Ferromagnetismo Introducción: El estudio de materiales con propiedades magnéticas es muy importante en el diseño de solenoides, toroides, o transformadores los cuales requieren de flujos eficientes en los devanados. Incluso maquinas tan grandes como un acelerador de partículas. Es por esto que la práctica radica en entender el ciclo de histéresis, obtener mediciones de campos magnéticos, y obtener curvas de magnetización.
Las características magnéticas del núcleo serán útiles al momento de analizar el comportamiento de un elevador o reductor de tensión, así como las pérdidas de energía asociadas al ciclo. El magnetismo
Es un fenómeno físico por el cual los objetos 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 que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. Como funciona el magnetismo
Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán, en un material existen innumerables electrones que 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. Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también
con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo (Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula por una bobina), en general el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total medible. El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica. Magnetismo en la materia:
Las propiedades magnéticas no son exclusivas de una parte de la materia, sino que están presentes en todos los materiales o sustancias, aunque en unos en mayor grado que en otros. Teniendo en cuenta que una pequeña espira de corriente situada en el seno de un campo magnético experimenta el mismo par de fuerzas que un imán, Ampere estableció que los campos magnéticos de la materia se debían a corrientes eléctricas que circulan en el interior del material. La teoría atómica ha demostrado que los momentos magnéticos observados en la materia tienen dos orígenes posibles: el movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo y el momento cinético intrínseco del electrón, denominado espín. Por lo que las corrientes eléctricas en el interior del material deben estar asociadas a los momentos magnéticos atómicos. Momento magnético
Se puede considerar como una cantidad vectorial, con dirección perpendicular al bucle de corriente y sentido dado por la regla de la mano derecha.
Materiales Magnéticos
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Diamagnéticos
El diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en repeler los campos magnéticos. Las sustancias son, en su gran mayoría, diamagnéticas, puesto que todos los pares de electrones con espín opuesto contribuyen débilmente al diamagnetismo, y sólo en los casos en los que hay electrones desparejados existe una contribución paramagnética (o más compleja) en sentido contrario. -
Paramagnéticos
El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético. Cuando no existe ningún campo magnético externo, estos momentos magnéticos están orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo tienden a alinearse paralelamente al campo, pero esta alineación está contrarrestada por la tendencia que tienen los momentos a orientarse aleatoriamente debido al movimiento térmico. -
Ferromagnéticos
Los materiales ferromagnéticos exhiben un fenómeno de ordenamiento de largo alcance a nivel atómico, que hace que los espines de los electrones no apareados se alineen paralelamente entre sí, en una región del material llamada dominio. El campo magnético dentro del dominio es intenso, pero en una muestra global el material generalmente no estará magnetizado, debido a que los muchos
dominios que lo componen estarán orientados entre ellos de forma aleatoria. El ferromagnetismo se manifiesta en el hecho de que un pequeño campo magnético impuesto externamente, puede originar que los dominios magnéticos se alineen entre sí y entonces se dice que el material está magnetizado. Luego, el campo magnético generado, se puede aumentar por un gran factor que normalmente se expresa como la permeabilidad relativa del material. Dominios magnéticos
Son agrupaciones de imanes permanentes elementales. Un dominio magnético puede aparecer en un material (ferromagnético o ferrimagnético), en el que se dé un ordenamiento magnético a medio alcance. Los dominios están separados por las llamadas paredes de Bloch, en las cuales se produce la transición en la orientación de los dipolos. Las paredes de Bloch
Son un volumen estrecho de transición entre dos dominios magnéticos. En esa transición, los dipolos giran desde la orientación inicial en un dominio hasta la orientación del dominio situado del otro lado de la pared (pared no entendida como simple "separación", sino como zona de transición de los dipolos magnéticos) o hasta la orientación impuesta por un campo externo, en su caso. El campo magnético total
Las corriente amperianas crean su propio campo magnético Bm que según el material se añade o sustrae al campo magnético exterior Bex, por lo que si se quiere determinar el campo magnético en un punto interior del material magnetizado, ya no será Bex, sino
Sustituyendo la relación entre M y H en la expresión del campo magnético total, tenemos Con objeto de diferenciar la acción de Bex debido a la corriente libre del Bm debido a la corriente amperiana (esta distinción entre corriente libre y corriente amperiana es análoga a la que existe entre carga libre y carga congelada en los dieléctricos) se define un nuevo vector H, denominado intensidad magnética o excitación magnética, como
las dimensiones de H son amperios/metro. Las fuentes de H son únicamente las corrientes libres, no las de magnetización. En estos casos H obedece la ley de Ampere y la de BiotSavart, en las formas
o sea en donde se denomina permeabilidad del medio. En las sustancias paramagnéticas µ ligeramente mayor que µo y en las sustancias diamagnéticas µ ligeramente menor que µo. En las sustancias ferromagnéticas no existe linealidad entre M y H, debido al estado previo de magnetización de la sustancia. En estos casos, B y M son funciones multiformes de H. No obstante, en estos materiales µ es millares de veces mayor que µo. La saturación magnética
Es un efecto que se observa en algunos materiales magnéticos, y se caracteriza como el estado alcanzado cuando cualquier incremento posterior en un campo de magnetización externo H no provoca un aumento en la magnetización del material. En las sustancias paramagnéticas y diamagnéticas los vectores M y H están relacionados mediante
En donde χ m es la susceptibilidad magnética de la sustancia y es un número independiente de las unidades de M y H. En los diamagnéticos χ m es independiente de la temperatura, pero en los paramagnéticos χ m disminuye al aumentar la temperatura.
Esto se demuestra porque el campo magnético total B tiende a estabilizarse. Es una característica particular de los materiales ferromagnéticos El efecto de saturación se puede observar más claramente en la curva de magnetización (también llamada curva BH o curva de histéresis) de una sustancia, en concreto en la región superior derecha de la curva. Mientras que el campo H se incrementa, el campo B se aproxima a un valor máximo de manera asintótica. Este valor al cual tiende
asintóticamente el campo B es el nivel de saturación de esa sustancia.
El efecto de saturación ocurre cuando ya prácticamente todos los dominios se encuentran alineados, por lo que cualquier incremento posterior en el campo aplicado no puede causar una mayor alineación. La curva de histéresis
La figura muestra una gráfica del campo magnético B frente a la intensidad de campo H. Partiendo de (B = µo H + µo M)
aumentando H, B solo se incrementa en el término µoH. Si se hace disminuir H desde el punto “a” no existe una disminución correspondiente de M y por tanto de B. El desplazamiento de los dominios en un material ferromagnético no es completamente reversible y parte de la magnetización permanece, aunque H se reduzca a cero. Este efecto se denomina histéresis (del griego “hysteron” retraso). El valor del campo magnético en “b” se denomina campo remanente Br y en este punto el material ferromagnético se ha convertido en un imán permanente. Si ahora se invierte la corriente en el solenoide de modo que H tenga sentido opuesto, el campo magnético B gradualmente se va reduciendo hasta que se hace cero en el punto “c”. Al valor correspondiente de H se le denomina campo coercitivo Hc. Si se sigue aumentando H en el sentido opuesto, se alcanza el punto “d” y el material se aproxima a la magnetización de saturación en la dirección inversa. La parte restante de la curva de histéresis se obtiene mediante una disminución de la corriente y luego un aumento para producir una intensidad magnética H en el sentido inicial. El ciclo cerrado “abcda” se denomina ciclo de histéresis.
Cuando H se hace crecer gradualmente desde cero, B aumenta desde cero a lo largo de Oa. La tendencia hacia la horizontal de esta curva cerca de “a” indica que la magnetización se está aproximando a su valor de saturación MS. Una vez alcanzado este valor, si se sigue
