Es un hecho experimental que, al aplicar un campo magnético sobre un material,
éste se perturba. Se dice que el material se imana. Si no existen interacciones magnéticas
entre los momentos atómicos individuales, en ausencia de campo aplicado dichos
momentos se encontrarán desordenados a temperaturas distintas de 0 K. En estas
condiciones, el momento magnético total, promedio de los momentos individuales, será
siempre nulo. Sin embargo, debido a la presencia de interacciones entre los momentos
individuales (interacción de canje), algunos materiales presentan orden magnético a largo
alcance por debajo de una cierta temperatura crítica. Si la naturaleza de la interacción es tal
que los momentos individuales ordenados se suman unos a otros para dar lugar a un
momento macroscópico no nulo, incluso en ausencia de campo magnético aplicado, se dice
que el material es ferromagnético. A la densidad de momento magnético en ausencia de
campo aplicado se le llama imanación espontánea y a la temperatura por encima de la
cual la agitación térmica destruye el ordenamiento magnético se conoce como
temperatura de Curie.
A pesar de la existencia de una imanación espontánea local, un bloque de una
sustancia ferromagnética se encuentra normalmente en un estado desimanado. La razón de
esto es que el interior del bloque se divide en dominios magnéticos, cada uno de ellos
imanados espontáneamente a lo largo de direcciones diferentes. De esta manera, la
imanación total puede ser nula, de forma que se minimiza la energía magnetostática del
sistema. Cuando se aplica un campo externo, la imanación macroscópica del bloque del
material cambia, tal y como muestra la figura 1. Finalmente, cuando se aplica un campo lo
suficientemente intenso, alcanza la imanación de saturación Ms, que sucede cuando todos
los momentos magnéticos se encuentran orientados en la dirección del campo aplicado.
Figura 1. Representación esquemática del ciclo de histéresis de un material ferromagnético.
Si en este punto se reduce el campo aplicado, la imanación macroscópica se reduce,
pero en general no regresa por el camino original. Este comportamiento irreversible de la
imanación se denomina histéresis y se debe a la interacción entre los momentos
magnéticos. Supongamos que después de alcanzar el estado de saturación, se disminuye el
campo aplicado hasta cero. La imanación disminuye pero no alcanza un valor nulo cuando
H=0. La muestra queda con una imanación Mr denominada imanación remanente. Si se
aumenta el valor del campo magnético en sentido negativo, la imanación sigue
disminuyendo hasta que se anula. El valor de campo necesario para anular la imanación es
el campo coercitivo intrínseco, Hc. Si se sigue aumentando el campo en sentido negativo,
se alcanza el estado de saturación en sentido contrario al inicial. Realizando la variación de
H en sentido inverso se obtiene el llamado ciclo de histéresis del material. El área
encerrada por el ciclo es la energía disipada por el material en forma de calor en el proceso
cíclico de imanación al que se le ha sometido.
El ciclo de histéresis no es la única forma de caracterizar el proceso de imanación
de un material ferromagnético. Si se parte de un estado desimanado y se va aplicando
campo magnético al tiempo que se registra el valor de la imanación, se obtiene la curva de
primera saturación. En esta curva, la derivada de la imanación respecto al campo es la
susceptibilidad magnética.
Otra forma de caracterizar un material ferromagnético es, partiendo de un estado
desimanado, realizar ciclos de histéresis con amplitudes crecientes. La representación del
valor máximo de imanación frente al campo máximo de cada ciclo constituye la llamada
curva de conmutación. Bajo ciertas circunstancias, especialmente a bajas frecuencias,
suele coincidir con la curva de primera imanación.
Los elementos ferromagnéticos más comunes son el hierro, el cobalto, el níquel y
sus aleaciones. La imanación de saturación de estos materiales toma generalmente valores
alrededor de 1 T; el valor más alto de imanación de saturación a temperatura ambiente lo
tiene una aleación de FeCo y es de 2.5 T aproximadamente. Sin embargo, se encuentran
valores de campo coercitivo a lo largo de ocho órdenes de magnitud (desde 10-7
hasta 5 T a
temperatura ambiente en unidades µoH). Esta propiedad no sólo depende de la
composición del material sino también de su estructura, los tratamientos a los que ha sido
sometido el espécimen, etc. Generalmente, el valor del campo coercitivo condiciona el
rango de aplicaciones tecnológicas del material. De esta forma se establece la siguiente
clasificación de los materiales ferromagnéticos.
Materiales magnéticos blandos
- Aplicaciones como multiplicadores de flujo (núcleos de máquinas eléctricas y transformadores: FeSi, amorfos ferromagnéticos).
- Aplicaciones como transductores de otras propiedades (núcleos de sensores y actuadores : FeNi).
Materiales magnéticos duros:
- Aplicaciones en almacenamiento de energía (imanes permanentes: NdFeB, SmCo, imanes AlNiCo).
- Aplicaciones en almacenamiento de información) (medios de grabación magnética: CoCrPt, óxidos).
