Ferromagnetismo

El hierro, el níquel, el cobalto y algunas de las tierras raras (gadolinio, disprosio), muestran un comportamiento único magnético llamado ferromagnetismo, por hierro (ferrum en latín), que es el ejemplo más común y más espectacular. El samario y el neodimio en aleaciones con cobalto, se han utilizado para fabricar imanes de tierras raras muy fuertes.

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 por ejemplo por un solenóide, 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. Hay muchas aplicaciones prácticas de materiales ferromagnéticos, tales como los electroimanes.

Los ferroimanes tienden a permanecer magnetizados en cierta medida después de ser sometido a un campo magnético externo. Esta tendencia a "recordar su historia magnética" se llama histéresis. La fracción de la magnetización de saturación que es retenida cuando se elimina el campo de generación, se llama remanencia del material, y es un factor importante en los imanes permanentes.

Todos los ferroimanes tienen una temperatura máxima, donde desaparecen las propiedades ferromagnéticas como resultado de la agitación térmica. Esta temperatura se llama temperatura de Curie.

Los materiales ferromagnéticos responden mecánicamente al campo magnético impuesto, cambiando ligeramente su longitud en la dirección del campo aplicado. Esta propiedad, llamada magnetostricción, origina el zumbido familiar de los transformadores, que es la respuesta mecánica a los voltajes de corriente alterna de 60 Hz.

Orden de Largo Alcance en los Ferroimanes

La ordenación de largo alcance que crea los dominios magnéticos en los materiales ferromagnéticos surge de la interacción mecánica cuántica a nivel atómico. Esta interacción es notable, ya que bloquea los momentos magnéticos de los átomos vecinos en un orden rígido paralelo, sobre un gran número de átomos a pesar de la agitación térmica que tiende a desordenar cualquier conjunto a nivel atómico. Los tamaños de los dominios pueden variar de un 0,1 mm a unos pocos milímetros. Cuando se aplica un campo magnético externo, los dominios ya alineados en la dirección de este campo crecen a expensas de sus vecinos. Si en una pieza de hierro se alinean todos los espines, el campo sería de alrededor de 2,1 Tesla. Un campo magnético de aproximadamente 1 T puede ser producido en hierro recocido con un campo externo de aproximadamente 0,0002 T, ¡una multiplicación del campo externo por un factor de 5000!. Para un material ferromagnético dado, el orden de largo alcance desaparece abruptamente a una cierta temperatura que se llama temperatura de Curie del material. La temperatura de Curie del hierro es de aproximadamente 1043ºK

La Temperatura de Curie

En un material ferromagnético dado, el orden de largo alcance desaparece abruptamente a una cierta temperatura, que se llama temperatura de Curie del material. La temperatura de Curie del hierro es de unos 1043ºK. La temperatura de Curie da una idea de la cantidad de energía que se necesita para romper la ordenación de largo alcance en el material. A 1043ºK, la energía térmica es aproximadamente 0,135 eV en comparación con alrededor de 0,04 eV a temperatura ambiente.

Dominios Magnéticos

El ordenamiento microscópico de los espines de los electrones característico de los materiales ferromagnéticos, conduce a la formación de regiones de alineamiento magnético llamadas dominios.

La principal implicación de los dominios es que con él, ya hay un alto grado de magnetización en los materiales ferromagnéticos dentro de los dominios individuales, pero en ausencia de campos magnéticos externos, esos dominios están orientados de forma aleatoria. Un modesto campo magnético aplicado, puede originar un mayor grado de alineamiento de los momentos magnéticos con el campo externo, dando una gran multiplicación del campo aplicado.

Estas ilustraciones de dominios son solamente conceptuales y no intentan dar una escala precisa del tamaño o forma de los dominios. La evidencia microscópica sobre la magnetización, indica que la magnetización neta de los materiales ferromagnéticos en respuesta a un campo magnético externo, puede originarse mas por el crecimiento de los dominios paralelos al campo aplicado a expensa de otros dominios, que por la reorientación de los dominios en sí, tal como lo ilustra el siguiente dibujo.

Algunas de las evidencias mas directas que se tiene sobre los dominios, proviene de las imágenes de dominios en los cristales simples de materiales ferromagnéticos. Los dibujos de arriba son de Young y se han adaptado de imágenes de contornos de dominios en cristales simples de niquel. Sugieren que el efecto de los campos magnéticos externos, es producir un desplazamiento de los contornos de los dominios. en favor de aquellos que están paralelos al campo aplicado. No está claro como se aplica esto al material magnético global que es policristalino. Mantener en mente el hecho de que los campos magnéticos internos que provienen de la ordenación de largo alcance de los espines de los electrones son mucho mas fuertes, algunas veces cientos de veces mas fuertes, que los campos magnéticos externos necesarios para producir estos cambios en el alineamiento de los dominios. La multiplicación efectiva del campo externo que se puede lograr por el alineamiento de los dominios se expresa a menudo en términos de la permeabilidad relativa.

Los dominios se pueden ver con el uso de suspensiones coloidales magnéticas, que se concentran a lo largo de los contornos de los dominios. Los contornos de los dominios se puede visualizar por luz polarizada, y tambien con el uso de la difracción del electrón. La observación de movimientos de contornos de dominios bajo la influencia de campos magnéticos aplicados, han ayudado al desarrollo del tratamiento teórico. Se ha demostrado que la formación de dominios, minimiza la contribución magnética a la energía libre.

Permeabilidad Relativa

La constante magnética μ₀ = 4π x 10^-7 T m/A se llama permeabilidad del espacio. La permeabilidad de la mayoría de los materiales están muy cerca de μ₀, ya que la mayoría de materiales están clasificados como paramagnético o diamagnético. Pero en los materiales ferromagnéticos, la permeabilidad puede ser muy grande y es conveniente caracterizar los materiales por una permeabilidad relativa.

Tabla de Propiedades Magnéticas

Cuando se usan materiales ferromagnéticos en aplicaciones como un solenóide con núcleo de hierro, la permeabilidad relativa da una idea de la clase de multiplicación del campo magnético aplicado que se puede lograr con la presencia de un núcleo ferromagnético. De modo que para un núcleo de hierro ordinario, se podría esperar una multiplicación de alrededor de 200, en comparación con el campo magnético producido por la corriente de un solenóide con solo un núcleo de aire. Esta instrucción tiene excepciones y límites, ya que no se llega a una magnetización de saturación del núcleo de hierro rápidamente, como se ilustra en el estudio de la histéresis.

Aplicaciones del Ferromagnetismo