Histéresis

Representación esquemática del ciclo de histéresis de un material ferromagnético.

Histéresis es un hecho experimental que, al aplicar un campo magnético sobre un material, éste se perturba. Se dice que el material se imanta. 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 imantación 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 es igual a la imanación espontánea.

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. 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

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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 saturación.

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 μo H). 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 (bajo campo coercitivo, 10-4 - 10-7 T)

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 (alto campo coercitivo, 10-1-10 T)

Aplicaciones en almacenamiento de energía

(imanes permanentes: NdFeB, SmCo, imanes AlNiCo)

Aplicaciones en almacenamiento de información)

(medios de grabación magnética: CoCrPt, óxidos)

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Materiales para imanes permanentes

Aleaciones de hierro

La magnetita natural constituía el material magnético con el que se fabricaban las brújulas en la edad media.

El material magnético empleado hasta 1910 era el acero templado, cuyos parámetros estaban demasiado sujetos a los golpes y variaciones de temperatura.

Resultados mejores se obtuvieron mediante la producción de aceros al tungsteno y al cromo dieron lugar a los mejores imanes.

Aumentando en el acero el cobalto se obtiene un aumento de la energía máxima.

Todos los aceros descritos hasta ahora deben sufrir un temple en aceite o aire, después de haberlos calentado, se tiene con esto la precipitación de carburo de hierro, que provoca tensiones internas. Se cumplen así las condiciones de máxima dureza y estabilidad, esta estabilidad no es elevada, disminuyendo la magnetización a consecuencia de choques repetidos.

Desde 1934 se han ido difundiendo las aleaciones de hierro con aluminio y níquel, conteniendo algunas cobalto. Estas poseen tensiones internas producidas por la dispersión de los átomos de hierro, obtenida mediante un temple adecuado, con un revenido luego.

Un aumento de la energía se consigue dejando enfriar la aleación, en un campo magnético intenso, se obtienen aleaciones anisótropas, en la dirección en que se ha aplicado el campo durante el temple.

Las aleaciones de aluminio-níquel y derivadas se producen fundiendo los distintos componentes, muy puros, y colando la masa en los moldes. El horno debe poseer atmósfera no oxidante. Dada la extremada solo es posible rectificar las caras que están en contacto con las expansiones polares.

No es posible efectuar taladros pequeños ni roscas, se pueden obtener taladros grandes en la fusión. A veces el imán queda aprisionado en la masa del metal de bajo punto de fusión. Es posible soldar, los imanes a las expansiones de hierro dulce.

Generalmente la fijación de los imanes a los soportes de los altavoces se obtiene por medio de colas a base de resinas sintéticas.

Para la obtención de imanes de forma compleja se recurre a la sinterización de las mencionadas aleaciones. Los distintos metales, pulverizados, se comprimen en la prensa, calentándolos, las propiedades magnéticas resultan un poco más reducidas.

En algunos casos se emplean el hierro y el aluminio en polvo, a los que se agregan otros metales pulverizados.

Los imanes pueden enfriarse en un campo magnético para pasar a la forma anisótropa.

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El Vicalloy (hierro, cobalto, vanadio) tiene características similares al acero; puede ser mecanizado y laminado.

Aleaciones endurecidas por precipitación, mediante un proceso de temple, son: el cunico y el cunife.

Ferritas para imanes permanentes

Se pueden producir imanes por medio de óxidos de hierro y cobalto, en polvo, sintetizados, y enfriados en un campo magnético intenso.

Ferritas al bario, los óxidos pulverizados se comprimen en presencia de un campo magnético y los imanes se hacen enfriar en un campo magnético. Se distinguen por un valor muy elevado de la fuerza coercitiva. Poseen, por otra, una resistividad muy elevada.

Procedimientos de magnetización

La magnetización de la aguja de una brújula se conseguía frotándola con magnetita natural.

Por la elevada fuerza coercitiva de los materiales magnéticos es necesario emplear campos magnetizantes.

Los procedimientos empleados para la magnetización son varios. Se puede emplear un electroimán, o bien un arrollamiento en torno al imán, por el cual se hace circular una corriente lo suficientemente intensa.

El empleo de un electroimán es especialmente indicado cuando este último es corto, o bien en los que su forma puede ser adaptada a expansiones polares especiales.

El flujo empleado en saturar el imán, corresponde a una proporción baja del flujo producido por el electroimán.

En teoría, la magnetización tiene lugar instantáneamente, pero en algunos casos necesita un cierto tiempo, una fracción de segundo. Es necesario que la corriente alcance el valor máximo en el arrollamiento del electroimán y esto puede requerir un tiempo superior de magnetización.

Cuando se interrumpe la corriente que circula por el electroimán se tiene una extratension y se inicia un fenómeno oscilante; la magnetización del electroimán se invierte.

Para reducir la corriente oscilante, durante el primer semiperiodo que sigue a la interrupción, cuando tiene la máxima intensidad y la máxima acción desmagnetizante, se conecta en paralelo al electroimán, una resistencia, que impida un valor excesivo de la extratensión.

Conectando entre los extremos del electroimán un condensador C, además de la resistencia, se produce un retraso en la producción de la extratensión por la carga de C, el interruptor tiene tiempo suficiente para abrirse y evitar la descarga entre sus contactos.

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Son necesarios valores muy elevados de fmm para magnetizar aleaciones especiales que tienen una fuerza coercitiva elevada.

En muchos casos el imán se introduce en el arrollamiento en el que se hace circular la corriente magnetizante. Esta puede ser suministrada por un transformador y un rectificador o por un grupo de condensadores.

El arrollamiento magnetizante puede ser de pocas espiras, la intensidad de la corriente alcanza valores muy elevados. Valores tan elevados de corriente, pueden ser soportados por un interruptor que se abra y cierre para cada imán a imanar. Se recurre al empleo de válvulas de descarga en el gas, construidas para soportar dichas intensidades y controladas de modo que la descarga tenga solo lugar en la fracción correspondiente.

Se hace uso, a menudo, de un transformador reductor de tensión, cuyo primario está conectado a una batería de condensadores. El secundario está conectado al arrollamiento magnetizante. Dada la relación de transformación, la corriente secundaria resulta superior a la interrumpida por el interruptor.

Con este sistema tienen lugar igualmente fenómenos oscilantes, que son reducidos de amplitud por medio de un rectificador conectado en paralelo al primario.

Para producir anisotropía en algunos materiales, estos se hacen enfriar desde una temperatura suficientemente elevada en un campo magnético. Los imanes conseguidos de esta forma son generalmente cortos.

Estos imanes son desmagnetizados antes de ser puestos al comercio, pero la orientación dada a los granos permanece invariable.

La desmagnetización es útil porque los imanes cortos de desmagnetizan notablemente cuando se dejan sin un circuito magnético externo. Una vez fijados a la armadura magnética con soldadura o cola, se procede mas racionalmente a su magnetización en la dirección optima.

Estabilización o envejecimiento

En muchas aplicaciones es necesario que las características de un imán permanente sean lo más constantes posible durante un notable número de años.

Los antiguos imanes de acero al tungsteno eran introducidos en barriles, con piedras para ser sometidos a gran número de golpes.

El envejecimiento de los aceros hasta obtener un valor perfectamente estable de la fuerza coercitiva, se efectuaba también recalentando los imanes.

Para estabilizar los imanes modernos contra la influencia de eventuales campos magnéticos externos, una vez montados en los instrumentos, se someten a un campo desmagnetizante exterior que reduce su inducción

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Los imanes del tipo alcalino tienen una gran estabilidad respecto a las variaciones de temperatura, dado el recocido experimentado durante varias horas, como proceso final de elaboración.

Cinta magnética

La cinta magnética empleada en el magnetofón está construida por una fina cinta de acetato de celulosa, sobre una de cuyas caras se ha depositado una capa de barniz, que contiene oxido de hierro. Además se emplea el polivinilo, con él oxido contenido en la misma masa de la resina.

Él oxido férrico magnético puede cristalizar en el sistema cubico o regular, es la forma más adecuada para la fabricación de cintas magnéticas, con la condición de que la orientación sea en el mismo sentido de deslizamiento de la cinta. Esta orientación se obtiene por medio de un campo magnético.

El barniz se prepara introduciendo en un molino coloidal, que contiene esferas de porcelana, él oxido y nitrocelulosa, aceite de resino, plastificantes y disolventes.

La cantidad de oxido de hierro es de aproximadamente el 70% respecto a la masa total de sustancia seca; esta proporción no puede ser aumentada porque se tendría una mayor dificultad en la aplicación del barniz, pues en este caso habría una disminución en la intensidad de la grabación.

Se hace girar el molino durante alguno días, para obtener la mayor reducción posible en las partículas de oxido.

El barniz, de densidad precisa y constantemente controlada, después de ser filtrado va a parar a un depósito, en el cual se mantiene a nivel constante, y de este se vierte a través de una hendidura de altura controlada, sobre la cinta de acetato. Una cuchilla controla exactamente e espesor de la capa de barniz, eliminando el exceso.

La cinta atraviesa unos secadores y una laminadora para ser aplanada y alisada y luego es cortada constituyendo las cintas de longitud normal.

Las cintas producidas son controladas en lo que se refiere a sus propiedades magnéticas, como elevada fuerza coercitiva, mínimo rumor debido a la granulosidad de las partículas de hierro, mínimo efecto de impresión, sensibilidad uniforme. Interesan muchas características mecánicas como la adherencia del barniz al soporte, la resistencia al uso, la flexibilidad, la mínima tendencia a la producción de descargas estáticas sobre la superficie del soporte.