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INTRODUCCIÓN
En
la naturaleza existen gran cantidad de elementos que, a lo largo de la historia
y en función del sustrato científico y tecnológico, se han ido clasificando
según convenga.
Tal
es el caso de la clasificación de los materiales en función sus propiedades
magnéticas.
Si
se hace el experimento de acercar un trozo de hierro y una lata de aluminio a
un imán, notaremos que la lata no es atraída por el imán, mientras que el trozo
de hierro es fuertemente atraído a él. Entonces, al igual que existen
materiales conductores y aislantes, también existen sus análogos en el contexto
del magnetismo, a saber, materiales
ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos.
En
términos generales los materiales
ferromagnéticos y paramagnéticos son aquellos que son atraídos por un imán,
mientras que los diamagnéticos no experimentan atracción alguna, más bien son
repelidos levemente.
Sin
embargo cabe mencionar que los materiales paramagnéticos pueden tener una
interacción magnética tan baja que en ocasiones es prácticamente imposible
diferenciarlos de los diamagnéticos.
Históricamente,
fue el físico y químico británico Michael Faraday (1791-1867) quien descubrió
el diamagnetismo al observar que un trozo de bismuto era repelido levemente por
un imán, independientemente del polo que se le acercara.
A
éste fenómeno se le puede explicar en términos de corrientes magnéticas
teniendo en mente la Ley de Lenz, que parafraseando dice: “El sentido de la
corriente inducida es tal que se opone siempre a la causa que la ha producido”.
Recordemos
que todos los átomos contienen electrones que se mueven libremente y que, en su
movimiento, generan campos magnéticos inherentes al material en cuestión.
Cuando se aplica un campo magnético exterior, una nueva corriente es inducida y
ésta corriente inducida es opuesta al campo magnético exterior.
Dicho lo anterior, lo
que sucede en un material diamagnético se puede visualizar del siguiente
Otra
característica de los materiales diamagnéticos es que todos los polos
magnéticos se repelen, de modo que si se modifica la orientación del campo Bo,
el campo inducido en el material (Bm) también cambiará a una nueva orientación
de forma que se oponga al campo Bo.
Por
otra parte, al grado de magnetización de un material en respuesta a un campo
magnético externo, se le conoce como susceptibilidad. En el caso de los
materiales diamagnéticos la susceptibilidad es pequeña y negativa; a excepción de los superconductores, cuya
susceptibilidad es muy grande en módulo, lo cual significa que son capaces de producir
un campo nulo en su interior y de crear corrientes magnéticas superficiales que
originan el campo que se opone al exterior y que tiene como una consecuencia la
levitación del material en esas condiciones.
Ejemplos de materiales
diamagnéticos:
Grafito
Cobre (Cu)
Plata (Ag)
Oro (Au)
Plomo (Pb)
Bismuto (Bi)
Ahora
bien, los materiales ferromagnéticos sí son atraídos por un imán y además son
susceptibles a ser magnetizados.
Para
poder explicar cómo es que ocurre dicho fenómeno, debemos considerar que la
configuración en sus átomos favorece la interacción entre los dipolos
magnéticos, los cuales se alinean paralelamente dentro de zonas llamadas
dominios. Como estos dominios se orientan aleatoriamente, no se genera
imanación neta en el material, pero sí queda un campo magnético remanente (a
excepción de los materiales ferromagnéticos duros o imanes permanentes que son
imanados de forma perdurable).
Ejemplos de materiales
ferromagnéticos:
Hierro (Fe)
Cobalto (Co)
Níquel (Ni)
Por
último, los materiales paramagnéticos los materiales paramagnéticos son
aquellos cuya suma neta de los momentos magnéticos permanentes de sus átomos es
nula. Como se mencionó al inicio, estos materiales tienen un comportamiento
magnético muy débil.
Si se aplica un campo magnético exterior
lo suficientemente grande, los momentos magnéticos de los materiales
paramagnéticos se tienden a ordenar de forma paralela al mismo. Por lo tanto,
los dipolos se orientan en la misma dirección y sentido que el campo aplicado,
por lo que la susceptibilidad magnética, aunque débil, es positiva. Otra
característica que los diferencia de los materiales ferromagnéticos es el hecho
de que cuando se elimina el campo externo aplicado el efecto del paramagnetismo
desaparece Algunos ejemplos de materiales paramagnéticos son:
Litio (Li)
Aluminio (Al)
Magnesio (Mg)
Cromo (Cr)
En
conclusión, los materiales que se conocen en la actualidad cuentan con un
amplio estudio de sus propiedades, lo cual otorga a los ingenieros las
herramientas necesarias para diseñar máquinas eléctricas que cumplan, de manera
cabal, con todos los requerimientos que cada aplicación en su ámbito particular.
II.-
DOMINIOS FERROMAGNETICOS
Para
aquellos materiales ferromagnéticos como los monocristales, es necesaria la
aplicación de un campo magnético para que alcance la saturación. Esto debido a
que se componen de regiones magnéticas en el cual la imantación en su interior
se encuentra saturada. En la imagen siguiente se puede observar como estos
dominios ferromagnéticos se pueden encontrar en diferentes direcciones:
Esquema de los dominios magnéticos
en un metal ferromagnético presentado cada uno de ellos una imanación de
saturación en diferente dirección.
El
proceso de saturación, se puede observar una línea de crecimiento en la
inducción magnética (B) que se encuentra directamente asociada al campo
magnético aplicado (H). Por lo tanto, el punto de encuentro de estas dos líneas
indica la imanación de saturación (Ms).
Por el contrario, se puede encontrar una imanación remanente que no es
más que el conjunto de imperfecciones enganchadas, debidas a la reducción del
valor del campo magnético aplicado hasta hacerlo casi nulo (Br). Para evitar
este tipo de imperfecciones, es necesario que el campo magnético se inducido de
manera restrictiva opuesto al primero aplicado y de un valor Hc (campo
coercitivo definido como el campo necesario para anular la imantación
remanente), esto provocara que el ciclo de histéresis magnético cierre el
ciclo.
La
energía almacenada al aumentar H, hasta la saturación, está dada por la
siguiente expresión:
Por
tanto, la energía almacenada al aumentar H, hasta la saturación es el área
sombreada en a). La energía recuperada al reducir H a cero es el área sombreada
en b). La energía disipada en un ciclo será la diferencia entre a) y b) es
decir el área sombreada en c) y por tanto, la energía disipada en un ciclo y
almacenada en el material ferromagnético es el área encerrada en la curva de
histéresis.
III.-
ESTRUCTURA DE DOMINIOS
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Tipo de Energía
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Descripción
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Energía de Anisotropía
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Hace que la imanación se oriente preferentemente a lo
largo de ciertos ejes cristalográficos definidos llamados direcciones de
fácil imanación. Esta energía no proviene de la interacción de canje isótropa
considerada hasta ahora si no que es debida a interacciones electrostáticas
asociadas a distribuciones electrónicas.
La energía de anisotropía tiene su origen en el hecho de
que la distribución de cargas de iones próximos no es esférica sino
esferoidal, debido a interacción spin-órbita. La asimetría en la distribución
de carga está ligada a la dirección del spin provocando que la rotación de la
dirección de los spins con respecto a los ejes cristalinos cambie la energía
de canje y la energía de interacción electrostática entre átomos vecinos
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Energía de la pared de los dominios
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Se denomina pared de
dominio o pared de Bloch en un cristal a la zona de transición que separa dos
dominios magnéticos adyacentes, imanados en direcciones diferentes. La
variación completa de spin no ocurre de un salto discontinuo en un solo plano
atómico, sino de forma gradual sobre un gran
número de planos atómicos, ya que la energía de canje es menor cuando
se reparte sobre un gran número de spins.
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Energía magneto estrictiva
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Se debe a cuando un material se imana, sus dimensiones
cambian ligeramente y la muestra se expandirá o contraerá en la dirección de
imanación. Esta deformación elástica reversible inducida magnéticamente
(Dl/l) se denomina magnetostricción y es del orden de 10-6.
El origen de la magnetoestricción está relacionado con el
cambio en la longitud de enlace entre átomos, cuando el momento dipolar de su
spin electrónico está rotando para la alineación durante la imanación. Los
dipolos pueden atraerse o repelerse uno a otro, dando lugar a la contracción
o expansión del material durante la imanación. En una distribución de
dominios, los cambios dimensionales de los respectivos dominios harán que
éstos no encajen exactamente dando lugar a una energía elástica de
elongación. Este aumento de energía del sistema es una limitación a la
formación de dominios magnéticos.
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Energía maneto estática
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La energía
magnetoestática es la energía potencial magnética de un material
ferromagnético debida al campo magnético externo generado.
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IV.-
DOMINIOS MAGNETICOS Y CICLO DE HISTERESIS
La
configuración de dominios en equilibrio se alcanza cuando las suma de las
energías magnetoestrictivas, magnetoestáticas y de las paredes de Bloch
alcanzan un mínimo.
El
ciclo de histéresis magnético está ligado a la estructura de dominios en el
material. La imanación de saturación queda definida por el material estudiado
sin embargo otros parámetros son definidos por la microestructura, tamaño de
grano y presencia de defectos, dichos
parámetros son la imanación remanente o el campo coercitivo.
De
la figura anterior, se pueden apreciar dos zonas:
Zona
multidominio (MD): En donde cada grano presenta varios dominios magnéticos, en
ésta zona los materiales presentan campos coercitivos y remanencias bajas por
la asociación de imanación con los movimientos de paredes de dominios.
Zona dominio único (SD): En donde la imanación
está asociada a rotaciones de la imanación en el dominio.
Si
dentro de la zona SD el tamaño de grano sigue reduciendo, se entra en la zona
superparamagnética (SPM) en donde la coercitividad y remanencia se vuelven
cero.
V.-
MATERIALES MAGNETICOS BLANDOS
Debido
a la presencia de pocas imperfecciones y defectos que constituyen limitaciones
al movimiento de las paredes de los dominios magnéticos, éstos materiales son
fácilmente imanables y desimanables, presentando curvas de histéresis
apariencia estrecha con campos coercitivos bajos y alta saturación.
El
uso que se le da a estos materiales es principalmente en núcleos para
transformadores, motores, generadores equipos de comunicación de alta
sensibilidad.
En
el proceso de imanación-desimanación hay pérdidas de energía por dos fenómenos:
el primero es el de pérdidas por histéresis, debidas a la disipación de energía
requerida para desplazar las paredes de los dominios magnéticos durante la
imanación y desimanación. Estas pérdidas aumentan por la presencia de impurezas
que actúan como barreras que impiden el desplazamiento de las paredes de
dominios. El área encerrada por la curva de histéresis es una media de la
energía perdida debido la histéresis magnética.
La
segunda pérdida es por corrientes parásitas, las cuales son inducidas por
variaciones en el flujo magnético y se pueden reducir con aumento de la
resistividad del material.
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Materiales
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Aplicaciones
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Aleaciones de Fe y Si
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En motores transformadores o generadores
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Vidrios Metálicos
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En transformadores
de energía, sensores magnéticos de posición o deformación y cabezas de
grabación
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Aleaciones Fe y Ni
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En la comunicación de alta sensibilidad en la que el equipo ha de transmitir o
recibir pequeñas señales
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VI.-
FERRITAS
Son
materiales cerámicos ferromagnéticos que se preparan mezclando Fe2O3 con otros
óxidos y carbonatos en forma de polvo. Las imanaciones de las ferritas son lo
suficientemente altas para tener un valor comercial, tienen estructura de
dominios y las curvas de histéresis son parecidas a las de los materiales
ferromagnéticos, también se dividen en blandas y duras.
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Ferritas magnéticas blandas
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Composición
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MOFe2O3
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Característica
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Imanaciones de
saturación elevadas. Alta resistividad
eléctrica, baja pérdida de energía
por corrientes parásitas
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Usos
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En bajas señales, transformadores e inductores de baja energía, núcleos de memoria, cabezas de grabación,
aparatos audiovisuales, transformadores de líneas o convergencia para televisión
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Ferritas
magnéticamente duras
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Composición
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MO6Fe2O3
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Característica
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Gran coercitividad y
una elevada anisotropía
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Usos
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En generadores, servomotores y motores, ene
electrónica como imanes para
auriculares , timbres telefónicos,
receptores, retención de puertas y juguetes.
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