la figura. Estas partes son:

• O: Componente desmagnetizado.
• A: Componente magnetizado con saturación máxima.
• B: Magnetismo residual en el componente cuando H=0.
• C: Fuerza coercitiva para llevar B a 0.
• D: Componente magnetizado con saturación máxima.
• E: Magnetismo residual en el componente cuando H=0.
• F: Fuerza coercitiva para llevar B a 0.

Para entender qué es lo que estamos observando en la curva de histéresis veremos cada una de las etapas.

Cuando se llega al punto A significa que el material ha llegado a su punto máximo de magnetización que básicamente seria su saturación magnética. Este tramo O-A nos da una idea de la permeabilidad magnética que tiene el componente.

Luego si procedemos a remover el campo magnético externo la curva de histéresis ira del punto A al punto B tal y como observamos a continuación.

Podemos observar que al remover el campo magnético externo los dominios magnéticos del material se mantienen alineados y esto quiere decir que el componente se mantiene magnetizado. Esa magnetización remanente se ve representada en la curva de histéresis como el punto B, en se punto no tenemos un campo magnético externo H, pero mantenemos una magnetización remanente.

Si procedemos a aplicar un campo magnético externo, pero en el sentido opuesto al aplicado inicialmente veremos cómo curva de histéresis va del punto B hasta el punto D, pasando por el punto C.

El punto C hace referencia a la fuerza coercitiva que se necesita para regresar al punto (0,0) que significa que el material se encuentra desmagnetizado. Si se mantiene la magnetización se llegará al punto de saturación D.

Finalmente, si repetimos la magnetización en el sentido inicial cerraríamos el ciclo de la curva de histéresis.

Dependiendo del tipo de material la curva de histéresis variara levemente. Se pueden definir dos tipos de aceros que tienen curvas de histéresis características, estos son: Acero Duro y Acero Suave.

De manera comparativa podemos observar la siguiente figura.

La imagen A de la figura anterior hace alusión a la curva de histéresis de un acero suave y la imagen B hace referencia a la curva de histéresis de un acero duro.

7.1 Curva de Histéresis de Acero Duro

Al evaluar la curva de histéresis de un acero duro es muy fácil ver que la fuerza de magnetización que se requiere para efectivamente magnetizar este tipo de material es mayor que la necesaria para un acero suave.

Pero, por otra parte, el acero duro retendrá un campo magnético residual mucho mayor que los que podría retener un acero suave.

En la siguiente lista sintetizamos las características de un acero duro:

• Baja Permeabilidad – Es difícil de magnetizar.
• Alta Retentividad – Mantiene un campo magnético residual fuerte.
• Alta Reluctancia – Tiene una alta resistencia a la fuerza de magnetización.
• Magnetismo residual alto – Mantiene un campo magnético residual fuerte.
• Alta fuerza coercitiva – Requiere de una fuerza magnética alta para remover la magnetización.

7.2 Curva de Histéresis de Acero Suave

La curva de los aceros suaves podríamos decir que es el opuesto de los aceros duros ya que se magnetizan fácilmente y la fuerza del campo magnético residual es bajo en comparación a un acero duro.

En la siguiente lista sintetizamos las características de un acero suave:

• Alta Permeabilidad – Es fácil de magnetizar.
• Baja Retentividad – Mantiene un campo magnético residual débil.
• Baja Reluctancia – Tiene una baja resistencia a la fuerza de magnetización.
• Magnetismo residual bajo – Mantiene un campo magnético residual débil.
• Baja fuerza coercitiva – Requiere de una fuerza magnética baja para remover la magnetización.

9. Desmagnetización

La desmagnetización de un componente es un proceso sumamente importante sobre todo para las inspecciones de ensayos no destructivos. A continuación, podemos listar algunos de los motivos por los cuales la desmagnetización es tan importante:

• La magnetización puede interferir con operaciones de maquinado en donde la viruta puede adherirse a los componentes de maquinado y estropear el proceso.
• La magnetización interfiere con la plasma ionizada en los procesos de soldadura.
• Interfiere con componentes dinámicos adhiriéndose a ellos y causando posibles problemas en operación.
• Piezas pequeñas que se encuentren magnetizadas se unirán entre sí.

Ciertamente la desmagnetización es sumamente importante ya que como podemos ver por los puntos anteriores puede tener efectos negativos en distintos procesos.

Ahora bien, en el caso de que la magnetización no influya en las operaciones posteriores en el uso de dicho componente podríamos decir que la desmagnetización no es necesaria, pero a fin de cuentas la responsabilidad de decidir si la pieza se debe desmagnetizar o no tiene que recaer en un procedimiento especifico en el que se estipulen los motivos por los cuales sí o no se deba desmagnetizar. O en caso de que haya un magnetismo residual permisible que se estipule.

Existen distintos métodos de desmagnetización, pero el método específico dependerá normalmente del tamaño de la pieza.

El proceso de desmagnetización se puede explicar mediante la curva de histéresis. Lo que se debe hacer es realizar ciclos de la curva con corriente alterna en donde gradualmente se va disminuyendo la intensidad, lo que poco a poco generara una magnetización próxima a cero. Este proceso se puede observar en la siguiente figura.

Como se aprecia en la figura anterior la curva de histéresis poco a poco va disminuyendo en tamaño significando que la magnetización de la pieza va disminuyendo, pero claramente vemos que no llega al valor de cero. Es prácticamente imposible desmagnetizar totalmente un componente mediante una desmagnetización “tradicional”.

La única forma de desmagnetizar totalmente un componente es mediante un aumento de temperatura por encima de la temperatura de Curie que para los aceros es aproximadamente 770°C. De manera breve, podemos decir que la temperatura de Curie es la temperatura a partir de la cual los componentes ferromagnéticos pierden su magnetismo y tienen un comportamiento paramagnético.