Ferromagnetismo: materiales, aplicaciones y ejemplos
El ferromagnetismo es la propiedad que le confiere a algunas sustancias una respuesta magnética intensa y permanente. En la naturaleza existen cinco elementos con esta propiedad: hierro, cobalto, níquel, gadolinio y disprosio, estas últimas tierras raras.
En presencia de un campo magnético externo, como el producido por un imán natural o un electroimán, una sustancia responde de una manera característica, de acuerdo a su configuración interna. La magnitud que cuantifica esta respuesta es la permeabilidad magnética.
La permeabilidad magnética es una cantidad adimensional dada por el cociente entre la intensidad del campo magnético generado en el interior del material y la del campo magnético aplicado externamente.
Cuando esta respuesta es mucho mayor que 1, el material es catalogado como ferromagnético. En cambio si la permeabilidad no es mucho mayor que 1, se considera que la respuesta magnética es más débil, son los materiales paramagnéticos.
En el hierro la permeabilidad magnética es del orden de 104. Esto quiere decir que el campo en el interior del hierro es unas 10000 veces mayor que el campo que se aplique externamente. Lo cual da una idea de qué tan poderosa es la respuesta magnética de este mineral.
Índice del artículo
- 1 ¿Cómo se origina la respuesta magnética en el interior de las sustancias?
- 2 Los dominios magnéticos
- 3 Histéresis magnética
- 4 Materiales magnéticamente duros y blandos: aplicaciones
- 5 Referencias
Se sabe el magnetismo es un efecto asociado al movimiento de cargas eléctricas. En eso justamente consiste la corriente eléctrica. ¿De dónde entonces provienen las propiedades magnéticas del imán de barra con el que se ha pegado una nota en el refrigerador?
El material del imán, y también cualquier otra sustancia contiene en su interior protones y electrones, los cuales poseen movimiento propio y generan corrientes eléctricas de varias maneras.
Un modelo muy simplificado supone al electrón en órbita circular alrededor del núcleo conformado por protones y neutrones, formando así una diminuta espira de corriente. Cada espira lleva asociada una magnitud vectorial denomina “momento magnético orbital”, cuya intensidad viene dada por el producto de la corriente y el área determinada por la espira: el magnetón de Bohr.
Por supuesto, en esta pequeña espira la corriente depende de la carga del electrón. Puesto que todas las sustancias contienen electrones en su interior, todas tienen en principio, la posibilidad de expresar propiedades magnéticas. Sin embargo no todas lo hacen.
Esto se debe a que sus momentos magnéticos no están alineados, sino dispuestos en el interior en forma aleatoria, de tal manera que sus efectos magnéticos a nivel macroscópico se cancelan.
La historia no termina aquí. El momento magnético producto del movimiento de electrón alrededor del núcleo no es la única fuente posible de magnetismo a esta escala.
El electrón tiene una suerte de movimiento de rotación alrededor de su eje. Es un efecto que se traduce en un momento angular intrínseco. A esta propiedad se le denomina espín del electrón.
Naturalmente también tiene un momento magnético asociado y es mucho más intenso que el momento orbital. De hecho la mayor contribución al momento magnético neto del átomo es a través del espín, no obstante ambos momentos magnéticos: el de la traslación más el del momento angular intrínseco, contribuyen al momento magnético total del átomo.
Estos momentos magnéticos son los que tienden a alinearse en presencia de un campo magnético externo. Y también los hacen con los campos creados por los momentos vecinos en el material.
Ahora bien, los electrones suelen formar parejas en átomos con muchos electrones. Las parejas se forman entre electrones con espín opuesto, dando como resultado que el momento magnético de espín se cancele.
La única forma en que el espín contribuya al momento magnético total es que alguno quede desapareado, es decir, el átomo tenga número impar de electrones.
Cabe preguntarse que hay acerca del momento magnético de los protones en el núcleo. Pues también tienen momento de espín, pero no se considera que contribuya significativamente al magnetismo de un átomo. Se debe a que el momento de espín depende inversamente de la masa y la masa del protón es mucho mayor que la del electrón.
En el hierro, el cobalto y el níquel, la tríada de elementos con gran respuesta magnética, el momento neto de espín producido por los electrones no es cero.. En estos metales, los electrones en el orbital 3d, los más externos, son los que contribuyen al momento magnético neto. Por eso tales materiales se consideran ferromagnéticos.
Sin embargo, este momento magnético individual de cada átomo no basta para explicar el comportamiento de los materiales ferromagnéticos.
En el interior de los materiales fuertemente magnéticos existen regiones llamadas dominios magnéticos, cuya extensión puede oscilar entre 10-4 y 10-1 cm y que contienen billones de átomos. En estas regiones, los momentos de espín netos de átomos vecinos logran acoplarse fuertemente.
Cuando un material poseedor de dominios magnéticos se acerca a un imán, los dominios se alinean entre sí, intensificando el efecto magnético.
Se debe a que los dominios, al igual que los imanes de barra, tienen polos magnéticos, igualmente denotados como Norte y Sur, tales que los polos iguales se repelen y los opuestos se atraen.
A medida que los dominios se alinean con el campo externo, el material emite crujidos que se pueden escuchar mediante una amplificación apropiada.
Este efecto se puede apreciar cuando un imán atrae los clavos de hierro dulce y estos a su vez se comportan como imanes atrayendo a otros clavos.
Los dominios magnéticos no son fronteras estáticas establecidas dentro del material. Su tamaño puede modificarse enfriando o calentando el material, y también sometiéndolo a la acción de campos magnéticos externos.
Sin embargo el crecimiento del dominio no es ilimitado. En el momento en el cual ya no es posible alinearlos más, se dice que se ha llegado al punto de saturación del material. Este efecto se refleja en las curvas de histéresis que aparecen más adelante.
El calentamiento del material ocasiona la pérdida de la alineación de los momentos magnéticos. La temperatura a la cual se pierde por completo la magnetización difiera según el tipo de material, para un imán de barra por lo general se pierde a unos 770 º C.
Una vez retirado el imán, la magnetización de los clavos se pierde debido a la agitación térmica presente en todo momento. Pero hay otros compuestos que sí poseen una magnetización permanente, por tener dominios alineados espontáneamente.
Los dominios magnéticos se pueden observar cuando se corta y pule muy bien una zona plana de material ferromagnético no magnetizado, como hierro dulce. Una vez hecho esto se espolvorea con polvillo o limaduras finas de hierro.
Bajo el microscopio se observa que las virutas se agrupan sobre el mineral formando regiones con una orientación muy bien definida, siguiendo los dominios magnéticos del material.
La diferencia de comportamiento entre diversos materiales magnéticos se debe al modo en que se comportan los dominios en su interior.
La histéresis magnética es una característica que solamente los materiales con elevada permeabilidad magnética poseen. No la presentan los materiales paramagnéticos ni diamagnéticos.
Representa el efecto de un campo magnético externo aplicado, el cual se denota como H sobre la inducción magnética B de un metal ferromagnético durante un ciclo de imanación y desimanación. La gráfica mostrada tiene el nombre de curva de histéresis.
Inicialmente en el punto O no hay campo aplicado H ni respuesta magnética B, pero a medida que aumenta la intensidad de H, la inducción B aumenta progresivamente hasta llegar a la magnitud de saturación Bs en el punto A, que es lo esperado.
Ahora se disminuye progresivamente la intensidad de H hasta hacerla 0, con eso se llega hasta el punto C, sin embargo la respuesta magnética del material no desaparece, reteniendo una magnetización remanente señalada por el valor Br. Significa que el proceso no es reversible.
A partir de allí la intensidad de H aumenta pero con la polaridad invertida (signo negativo), para que la magnetización remanente se anule en el punto D. El valor necesario de H se denota como Hc y recibe el nombre de campo coercitivo.
La magnitud de H aumenta hasta llegar de nuevo al valor de saturación en E y de inmediato la intensidad de H se disminuye hasta llegar a 0, pero queda una magnetización remanente con polaridad opuesta a la anteriormente descrita, en el punto F.
Ahora se invierte la polaridad de H nuevamente y se aumenta su magnitud hasta anular la respuesta magnética del material en el punto G. Siguiendo el camino GA su obtiene de nuevo la saturación. Pero lo interesante es que no se llegó hasta allí por el camino original señalado por las flechas rojas.
El hierro dulce es más fácil de magnetizar que el acero y dándole golpecitos al material se facilita aún más la alineación de los dominios.
Cuando un material es fácil de magnetizar y desmagnetizar se dice que es magnéticamente blando, y por supuesto si sucede lo contrario es un material magnéticamente duro. En estos últimos los dominios magnéticos son pequeños, mientras que en los primeros son grandes, por eso pueden verse a través del microscopio, tal como se detalló arriba.
El área encerrada por la curva de histéresis es una medida de la energía necesaria para magnetizar – desmagnetizar el material. En la figura se aprecian dos curvas de histéresis para dos materiales diferentes. El de la izquierda es magnéticamente blando, mientras que el de la derecha es duro.
Un material ferromagnético blando tiene un campo coercitivo Hc pequeño y una curva de histéresis estrecha y alta. Es un material apropiado para colocarlo en el núcleo de un transformador eléctrico. Ejemplo de ellos son el hierro dulce y aleaciones de silicio- hierro y hierro-níquel, útiles para equipamiento de comunicaciones.
En cambio los materiales magnéticamente duros son difíciles de desimanar una vez imanados, tal como sucede con las aleaciones de alnico (aluminio-níquel-cobalto) y aleaciones de tierras raras con las que se fabrican imanes permanentes.
- Eisberg, R. 1978. Física Cuántica. Limusa. 557 -577.
- Young, Hugh. 2016. Sears-Zemansky’s University Physics with Modern Physics. 14th Ed. Pearson. 943.
- Zapata, F. (2003). Estudio de mineralogías asociadas al pozo petrolero Guafita 8x perteneciente al campo Guafita (Estado Apure) mediante mediciones de Susceptibilidad Magnética y Espectroscopía Mossbauer. Trabajo Especial de Grado. Universidad Central de Venezuela.