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Mantenimiento de Aeronaves

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ÍNDICE Páginas efectivas

3.10.1.- TEORÍA DEL MAGNETISMO.

3.10.2.- PROPIEDADES DE UN IMÁN.

3.10.3.- ACCIÓN DE UN IMÁN INMERSO EN EL CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE.

3.10.4.- MAGNETIZACIÓN Y DESMAGNETIZACIÓN.

3.10.5.- BLINDAJE MAGNÉTICO.

3.10.6.- TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS.

3.10.7.- PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Y FABRICACIÓN DE ELECTROIMANES. REGLA DE LA MANO DERECHA PARA DETERMINAR EL CAMPO MAGNÉTICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR QUE TRANSPORTA CORRIENTE ELÉCTRICA.

3.10.8.- FUERZA MAGNETOMOTRIZ, INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO, DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO, PERMEABILIDAD, CICLO DE HISTÉRESIS, MAGNETISMO REMANENTE, FUERZA COERCITIVA, RELUCTANCIA, PUNTO DE SATURACIÓN Y CORRIENTES PARÁSITAS.

3.10.9.- PRECAUCIONES EN EL MANEJO Y ALMACENAMIENTO DE IMANES.


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3.10.1.- TEORÍA DEL MAGNETISMO. El magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones. Sin embargo, todos los materiales son influenciados, en mayor o menor medida, por la presencia de un campo magnético.

Cada electrón es por su naturaleza, un pequeño imán. Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados.

Así, el comportamiento magnético de un material depende de la estructura atómica del material y, particularmente, de la configuración electrónica.

3.10.2.- PROPIEDADES DE UN IMÁN.

1. Los imanes son materiales capaces de atraer ciertas sustancias llamadas sustancias magnéticas, como el hierro, acero, cobalto y níquel. En cambio, no atraen a otras sustancias como la madera, la arena o el oro.

2. Las partes de un imán son:

a. Polos: los dos extremos del imán donde las fuerzas de atracción son más intensas.

Un imán consta de dos polos cualquiera que sea la forma del imán, denominados polo norte y polo sur. Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen (Figura 1).


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Figura 1. Polos de un imán.

b. Eje magnético: Eje del imán que une ambos polos.

c. Línea neutra o ecuador: La parte central del imán equidistante de los polos recibe el nombre de línea neutra y también, a veces, ecuador, no manifestándose en ella la fuerza atractiva.

3. No existen polos aislados (monopolo magnético). Por lo tanto, si un imán se rompe en

dos partes se forman dos nuevos imanes, cada uno con su polo N y su polo S, y la fuerza de atracción del imán disminuye (Figura 2).

Figura 2. División de un imán en partes.

4. Si se aproxima una material ferromagnético a un imán se induce y adquiere propiedades magnéticas.

5. Todo material puede perder sus propiedades magnéticas debido fundamentalmente a dos

motivos:

i. Si se golpea repetidamente provocando vibraciones que dan lugar a un cierto desorden molecular.


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ii. Si se calienta hasta alcanzar una temperatura adecuada denominada “Temperatura de Curie”; así tenemos que, para el hierro es 750 ºC, para el níquel 350 ºC y para el cobalto 1100ºC.

6. Se llama campo magnético a la región del espacio alrededor de un imán, o de un

electroimán, donde se manifiesta la acción magnética. Dentro de esta región, cualquier partícula de hierro es atraída y fuera de ella no sufre atracción alguna. El campo magnético se representa por líneas de fuerza que van del polo norte al sur por el exterior del imán (o electroimán), cerrando el circuito magnético por el interior desde el polo sur al norte (Figura 3). Al conjunto de líneas de fuerza, que atraviesan una región del espacio determinada, lo designamos como flujo magnético, representado con la letra griega Φ. La unidad de flujo magnético en el Sistema internacional de unidades es el weber, Sistema Internacional de unidades, y se designa por Wb.

Figura 3. Campo magnético de un imán y líneas de fuerza.

3.10.3.- ACCIÓN DE UN IMÁN INMERSO EN EL CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE. Una brújula apunta en la dirección Sur-Norte por tratarse de una aguja imantada inmersa en el campo magnético terrestre: desde este punto de vista, la Tierra se comporta como un imán gigantesco y tiene polos magnéticos, los cuales, en la actualidad, no coinciden con los polos geográficos (Figura 4). Antiguamente, se creía que el magnetismo terrestre estaba originado por un gigantesco imán situado dentro de la Tierra (hipótesis del imán permanente). Ciertamente, la Tierra contiene yacimientos de minerales de hierro, y se cree que su núcleo, cuyo radio excede de los 3.400 Km,


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está compuesto por hierro y níquel, sustancias altamente magnéticas. Sin embargo, las sustancias ferromagnéticas, como el hierro y el níquel, pierden su magnetismo por encima del denominado punto de Curie, que es de 770 °C para el hierro y de 360 °C para el níquel. Como la temperatura del núcleo es superior a estos valores (es mayor de 2.000 ºC), ni el níquel ni el hierro pueden conservar su magnetismo. El núcleo terrestre no puede ser, pues, un imán permanente.

Figura 4. Campo magnético terrestre. El núcleo terrestre es líquido. Se trata de un magma muy caliente, un material conductor. Como el planeta gira, dicho magma también lo hace. La rotación del material conductor crea una dinamo auto-excitada, y es ella la que da lugar al campo magnético terrestre, que presenta un polo Norte y un polo Sur. Así, el campo magnético terrestre es creado debido a un efecto dinamo en el interior del núcleo. En el centro de la tierra existe una esfera de hierro sólido, con una temperatura del mismo valor que la superficie del sol que se conoce con el nombre de núcleo interno, que gira con más velocidad que la superficie de la tierra, cuenta con su propio océano, que es de hierro líquido conocido como núcleo externo (Figura 5). Estos complejos movimientos, generan el magnetismo de nuestro planeta a través de un proceso llamado efecto dinamo (consiste en la generación espontánea de un campo magnético en un fluido conductor eléctricamente neutro). El núcleo interno tiene el tamaño aproximado que el de la luna.


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Figura 5. Capas de la Tierra.

El fenómeno del magnetismo fue conocido por los griegos desde el año 800 a.C. Ellos descubrieron que ciertas piedras, ahora llamadas magnetita atraían piezas de hierro (Tales). La brújula o compás magnético se empezó a utilizar como instrumento de navegación en Occidente alrededor del año 1300 d.C. Una aguja magnetizada que puede girar libremente apunta al polo norte magnético. La dirección del norte magnético es diferente de la del norte geográfico. El primero está determinado por la orientación del campo magnético de la Tierra. El norte geográfico se encuentra en uno de los extremos del eje de rotación de la Tierra (Figura 6). Así, el polo sur magnético se encuentra a unos 1800 kilómetros del polo norte geográfico. En consecuencia, una brújula no apunta exactamente hacia el norte geográfico; la diferencia, medida en grados, se denomina declinación magnética.

Figura 6. Polos geográficos y magnéticos de la Tierra.


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El polo de la aguja magnética que queda orientado hacia el norte geográfico se denomina polo norte magnético del imán. El otro polo es el sur magnético. El norte geográfico de la Tierra es un polo sur magnético debido a que atrae el polo norte de un imán y el polo sur geográfico es un polo norte magnético.

3.10.4.- MAGNETIZACIÓN Y DESMAGNETIZACIÓN. El magnetismo que observamos en un medio material tiene su origen en el comportamiento magnético de los átomos que lo constituyen. Cada átomo se comporta como un pequeño imán capaz de ejercer fuerzas sobre otros imanes, y de ser, a su vez, afectado por ellos. Se dice que cada átomo tiene asociado un momento magnético. Así, cada elemento químico tiene un momento magnético producido por los momentos magnéticos de las partículas más elementales que lo constituyen. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones (orientación aleatoria) sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas. En cambio, si todos los pequeños imanes se alinean actúan como un único imán más grande; en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado. La pérdida de propiedades magnéticas de un material magnético o magnetizado puede ocurrir por tres causas:

− Calentamiento hasta la “temperatura de Curie” que es diferente para cada compuesto. Por ejemplo, para el hierro es 750 ºC, para el níquel 350 ºC y para el cobalto 1100ºC.

− También se produce la desimanación por contacto. Cada vez que acercamos otro objeto a

un imán, dicho imán pierde parte de sus propiedades magnéticas.

− Además, las vibraciones mecánicas producidas por fuertes golpes puede provocar cierto desorden molecular, de manera que el imán pierda su potencia magnética.

Un imán desmagnetizado, o cualquier otro material ferromagnético, puede volver a magnetizarse si no está muy caliente y si se le aplica un campo magnético intenso (dependiendo de cada material).


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3.10.5.- BLINDAJE MAGNÉTICO. El flujo magnético se encorva, distorsiona y se guía colocando materiales de reluctancia baja en el campo magnético (reluctancia = resistencia). Por ejemplo, en la figura 7 se observa que la mayor parte del flujo generado por los imanes encorva y se guía a través de la barra de hierro torcida (material ferromagnético).

Figura 7. Efecto de un material ferromagnético en el seno de un campo.

El blindaje magnético utiliza la tendencia del flujo a distorsionar y seguir el camino de reluctancia más baja. Un blindaje magnético es precisamente un material de reluctancia muy baja. El material se pone en torno al objeto que ha de protegerse de cualquier campo magnético en sus proximidades (figura 8).

Figura 8. Ejemplo de blindaje magnético.


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3.10.6.- TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS. Se llama permeabilidad magnética a la facilidad que tienen los cuerpos a ser atravesados por las líneas de fuerza, teniendo cada sustancia un coeficiente de permeabilidad, μ, del mismo modo que la facilidad para conducir la corriente eléctrica se llama conductividad y a cada sustancia corresponde su coeficiente. Así, una sustancia que presenta dificultad a ser atravesada por las líneas de fuerza magnética tiene un bajo coeficiente de permeabilidad. De modo inverso, se dice que una sustancia es muy permeable a las líneas de fuerza (alto coeficiente de permeabilidad) cuando conduce con facilidad las líneas de fuerza. Se define la permeabilidad relativa de un elemento como el cociente de su permeabilidad y la permeabilidad en el vacío. Los materiales se pueden clasificar según su permeabilidad magnética relativa en:

− Ferromagnéticos: permeabilidad relativa muy superior a 1. − Paramagnéticos: permeabilidad relativa aproximadamente 1. − Diamagnéticos: permeabilidad relativa inferior a 1.

3.10.7.- PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Y FABRICACIÓN DE ELECTROIMANES. REGLA DE LA MANO DERECHA PARA DETERMINAR EL CAMPO MAGNÉTICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR QUE TRANSPORTA CORRIENTE ELÉCTRICA. Hans Christian Oersted, profesor de filosofía natural en la Universidad de Copenhague, inició en 1807, sus investigaciones sobre los efectos de la electricidad en la aguja magnética de una brújula. En ese año, y posteriormente en 1812 publicó varios ensayos en los que argüía que la electricidad y el magnetismo deberían estar relacionados. Sus argumentos se basaban en la creencia de la unidad de todas las fuerzas de la naturaleza. Sin embargo, no presentó ningún resultado experimental que verificara sus conclusiones. Oersted trató de verificarla realizando una serie de experimentos con corrientes eléctricas. Durante muchos años no obtuvo ningún resultado positivo, en gran parte debido a que las fuentes de corriente de que disponía eran pilas voltaicas de muy baja intensidad. En 1820, durante una clase en que estaba presentando a sus alumnos ciertos experimentos eléctricos, vio la desviación que sufría una aguja magnética situada en las proximidades de un conductor eléctrico. La experiencia de Oersted fue la siguiente: para llevar a cabo el experimento dispuso de una aguja imantada que podía girar en torno a un eje que pasaba por su centro (figura 9). Inicialmente, sobre la aguja sólo actuaba el campo magnético terrestre de forma que ésta se orientaba en la dirección Norte-Sur. Con la aguja en equilibrio colocó un tramo de conductor recto paralelo a la aguja. Un amperímetro conectado en serie con el conductor indicaría cuándo


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circulaba corriente por el mismo. En esta situación, si se hacía circular una corriente elevada por el conductor, del orden de 6 A, se observaba que la aguja se desviaba de su posición de equilibrio, oscilando en torno a las direcciones paralela y perpendicular al conductor. Al eliminar la corriente, la aguja volvía a oscilar en torno a la dirección paralela al conductor (Norte-Sur) hasta que se detenía. Seguidamente se invertía el sentido de la corriente y se observaba que la aguja se desviaba en sentido contrario. Conclusión: cuando circulaba corriente por el conductor, sobre la aguja magnética actuaban dos fuerzas, la fuerza debida al campo magnético terrestre y la fuerza originada por el campo magnético que el conductor creaba en su entorno. El experimento de Oersted puso por primera vez de manifiesto que existía una conexión entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. La publicación de este trabajo causó inmediatamente sensación, dando lugar a muchas interrogantes y estimulando un gran número de investigaciones. A partir de esta experiencia pudo revelarse la verdadera naturaleza del magnetismo, cuyo origen debe situarse en el movimiento de cargas eléctricas.

Figura 9. Relación entre las fuerzas eléctricas y magnéticas, experiencia de Oersted.

Más tarde se llegó a la conclusión de que las líneas de fuerza del campo magnético creado por un conductor rectilíneo son circunferencias concéntricas y perpendiculares al conductor eléctrico. Para saber la dirección que llevan dichas líneas de fuerza utilizamos la regla de la mano derecha (figura 10). Para aplicar dicha regla, tomamos el hilo conductor con la mano derecha colocando el dedo pulgar extendido a lo largo del hilo en el sentido de la corriente. Los otros dedos de la mano indican el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético creado. Esta regla permite relacionar el sentido de una corriente rectilínea con el sentido del las líneas de fuerza del campo magnético creado por ella.


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Figura 10. Regla de la mano derecha para determinar el campo magnético. Campo magnético generado por una espira. Una espira es un hilo conductor en forma de línea cerrada, pudiendo ser circular, rectangular, cuadrada, etc. El sentido de las líneas de fuerza viene dado por la regla de la mano derecha (figura 11).

Figura 11. Campo magnético generado por una espira.


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Campo magnético creado por un solenoide o bobina. Si, en lugar de disponer de una sola espira, colocamos el hilo conductor en forma enrollada, obtendremos un solenoide o bobina. En este caso, el campo magnético creado por la corriente al pasar a través de la bobina será mucho mayor, puesto que el campo magnético final será la suma de campos creados por cada una de las espiras (figura 12). Así pues, en una bobina, el campo magnético será más intenso cuanto mayor sea la intensidad de corriente que circule por ella y el número de espiras que contenga la bobina. De esta forma, una bobina, por la que circule una corriente eléctrica equivaldría a un imán de barra.

Figura 12. Campo magnético generado por un solenoide.

El sentido de las líneas de fuerza se determina con la regla de la mano derecha. Se toma la bobina con la mano derecha de manera que la punta de los dedos indique el sentido de la corriente y el pulgar extendido indicará el polo norte del solenoide. Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el paso de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado como el solenoide mostrado anteriormente. En este tipo de elementos pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo», de material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro dulce), dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético evitando su dispersión, reforzando el campo generado por la propia bobina. Así, denominamos electroimán a un dispositivo formado por un núcleo de hierro dulce al que se le ha arrollado, en forma de bobina, un hilo conductor recubierto de un material aislante (seda o barniz). La intensidad del campo magnético, y por lo tanto la fuerza magnética que puede desarrollar, depende de cuatro factores:


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− El tipo de material del núcleo. − El tamaño y forma del núcleo. − El número de espiras de la bobina. − El valor de la corriente en la bobina. En general, el imán será más potente cuando: − El material del núcleo tenga la permeabilidad más elevada. − El material del núcleo tenga mayor tamaño. − El número de vueltas y la intensidad sean lo más grande posible. − Los electroimanes se suelen construir con diversas formas, dependiendo de la aplicación

a que estén destinados, aunque una forma muy común es la de núcleo en herradura, ya que así se aumenta extraordinariamente la intensidad del campo magnético que producen, por disminuir la distancia entre los polos.

3.10.8.- FUERZA MAGNETOMOTRIZ, INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO, DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO, PERMEABILIDAD, CICLO DE HISTÉRESIS, MAGNETISMO REMANENTE, FUERZA COERCITIVA, RELUCTANCIA, PUNTO DE SATURACIÓN Y CORRIENTES PARÁSITAS. Las leyes de los circuitos magnéticos son formalmente similares a las de los circuitos eléctricos, aunque al contrario que en este último, no hay nada material que circule. Así, podemos establecer la siguiente analogía entre los dos tipos de circuitos:

Circuito magnético Análogo en circuito eléctrico

Fuerza magnetomotriz Fuerza electromotriz

Flujo Corriente

Reluctancia Resistencia

Densidad de flujo Densidad de corriente

Permeabilidad Conductividad

La fuerza magnetomotriz (f.m.m.) generada por una bobina es aquella capaz de producir un flujo magnético entre dos puntos de un circuito magnético.


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Donde la f.m.m. se mide en Amperios*vuelta (Av), N es el número de espiras de la bobina, e I la intensidad de corriente que circula a través de la misma, medida en amperios. La relación existente entre la f.m.m., la reluctancia y el flujo magnético es análoga a la ley de Ohm para circuitos eléctricos:

La intensidad de campo B, denominada a veces inducción magnética, también recibe el nombre de densidad de flujo (flujo por unidad de superficie) ya que:

La inducción magnética es un fenómeno experimental que podemos describir como sigue: en el seno de un campo magnético, generado por una corriente eléctrica o un imán, en la que una carga eléctrica puntual de valor (q), se desplaza a una velocidad (v), dicha carga experimenta una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad (v) como al campo magnético (figura 13). Así, dicha carga sufrirá una fuerza descrita por la siguiente ecuación (principio de funcionamiento de los motores):

F = q ⋅ (v×B)

Figura 13. Fenómeno de inducción magnética.

Así, al colocar un conductor por el que circula una corriente eléctrica de intensidad I, en posición normal a un campo magnético uniforme (líneas de inducción paralelas), aparece una fuerza F


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que tiende a desplazar el conductor en un plano perpendicular a las líneas de inducción, cuyo sentido viene determinado por la ley de Fleming o de la mano izquierda (figura 14):

Figura 14. Regla de Fleming de la mano izquierda.

Ciclo de histéresis. Cuando a un material ferromagnético se le aplica un campo magnético creciente Bap su imantación crece desde 0 hasta la saturación Ms, ya que todos los dominios magnéticos están alineados. Así se obtiene la curva de primera imantación. Posteriormente si Bap se hace decrecer gradualmente hasta anularlo, la imantación no decrece del mismo modo, ya que la reorientación de los dominios no es completamente reversible, quedando una imantación remanente MR. Si invertimos Bap, conseguiremos anular la imantación con un campo coercitivo Bc. El resto del ciclo se consigue aumentando de nuevo el campo magnético aplicado. Este efecto de no reversibilidad se denomina ciclo de histéresis.

Figura 15. Ciclo de histéresis.


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El área incluida en la curva de histéresis es proporcional a la energía disipada en forma de calor en el proceso irreversible de imantación y desimantación. Si esta área es pequeña, las pérdidas de energía en cada ciclo será pequeña, y el material se denomina magnéticamente blando. Magnetismo remanente, fuerza coercitiva y punto de saturación. El flujo que permanece en un imán temporal después de que se haya sacado del campo magnético se llama magnetismo residual o remanente. Todo material magnético mantiene algo de flujo después de que se haya expuesto a un campo magnético, siendo los materiales para imanes permanentes los que mantienen un elevado magnetismo. El imán permanente ideal mantendría todo el flujo. En cambio, los materiales para imanes temporales tienen muy poco magnetismo residual. En la mayoría de los imanes temporales el campo magnético se crea por los conductores portadores de corriente. Cuando se interrumpe la corriente, el material para imanes temporales ideal se desimantaría completamente, pero no lo hace. Siempre permanece un pequeño magnetismo residual. La fuerza coercitiva, o campo magnético coercitivo es aquel campo que es necesario aplicar para reducir a cero el magnetismo remanente (BC en la figura 15). En el ciclo de histéresis, se llega un instante a partir del cual, por mucha fuerza magnética que induzcamos al material, ya no se magnetiza más. Este es el llamado punto de saturación (MS en la figura 15). Reluctancia y permeabilidad. La reluctancia da cuenta de la oposición al flujo magnético, y viene dada por la siguiente expresión:

R= reluctancia S= sección transversal del área de la trayectoria l = longitud de la trayectoria del flujo μ = permeabilidad


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Corrientes parásitas. Si situamos un trozo de cobre cerca de un imán, podremos comprobar que no ocurre absolutamente nada. En cambio, si movemos el cobre respecto al campo magnético aparecerá en él una corriente eléctrica (corriente de Foucault) y se calentará. La corriente de Foucault (o corriente parásita) es un fenómeno que se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. La intensidad de la corriente de Foucault es proporcional a la velocidad de desplazamiento del metal y a la amplitud del campo magnético. En general, estas corrientes son indeseables, puesto que calentarán el núcleo y aparecerá una pérdida de potencia en forma de calor, las denominadas pérdidas por corrientes de Foucault. En las máquinas eléctricas se procura evitar al máximo la circulación de estas corrientes cortando el camino eléctrico por medio de núcleos especiales:

− NÚCLEOS DE CHAPA.- Para frecuencias bajas se utilizan los núcleos de chapa. Estos consisten en una serie de chapas de material ferromagnético de pequeño grosor apiladas, recubiertas cada una de ellas de barniz aislante. Las chapas permiten el paso del flujo magnético, pero no el de las corrientes de Foucault.

− NÚCLEOS DE FERRRITA.- Para frecuencias altas es insuficiente el aislamiento que se

consigue con los núcleos de chapa y se recurre a unos materiales especiales denominados ferritas; éstos están formados por gránulos de material ferromagnético separados por un cemento cerámico.

− NÚCLEOS DE AIRE.- Para frecuencias muy altas se recurre a dejar la bobina sin núcleo

ferromagnético, y se dice que tiene núcleo de aire. Como éste es un buen aislante eléctrico, la pérdida por corrientes de Foucault en este tipo de bobinas es prácticamente nula.

3.10.9.- PRECAUCIONES EN EL MANEJO Y ALMACENAMIENTO DE IMANES. Los imanes permanentes deben ser cuidadosamente almacenados alejados de componentes magnéticos, y de cualquier sistema que pueda ser afectado por campos magnéticos permanentes. Además, con el objetivo de asegurar que los imanes mantienen sus propiedades magnéticas es aconsejable almacenarlos por parejas utilizando un material ferromagnético para unir los polos norte y sur contiguos. Esta disposición asegura un camino completamente cerrado para el flujo magnético producido por los imanes.

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