Tipos de magnetismo

Las sustancias que pueden ser magnetizadas en mayor o menor medida por un campo magnético se denominan en general materiales magnéticos [Chikazumi, 1964]. Hay varios tipos de magnetismo, cada uno de ellos está caracterizado por su propia estructura. Para establecer un criterio de clasificación de los materiales magnéticos necesitamos introducir una nueva variable, la susceptibilidad χ. Se define susceptibilidad como a la relación entre la magnetización M y el campo magnético H:

M
=χH
(2.18)

Las unidades de la susceptibilidad son H/m, esto es, la misma que la de la permeabilidad del aire µ0. Entonces es posible determinar una susceptibilidad relativa χ en función de µo:

o χ χ µ = (2.19) Sustituyendo (2.18) en (2.1):

(

)

El valor de la susceptibilidad relativa varía desde 10-5 para un magnetismo débil hasta 106 para un magnetismo fuerte. En algunos casos el valor puede ser negativo, mientras que en otros siquiera presenta un valor constante, sino que depende del campo H. Se puede interpretar el tipo de comportamiento de χ en función de la estructura magnética del material. Adoptando este criterio se pueden clasificar los varios tipos de magnetismo como sigue:

• Diamagnetismo • Paramagnetismo • Ferromagnetismo • Antiferromagnetismo • Ferrimagnetismo 2.1.4.1 Diamagnetismo

El diamagnetismo es un magnetismo débil en el cual la magnetización del material exhibe una dirección opuesta a la del campo aplicado. En consecuencia la susceptibilidad es negativa y pequeña, del orden de -10-5. El diamagnetismo está presente en todo tipo de materia, pero

puede quedar enmascarado por el ferromagnetismo y el paramagnetismo. Al aplicar un campo en un material diamagnético se induce una rotación orbital en los electrones del núcleo lo cual implica la creación de momentos magnéticos, pero por la ley de Lenz la corriente de los momentos magnéticos orbitales inducidos es tal que se opone al campo aplicado.

Figura 2-2 Diamagnetismo

2.1.4.2 Paramagnetismo

El paramagnetismo también es un magnetismo débil, en él la magnetización M es proporcional al campo magnético H. El orden de magnitud de χes de 10-3 a 10-5. En general, las sustancias paramagnéticas contienen átomos magnéticos cuyos espines están aislados del entorno magnético y pueden cambiar su dirección con cierta libertad. A temperaturas finitas los espines experimentan agitación térmica adoptando direcciones aleatorias. Al aplicarse un campo, la orientación media de los espines cambia ligeramente produciendo un débil magnetismo en la misma dirección que el campo aplicado. La susceptibilidad es inversamente proporcional a la temperatura.

2.1.4.3 Antiferromagnetismo

Magnetismo débil con susceptibilidad positiva. La variación de la susceptibilidad con la temperatura presenta un pico (véase la figura 2-4) denominado temperatura de Néel. Cuando se aplica un campo, por debajo de la temperatura de Néel los espines se alinean de forma antiparalela, de forma que la tendencia a magnetizarse con el campo exterior de los espines orientados en el sentido del campo aplicado experimenta la oposición de los espines orientados en sentido contrario. Por encima de la temperatura de Néel el comportamiento es el de un material paramagnético.

Figura2-4. Antiferromagnetismo

2.1.4.4 Ferrimagnetismo

Ferrimagnetismo es el término propuesto por Néel para describir el comportamiento magnético de las ferritas. En estos materiales los iones magnéticos ocupan dos tipos de red cristalina. En un tipo de red -denominémosle A- los espines se orientan en un sentido. En la otra red cristalina -la B por ejemplo- los espines se orientan en sentido contrario1 a de la red A. Como el número de iones en la red A y B no tiene porque ser el mismo, el balance es favorable a una de las direcciones y se produce una configuración de espines orientados que puede producir magnetización. Como que esta orientación se produce sin intervención de un campo externo se la denomina magnetización espontánea.

A medida que la temperatura aumenta, la configuración del los espines se deforma por agitación térmica, lo cual implica un descenso de la magnetización espontánea. Hasta llegar a cierta temperatura, denominada temperatura de Curie Tc, para la cual la configuración de los

1

La razón por la cual los espines se orientan de forma paralela es la fuerza de intercambio que se comentará más adelante, cuando justifiquemos la aparición de dominios en los materiales ferromagnéticos

espines se vuelve totalmente aleatoria, desapareciendo la magnetización espontánea. Por encima de la temperatura de Curie el comportamiento del material es del un paramagnético.

Figura 2-5. Ferrimagnetismo

2.1.4.5 Ferromagnetismo

El ferromagnetismo es similar al del ferrimagnetismo, con la diferencia que ahora los espines se orientan en paralelo el uno con el otro como resultado una interacción que actúa entre espines vecinos. Al igual que en el ferrimagnetismo, sin aplicar un campo externo aparece una magnetización espontánea que desaparece cuando la temperatura del material llega a la temperatura de Curie, por encima de la cual el material se comporta como un parmagnético (figura 2-6).

A pesar de la magnetización espontánea, un bloque de material ferromagnético (o ferrimagnético) generalmente no está magnetizado sino que se halla en un estado desmagnetizado. Esto es debido a que el interior del bloque se divide en los denominados dominios, cada uno de los cuales está espontáneamente magnetizado en una dirección arbitraria, con lo que la contribución de todos los dominios resulta en una magnetización nula.

Si se aplica un campo exterior la magnetización aparente del bloque desmagnetizado varía según se muestra en la figura 2-7, alcanzando finalmente la magnetización de saturación que es igual a la magnetización espontánea. Si una vez alcanzada la magnetización de saturación se reduce el campo aplicado, la magnetización disminuye de nuevo pero no vuelve al valor inicial. Este proceso irreversible se denomina histéresis (del griego υστερησιζ, retardo).

Figura 2-7. Curvas de magnetización medidas en diferentes direcciones de un cristal de (a) una

lámina anisotrópica y (b) FeSi. RD medido en la dirección de mecanizado, CD medido en la dirección perpendicular a la dirección de mecanizado [Bozorth, 1978]

La presencia de la magnetización de saturación y de la histéresis es inherente a los materiales ferromagnéticos. Si bien pocos materiales son ferromagnéticos: Fe, Ni, Co, Gd Dy y su aleaciones, los núcleos de las máquinas eléctricas están constituidos por materiales ferromagnéticos, siendo uno de los objetivos del presente trabajo determinar numéricamente la ley constitutiva B=f(H) de estos materiales ferromagnéticos, con su saturación e histéresis.

El resto del presente capítulo lo vamos a dedicar al conocimiento de los procesos que acontecen en la magnetización de un material ferromagnético y que determinan la ley B=f(H).