Materiales Ferromagnéticos

Materiales Ferromagnéticos

 

 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

Tipo de Energía	Descripción
Energía de Anisotropía	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
Energía de la pared  de los dominios	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.
Energía magneto estrictiva	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.
Energía maneto estática	La energía magnetoestática es la energía potencial magnética de un material ferromagnético debida al campo magnético externo generado.

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.

Materiales	Aplicaciones
Aleaciones de Fe y Si	En motores transformadores o generadores
Vidrios Metálicos	En transformadores de energía, sensores magnéticos de posición o deformación y cabezas de grabación
Aleaciones Fe y Ni	En la comunicación de alta sensibilidad  en la que el equipo ha de transmitir o recibir  pequeñas señales

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.

	Ferritas magnéticas blandas
Composición	MOFe2O3
Característica	Imanaciones de saturación elevadas. Alta resistividad  eléctrica, baja pérdida de energía  por corrientes parásitas
Usos	En bajas señales, transformadores e inductores  de baja energía,  núcleos de memoria, cabezas de grabación, aparatos audiovisuales, transformadores de líneas  o convergencia para televisión
	Ferritas magnéticamente duras
Composición	MO6Fe2O3
Característica	Gran coercitividad y una elevada anisotropía
Usos	En generadores, servomotores y motores, ene electrónica  como imanes para auriculares , timbres telefónicos,  receptores, retención de puertas y juguetes.