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Ferromagnetismo e Histéresis
Como se ha indicado, los materiales ferromagnéticos afectan drásticamente las
características de los sistemas en los que se los usa. Los materiales
ferromagnéticos no son `lineales'. Esto significa que las relaciones entre
entre
y
y
(o
) no corresponden a líneas rectas. En realidad, lo que ocurre es más
complicado e interesante; la relación entre
y
presenta el fenómeno de
histéresis. Esto significa que, cuando se somete al material a un ciclo de operación,
la magnetización (relación B-H) sigue una curva complicada. En general, se
considera que el campo excitante es H (pues está directamente relacionado a la
corriente). Puede entonces ocurrir que H=0, y tanto B como M sean distintos de
cero: esto es lo que se conoce corrientemente como un imán. Los materiales
ferromagnéticos son el Hierro, Níquel, Cobalto, y algunas aleaciones. Desde el
punto de vista tecnológico son muy importantes para aplicaciones en generación de
energía, motores eléctricos, almacenamiento de información (cintas y discos
magnéticos), etc.
Para entender el fenómeno, se considera una muestra de material ferromagnético,
inicialmente desmagnetizada. Se considera que el parámetro de control
experimental es el campo
, pues éste está directamente relacionado a la
corriente eléctrica (por la ley de Ampere). Si el campo
se incrementa, desde
cero, la magnetización del material crecerá monótonamente, describiendo una
, el valor de sería una
curva como la de la figura 7.4. Si uno definiera
función de H con un rango de variación de varios órdenes de magnitud. Se observa,
en primer lugar la existencia de una saturación; esto es, que si el campo H alcanza
un valor suficientemente elevado, la magnetización M alcanza un valor máximo,
que depende del material. Este resultado experimental puede entenderse
simplemente, pues significa que en una muestra saturada todos los dipolos
magnéticos elementales se han alineado con el campo H.
Figure 7.1: Curva de magnetización y permeabilidad relativa del hierro comercial
(recocido).
Imagínese ahora la muestra ya magnetizada, y en presencia de un campo
. Si
ahora se disminuye
, la relación B-H no describe la curva inicial de la figura
anterior 7.4, sino que regresa por una nueva curva, como la de la figura 7.4
. Si ahora se
siguiente, llegando hasta el punto , en que H=0, pero
continúa aumentando H en sentido inverso al original, la muestra adquiere una
. Si
magnetización invertida, pasando por el punto , en que B=0, pero
ahora se hace aumentar H, entonces B regresa por la parte inferior de la curva B-H.
Se observa que la curva para H creciente es distinta a aquella para H decreciente.
Este fenómeno se denomina histéresis, y la figura 7.4 es la llamada curva de
histéresis del material.
Figure 7.2: Curva de histéresis para un material ferromagnético.
Se observa que la curva de histéresis depende del material, pero además del valor
máximo de H al cual se encuentra sometido el material. Si el valor de Hmax es
suficientemente intenso, la forma de la curva no cambia al aumentar Hmax, como se
observa en la figura 7.4 que sigue.
Figure 7.3: Curvas de histéresis de un material, para varios valores de Hmax. La
línea punteada muestra la saturación de la curva B-H.
Las aplicaciones más frecuentes de los materiales ferromagnéticos son (1) para
aumentar el flujo en circuitos de corriente (motores, generadores), (2) como
fuentes de campo magnético (imanes) y (3) en almacenamiento magnético de
información. Cuando una muestra de material ferromagnético se utiliza como imán,
primero se le magnetiza hasta su saturación, y luego se elimina el campo H. El
campo magnético remanente B=r se llama retentividad.
Para ilustrar la gran variedad de comportamiento magnético entre los materiales
ferromagnéticos, mostramos las curvas de histéresis para dos materiales distintos,
el fierro comercial y un acero al tungsteno, en la Figura 7.4.
Figure 7.4: Curvas de histéresis para hierro comercial y acero al tungsteno.
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