Ferromagnetismo

El hierro, el n�quel, el cobalto y algunas de las tierras raras (gadolinio, disprosio), muestran un comportamiento �nico magn�tico llamado ferromagnetismo, por hierro (ferrum en lat�n), que es el ejemplo m�s com�n y m�s espectacular. El samario y el neodimio en aleaciones con cobalto, se han utilizado para fabricar imanes de tierras raras muy fuertes.

Los materiales ferromagn�ticos exhiben un fen�meno de ordenamiento de largo alcance a nivel at�mico, que hace que los espines de los electrones no apareados se alineen paralelamente entre s�, en una regi�n del material llamada dominio. El campo magn�tico dentro del dominio es intenso, pero en una muestra global el material generalmente no estar� magnetizado, debido a que los muchos dominios que lo componen estar�n orientados entre ellos de forma aleatoria. El ferromagnetismo se manifiesta en el hecho de que un peque�o campo magn�tico impuesto externamente por ejemplo por un solen�ide, puede originar que los dominios magn�ticos se alineen entre s� y entonces se dice que el material est� magnetizado. Luego, el campo magn�tico generado, se puede aumentar por un gran factor que normalmente se expresa como la permeabilidad relativa del material. Hay muchas aplicaciones pr�cticas de materiales ferromagn�ticos, tales como los electroimanes.

Los ferroimanes tienden a permanecer magnetizados en cierta medida despu�s de ser sometido a un campo magn�tico externo. Esta tendencia a "recordar su historia magn�tica" se llama hist�resis. La fracci�n de la magnetizaci�n de saturaci�n que es retenida cuando se elimina el campo de generaci�n, se llama remanencia del material, y es un factor importante en los imanes permanentes.

Todos los ferroimanes tienen una temperatura m�xima, donde desaparecen las propiedades ferromagn�ticas como resultado de la agitaci�n t�rmica. Esta temperatura se llama temperatura de Curie.

Los materiales ferromagn�ticos responden mec�nicamente al campo magn�tico impuesto, cambiando ligeramente su longitud en la direcci�n del campo aplicado. Esta propiedad, llamada magnetostricci�n, origina el zumbido familiar de los transformadores, que es la respuesta mec�nica a los voltajes de corriente alterna de 60 Hz.

Orden de Largo Alcance en los Ferroimanes

La ordenaci�n de largo alcance que crea los dominios magn�ticos en los materiales ferromagn�ticos surge de la interacci�n mec�nica cu�ntica a nivel at�mico. Esta interacci�n es notable, ya que bloquea los momentos magn�ticos de los �tomos vecinos en un orden r�gido paralelo, sobre un gran n�mero de �tomos a pesar de la agitaci�n t�rmica que tiende a desordenar cualquier conjunto a nivel at�mico. Los tama�os de los dominios pueden variar de un 0,1 mm a unos pocos mil�metros. Cuando se aplica un campo magn�tico externo, los dominios ya alineados en la direcci�n de este campo crecen a expensas de sus vecinos. Si en una pieza de hierro se alinean todos los espines, el campo ser�a de alrededor de 2,1 Tesla. Un campo magn�tico de aproximadamente 1 T puede ser producido en hierro recocido con un campo externo de aproximadamente 0,0002 T, �una multiplicaci�n del campo externo por un factor de 5000!. Para un material ferromagn�tico 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 1043�K

La Temperatura de Curie

En un material ferromagn�tico 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 1043�K. La temperatura de Curie da una idea de la cantidad de energ�a que se necesita para romper la ordenaci�n de largo alcance en el material. A 1043�K, la energ�a t�rmica es aproximadamente 0,135 eV en comparaci�n con alrededor de 0,04 eV a temperatura ambiente.

Dominios Magn�ticos

El ordenamiento microsc�pico de los espines de los electrones caracter�stico de los materiales ferromagn�ticos, conduce a la formaci�n de regiones de alineamiento magn�tico llamadas dominios.

La principal implicaci�n de los dominios es que con �l, ya hay un alto grado de magnetizaci�n en los materiales ferromagn�ticos dentro de los dominios individuales, pero en ausencia de campos magn�ticos externos, esos dominios est�n orientados de forma aleatoria. Un modesto campo magn�tico aplicado, puede originar un mayor grado de alineamiento de los momentos magn�ticos con el campo externo, dando una gran multiplicaci�n del campo aplicado.

Estas ilustraciones de dominios son solamente conceptuales y no intentan dar una escala precisa del tama�o o forma de los dominios. La evidencia microsc�pica sobre la magnetizaci�n, indica que la magnetizaci�n neta de los materiales ferromagn�ticos en respuesta a un campo magn�tico externo, puede originarse mas por el crecimiento de los dominios paralelos al campo aplicado a expensa de otros dominios, que por la reorientaci�n de los dominios en s�, tal como lo ilustra el siguiente dibujo.

Algunas de las evidencias mas directas que se tiene sobre los dominios, proviene de las im�genes de dominios en los cristales simples de materiales ferromagn�ticos. Los dibujos de arriba son de Young y se han adaptado de im�genes de contornos de dominios en cristales simples de niquel. Sugieren que el efecto de los campos magn�ticos externos, es producir un desplazamiento de los contornos de los dominios. en favor de aquellos que est�n paralelos al campo aplicado. No est� claro como se aplica esto al material magn�tico global que es policristalino. Mantener en mente el hecho de que los campos magn�ticos internos que provienen de la ordenaci�n de largo alcance de los espines de los electrones son mucho mas fuertes, algunas veces cientos de veces mas fuertes, que los campos magn�ticos externos necesarios para producir estos cambios en el alineamiento de los dominios. La multiplicaci�n efectiva del campo externo que se puede lograr por el alineamiento de los dominios se expresa a menudo en t�rminos de la permeabilidad relativa.

Los dominios se pueden ver con el uso de suspensiones coloidales magn�ticas, 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 difracci�n del electr�n. La observaci�n de movimientos de contornos de dominios bajo la influencia de campos magn�ticos aplicados, han ayudado al desarrollo del tratamiento te�rico. Se ha demostrado que la formaci�n de dominios, minimiza la contribuci�n magn�tica a la energ�a libre.

Permeabilidad Relativa

La constante magn�tica μ₀ = 4π x 10^-7 T m/A se llama permeabilidad del espacio. La permeabilidad de la mayor�a de los materiales est�n muy cerca de μ₀, ya que la mayor�a de materiales est�n clasificados como paramagn�tico o diamagn�tico. Pero en los materiales ferromagn�ticos, la permeabilidad puede ser muy grande y es conveniente caracterizar los materiales por una permeabilidad relativa.

Tabla de Propiedades Magn�ticas

Cuando se usan materiales ferromagn�ticos en aplicaciones como un solen�ide con n�cleo de hierro, la permeabilidad relativa da una idea de la clase de multiplicaci�n del campo magn�tico aplicado que se puede lograr con la presencia de un n�cleo ferromagn�tico. De modo que para un n�cleo de hierro ordinario, se podr�a esperar una multiplicaci�n de alrededor de 200, en comparaci�n con el campo magn�tico producido por la corriente de un solen�ide con solo un n�cleo de aire. Esta instrucci�n tiene excepciones y l�mites, ya que no se llega a una magnetizaci�n de saturaci�n del n�cleo de hierro r�pidamente, como se ilustra en el estudio de la hist�resis.

Aplicaciones del Ferromagnetismo