Magnetostricción y transformadores

¿Ha estado alguna vez cerca de un transformador eléctrico? Probablemente habrá notado un zumbido de baja frecuencia. No es más que una pequeña molestia, pero ese sonido es la firma audible de un efecto físico bastante interesante: la magnetostricción. Este efecto es importante, no sólo para comprender el funcionamiento de los transformadores, sino también para cuestiones relacionadas con la eficiencia, el diseño y la elección de materiales en ingeniería eléctrica.

Magnetostricción

Lamagnetostricción es una propiedad de los materiales ferromagnéticos en la que un cambio en la magnetización da lugar a una tensión mecánica; el material se expande o contrae ligeramente a medida que los dominios magnéticos se alinean con un campo magnético aplicado. En general, los núcleos de los transformadores están formados por láminas de acero al silicio que son muy magnéticas y, por tanto, propensas a los efectos de la magnetostricción.

Cuando una corriente alterna circula por la bobina primaria del transformador, crea un campo magnético alterno en el núcleo. Los dominios magnéticos del acero se desplazan y alinean repetidamente con el cambio de campo; esta expansión y contracción repetida del material se produce al doble de la frecuencia de la alimentación de corriente alterna. Si en Estados Unidos la corriente estándar es de 60 Hz, el núcleo de acero vibra a 120 Hz y desarrolla el zumbido característico.

De los dominios microscópicos al ruido audible

A escala microscópica, se trata del movimiento de la pared del dominio: los dominios magnéticos son pequeños volúmenes en los que todos los momentos magnéticos atómicos apuntan en una dirección. Al girar la dirección del campo externo, los dominios rotan o se desplazan en respuesta y, bajo este efecto, se producen cambios diminutos en las dimensiones de la red cristalina del material del núcleo. Aunque cada cambio individual es minúsculo -menos del 0,1% de deformación-, el efecto neto en un núcleo de transformador grande puede ser suficiente para producir vibraciones en sus láminas de hierro.

Estas vibraciones se transmiten al depósito de acero del transformador y a la estructura que lo rodea, que también sirven como caja de resonancia que amplifica el sonido. El resultado es el zumbido tan común en hogares, oficinas y entornos industriales. La intensidad del zumbido puede variar en función del tamaño del transformador, la construcción del núcleo e incluso la calidad de los materiales de montaje y aislamiento.

Factores materiales y magnetostricción

Los núcleos de los transformadores no zumban todos por igual. La cantidad de magnetostricción varía con:

1. Composición del material del núcleo: El acero eléctrico estándar contiene aproximadamente un 3% de silicio, que, al tiempo que aumenta la resistividad y reduce las pérdidas por corrientes parásitas, modera la magnetostricción. Un mayor contenido de silicio suele proporcionar menores tensiones magnetostrictivas y, por tanto, un funcionamiento más silencioso.

2. Orientación del grano: El acero al silicio de grano orientado, comúnmente denominado GOSS, se fabrica de forma que los ejes cristalográficos se alinean con la dirección del flujo magnético; por lo tanto, minimiza las pérdidas y las vibraciones mecánicas.

3. 3. Grosor de la laminación: Las laminaciones finas -de unos 0,35 mm para los transformadores estándar- reducen las corrientes parásitas y distribuyen los efectos magnetostrictivos de forma más uniforme.

4. 4. Montaje mecánico: Una sujeción y amortiguación adecuadas de las laminaciones y el tanque reducen la transmisión de vibraciones y, por tanto, los zumbidos audibles.

Implicaciones técnicas

La magnetostricción no es sólo una curiosidad acústica; tiene consecuencias prácticas en ingeniería. Las vibraciones inducidas por la magnetostricción pueden provocar:

- Tensiones mecánicas: La expansión y contracción repetidas pueden llegar a fatigar los pernos, las laminaciones o el aislamiento con el paso del tiempo.

- Pérdidas de energía: Aunque pequeña, parte de la energía se convierte de eléctrica a mecánica y finalmente en calor o sonido, reduciendo ligeramente la eficiencia del transformador.

- Contaminación acústica: El zumbido de los transformadores en zonas urbanas puede convertirse en un factor de irritación y puede llegar a ser un problema reglamentario, más aún con los grandes transformadores de distribución.

Estos efectos se reducen gracias al uso de núcleos de bajo ruido, mejores materiales de amortiguación y mejores técnicas de laminación por parte de los ingenieros. Algunos transformadores modernos utilizan también núcleos de metal amorfo; su estructura atómica desordenada reduce significativamente la magnetostricción y, por tanto, su funcionamiento es más silencioso y eficaz.

Más información: Energía magnetotermoeléctrica: fundamentos y aplicaciones

Medición y modelización de la magnetostricción

Los ingenieros e investigadores estudian la magnetostricción mediante galgas extensométricas, vibrometría láser y MEF. Estas herramientas permiten medir la deformación magnetostrictiva y la amplitud de vibración con gran precisión, lo que permite optimizar el diseño del núcleo antes de su fabricación. Por ejemplo, el MEF puede simular cómo afectarían a la vibración y el ruido audible los cambios en el grosor de la laminación, la geometría del núcleo o la composición de la aleación.

Más allá de los transformadores

La magnetostricción no se limita a los transformadores. Desempeña un papel importante en motores eléctricos, sensores, actuadores y dispositivos de sonar, donde los efectos magnetostrictivos controlados se aprovechan para conseguir un movimiento mecánico preciso. La comprensión de la magnetostricción en los transformadores sienta las bases para el diseño de otros dispositivos que emplean el acoplamiento magnético-mecánico.

Conclusión

El familiar zumbido de un transformador es mucho más que ruido de fondo: es la manifestación audible de la magnetostricción, una reorganización microscópica de los dominios magnéticos que produce vibraciones macroscópicas. Mediante el estudio de las propiedades de los materiales, el diseño del núcleo y las estrategias de montaje, los ingenieros pueden reducir el zumbido, mejorar la eficiencia y prolongar la vida útil del transformador.

La magnetostricción sirve para recordarnos que incluso en el ámbito de los sonidos más bien prosaicos hay a menudo una base científica intrigante, que conecta silenciosamente la ciencia de los materiales, la física y la ingeniería eléctrica de una forma importante pero discreta. La próxima vez que oiga el zumbido de un transformador, recuerde: no es sólo ruido, es física en acción. Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).