Apantallant el camp magnètic

Hi ha moltes ocasions en les que convé aïllar un determinat element electrònic dels camps magnètics externs o confinar el camp generat per un transformador, per exemple. El que s’ha de fer en aquests casos és embolicar el sistema amb un material adequat, que ha de ser ferromagnètic tou.

En aquesta entrada parlaré dels materials que millor apantallen el camps magnètics i ho mostraré amb un parell d’experiments casolans.

Materials magnètics (ferromagnètics)

Els camps magnètics no es poden anular, el que es fa es redirigir-los per deixar-los fora de l’espai que interessi o per tancar-los i que no interfereixin amb l’exterior. El material a utilitzar haurà de ser, doncs, un aliatge amb una permeabilitat magnètica molt elevada que deixi passar amb facilitat les línies de camp magnètic pel seu interior. Però també interessa que no se saturi magnèticament aviat.

Les línies d’un camp magnètic uniforme no es desvien en travessar medis no ferromagnètics (paramagnètic o diamagnètics) com són l’alumini o el coure, però si es troben en el seu camí amb un material magnètic (ferromagnètic) tendeixen a concentrar-se passant pel seu interior. Si el material posseeix una alta permeabilitat i té forma de capsa buida, preferentment esfèrica o cilíndrica, les línies de camp circularan per les parets del cos i es mantindrà l’interior lliure de camp magnètic.

Simplificant, existeixen dos tipus de materials ferromagnètics quant al seu cicle d’histèresi, els tous i els durs. Els ferromagnètics durs tenen uns valors de la inducció romanent (Br) alts, el que indica que mantenen un nivell d’imantació elevat una vegada desapareix el cap exterior que l’ha provocat, i també tenen uns valors per al camp coercitiu (Hc) alts, el que vol dir que es necessita un camp exterior molt gran per a remoure la inducció romanent del material prèviament convertit en un imant permanent. Això fa que aquests materials siguin idonis per a la fabricació d’imants permanents.

Cicle d’histèresi d’un material ferromagnètic. Representa com varia la inducció magnètica (B) del material en funció de la intensitat de camp magnètic (H) exterior aplicat.

 

Materials apantalladors dels camps magnètics: els mumetalls

Els materials ferromagnètics tous tenen uns valors baixos tant de la inducció romanent com del camp coercitiu, el que afavoreix que no mantinguin la seva imantació una vegada desaparegut el camp magnètic exterior que els hagi pogut imantar per inducció. Aquest materials no queden imantats permanentment, i això els fa adequats per a la fabricació de motors elèctrics i de nuclis de transformadors i d’electroimants.

Així des del moment en el que es va fabricar maquinari per la producció i utilització de l’energia elèctrica alterna ja es va fer us de materials ferromagnètics tous i als pocs anys (1914) es van trobar materials d’aquest tipus però amb unes permeabilitats molt més grans, com va ser el permaloy, amb una permeabilitat deu vegades més gran que la de l’acer.

Poc a poc es van trobar tot una sèrie d’aliatges basats en el níquel i que s’anomenen genèricament µ-metalls (mumetalls), on la µ (mu) ve de permeabilitat magnètica, que tenen unes permeabilitats relatives encara molt més elevades. El terme mumetall és una marca comercial de l’empresa Magnetic Shield Corporation que s’ha convertit en un genèric, com dir danone per a referir-se a un iogurt. Aquesta empresa, a través de Serviciencia, la seva distribuïdora a Espanya, ven un Kit de apantallado magnético de laboratorio amb un assortit de làmines de diversos mumetalls per a que els interessats puguin avaluar els seus materials. Els mumetalls són aliatges de níquel (70-80%) i ferro (10-20%) amb altres metalls com coure, crom o molibdé.

A la gràfica de sota es mostra com augmenta la densitat de flux magnètic a l’interior de diversos materials en funció de la intensitat de camp magnètic exterior aplicat i els valors de la permeabilitat sobre la que es mouen. La gràfica forma part de la informació que sobre aquest materials subministra l’empresa fabricant.

Es veu a la gràfica que quan els camps magnètics estàtics o les freqüències electromagnètiques són molt elevades i produeixen un flux de més de 10000 Gauss aquest tipus de materials ja no són efectius, doncs es saturen, i s’han d’utilitzar d’altres metalls o aliatges com l’alumini o el coure, malgrat no ser ferromagnètics. Ara bé, per apantallar camps magnètics estàtics i/o de freqüències baixes són immillorables.

Aquesta foto de dalt és la d’una cambra blindada magnèticament fabricada amb mu-metall, dissenyada per Magnetic Shield Corporation. Com que l’efectivitat dels escuts d’alta permeabilitat com el mu-metal baixa en camps magnètics elevats, així com en camps baixos, sovint s’utilitzen diversos escuts concèntrics. Aquí s’utilitzen tres escuts magnètics espaiats concèntricament en sèrie de manera que el camp extern es va atenuat de capa en capa. Aquesta cambra és petiteta però les fan de mida d’una habitació.

 

Els experiments

Hi ha diverses propostes d’experimentació amb imants de cara als escolars i en particular per mostrar com els camps magnètics que generen els imants travessen els diferents materials ferromagnètics o no, per exemple movent un clip sobre el pupitre amb un imant que es col·loca per sota de la fusta, o si un imant és capaç de sostenir un clip a l’aire a través d’una làmina metàl·lica o de qualsevol material.

El muntatge dels dos cartrons mostra com el camp magnètic travessa els cartons i l’aire entre ells imantant per inducció els clips de sota, a més de permetre introduir entre els catons d’altres materials per estudiar què passa amb la transmissió del camp. D’una altra forma també es pot aconseguir un espai lliure entre imants per a introduir diversos materials, si es fa levitar un imant sobre un altre, com en el cas de dos imants tòrics enfilats per un pal.

Els materials a ficar entre imants poden ser plàstic, fusta, alumini, acer, etc., i, donat que en aquesta entrada estic parlant de mumetalls, un mumetall.

Planxes de mumetalls es poden comprar i també aconseguir desmuntant aparells vells en desús que les continguin, per exemple un disc dur intern de 3,5 polsades d’un ordinador vell.

Si s’obre un disc dur descargolant la tapa es veu en una de les cantonades dos planxetes metàl·liques que envolten la base de l’agulla lectora del disc. Si s’extreuen descargolant-les ens trobem amb un imant de neodimi enganxat a cada plaqueta, que haurem de separar. Aquestes plaques son de mumetall i la seva utilitat és precisament la d’apantallar el camp magnètic dels imants que envolten, i són les que uso en els vídeos de sota.

 

Sobtadament per mi, resulta que l’aliatge d’acer inoxidable (pot ser d’aliatge amb Ni) del que estan fetes les tisores de papereria te característiques de mumetall, com es pot apreciar als vídeos.

També es comprova que el plàstic o la fusta són transparents als camps magnètics, i en el cas de l’acer de les culleres (18/10, 18% de crom i 10% de níquel) es veu que a l’apropar les culleres als imants inicialment les atrauen ja que es converteixen per inducció en nous imants, però que una vegada recolzades sobre els imants inferiors la levitació torna a la situació inicial.


 

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out /  Canvia )

Google photo

Esteu comentant fent servir el compte Google. Log Out /  Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out /  Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out /  Canvia )

S'està connectant a %s

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir els comentaris brossa. Apreneu com es processen les dades dels comentaris.