13 Materiales magnéticos

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Materiales magnéticos 
Cátedra Materiales para Ingeniería – Ingeniería Química – 2019 
Ing. Teresa Antequera 
Magnetismo 
 Un campo magnético (visto como líneas de flujo magnético) puede estar generado alrededor de un 
lazo de corriente eléctrica. La magnitud y dirección del campo magnético en cualquier punto dado 
cerca del lazo de corriente está dado por H (cantidad vectorial) 
 Algunos materiales son inherentemente magnéticos, esto es, pueden generar un campo magnético 
sin una corriente eléctrica macroscópica 
Campo magnético generado por un 
anillo de corriente 
Campo magnético generado por un 
imán 
 Para el espacio libre que rodea una fuente de campo magnético, podemos definir una inducción, B, cuya 
magnitud es la densidad de flujo. La inducción está relacionada con la intensidad de campo magnético, H, 
por 
 
 B=µ0.H 
µ0: permeabilidad del vacío 
 
 Si se inserta un sólido en el campo magnético, la magnitud de inducción cambiará, pero puede expresarse 
aún de forma similar: 
 
 B=µ.H 
µ: permeabilidad del sólido 
 
 
La presencia del sólido ha cambiado la inducción. La contribución separada del sólido se ilustra con la 
expresión: 
 B= µ.H=µ0(H+M) 
 Donde M es la magnetización del 
sólido 
• µ0M representa el campo de inducción 
magnética “extra” asociado con el 
sólido. 
• La magnetización M es la densidad en 
el volumen de los momentos de 
dipolos magnéticos asociados con la 
estructura electrónica del sólido 
 
Dado que la imanación de un material magnético es proporcional al campo aplicado, el factor de 
proporcionalidad llamado susceptibilidad magnética se define como: 
 
 
Algunas veces es conveniente describir el comportamiento magnético de un sólido en términos de su 
permeabilidad relativa, µr, dada por: 
 
 µr=
µ
µ0
 
µ=(1,00 1,01)µ0 
Para sólido paramagnético 
µ0 para vacío 
µ≈0,99995µ0 
Comportamiento de los materiales ante un campo magnético: Tipos de magnetismos 
Diamagnetismo 
Es una forma muy débil de magnetismo, la cual es no permanente y persiste solamente cuando se aplica un 
campo externo. 
Es inducido por un cambio en el movimiento orbital de los electrones debido al campo magnético aplicado 
El diamagnetismo produce una susceptibilidad magnética negativa muy débil, del orden de =10 -6. 
 
 El diamagnetismo ocurre en todos los materiales, pero en muchos el efecto magnético negativo queda cancelado 
por efectos magnéticos positivos. 
Paramagnetismo 
Para algunos materiales sólidos, cada átomo posee un dipolo permanente debido a la cancelación 
incompleta de los momentos causados por la rotación del electrón y la órbita del electrón. 
Cuando no existe un campo magnético externo, las orientaciones de los momentos magnéticos de los 
átomos son aleatorias y el material no posee magnetismo macroscópico neto. 
Los dipolos atómicos pueden rotar libremente y el paramagnetismo resulta cuando los dipolos se alinean por 
rotación con un campo externo. 
El paramagnetismo produce susceptibilidades magnéticas en los materiales en un rango de 10-6 hasta 10-2 
Los materiales diamagnéticos y paramagnéticos presentan magnetismo solamente en presencia de un 
campo externo. 
Ferromagnetismo 
El diamagnetismo y el paramagnetismo son inducidos por un campo magnético aplicado, y la imanación 
permanece sólo mientras se mantenga el campo. Un tercer tipo de magnetismo, denominado 
ferromagnetismo, es de gran importancia en ingeniería. Los materiales ferromagnéticos producen campos 
magnéticos que pueden mantenerse o eliminarse a voluntad. 
Los elementos ferromagnéticos más importantes son el hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel (Ni). Las propiedades 
ferromagnéticas son debidas al modo en el que los espines de los electrones internos desapareados se 
alinean en la red cristalina. 
 
En el Fe, Co y Ni los electrones internos 3d son los responsables del ferromagnetismo que presentan estos 
elementos. El átomo de hierro posee cuatro electrones 3d desapareados, el átomo de cobalto tres y el átomo 
de níquel dos. 
 
 Que ocurre, sin embargo, con el manganeso o el cromo? De acuerdo con su estructura, con cinco 
electrones desapareados, debería esperarse una magnetización incluso superior a la mostrada por el Fe. 
Así ocurre con un átomo aislado. Sin embargo, en una muestra sólida de Mn, los átomos se sitúan en la red 
de tal modo que los momentos magnéticos de cada átomo se oponen a los de su vecino, lo que, 
globalmente, anula la magnetización. Este fenómeno se denomina antiferromagnetismo. 
 En una muestra sólida de Fe, Co o Ni a temperatura ambiente los espines de los electrones 3d de átomos 
adyacentes se alinean en una dirección paralela por un fenómeno denominado imanación espontánea. Esta 
alineación paralela de dipolos magnéticos atómicos ocurre sólo en regiones microscópicas denominadas 
dominios magnéticos 
 En el interior de los materiales fuertemente magnéticos existen regiones llamadas dominios magnéticos, 
cuya extensión puede oscilar entre 10-4 y 10-1 cm y que contienen billones de átomos. 
 Cuando un material poseedor de dominios magnéticos se acerca a un imán, los dominios se alinean entre 
sí, intensificando el efecto magnético. 
 
 Se debe a que los dominios, al igual que los imanes de barra, tienen polos magnéticos, igualmente 
denotados como Norte y Sur, tales que los polos iguales se repelen y los opuestos se atraen. 
 
 A medida que los dominios se alinean con el campo externo, el material emite crujidos que se pueden 
escuchar mediante una amplificación apropiada. 
Antiferromagnetismo 
Otro tipo de magnetismo que se presenta en algunos materiales es el antiferromagnetismo. En presencia de un 
campo magnético, los dipolos magnéticos de los átomos de los materiales antiferromagnéticos se alinean por sí 
mismos en direcciones opuestas (Figura 5). 
 
 
 
 
 
 
 
Alineamiento de los dipolos magnéticos para diferentes tipos de magnetismo, 
a) Ferromagnetismo. b) antiferromagnetismo. c) ferrimagnetismo 
Ferrimagnetismo 
En algunos materiales cerámicos, iones diferentes poseen distinta magnitud para sus momentos magnéticos y 
cuando estos momentos magnéticos se alinean de forma antiparalela, se produce un momento magnético neto en 
una dirección (Fig. 5,c). Como grupo, los materiales ferrimagnéticos se denominan ferritas. Hay muchos tipos de 
ferritas. Un grupo se basa en la magnetita, Fe3O4 , que es la antiguamente conocida piedra magnética. Las ferritas 
poseen baja conductividad, que la hacen útil para muchas aplicaciones electrónicas. 
 
 
 Efecto de la temperatura sobre el ferromagnetismo 
 
 La energía térmica hace que los dipolos magnéticos de un material ferromagnético se desvíen de su 
alineamiento. Al aumentar la temperatura, se alcanza una temperatura en la cual el ferromagnetismo 
de los materiales ferromagnéticos desaparece completamente, y el material se toma paramagnético. 
Esta temperatura se denomina temperatura de Curie 
 Cuando una muestra de material ferromagnético es enfriada por debajo de su temperatura de Curie, 
se vuelven a formar los dominios ferromagnéticos y el material se vuelve ferromagnético de nuevo. 
Las temperaturas de Curie del Fe, Co y Ni son 770, 1123 y 358 ºC, respectivamente. 
Dominios magnéticos 
 
Por debajo de la temperatura de Curie, los momentos dipolares magnéticos de los átomos de materiales 
ferromagnéticos tienden a alinearse por sí mismos en una dirección paralela en pequeñas regiones llamadas 
dominios magnéticos 
Cuando un material ferromagnético es desimanado por enfriamiento lento desde encima de su temperatura deCurie, los dominios magnéticos se alinean aleatoriamente de forma que no hay ningún momento magnético 
neto para una muestra masiva 
Dominios magnéticos en un metal 
ferromagnético. Todos los dipolos magnéticos 
en cada dominio están alineados, pero los 
dominios están alineados aleatoriamente de 
forma que 
no hay magnetización neta 
 Cuando se aplica un campo magnético externo a un material ferromagnético desimanado, los dominios 
magnéticos cuyos momentos están inicialmente paralelos al campo magnético aplicado crecen a expensas de los 
dominios menos favorablemente orientados. El crecimiento del dominio tiene lugar por el movimiento de las 
paredes del dominio, como se indica en la Figura. 
Crecimiento y rotación de dominios 
magnéticos de un campo aplicado 
 Cuando el crecimiento del dominio termina, si el campo aplicado material ferromagnético desimanado al 
imanarlo hasta la saturación mediante un campo magnético aumenta sustancialmente, ocurre la rotación del 
dominio. La rotación del dominio necesita considerablemente más energía que el crecimiento del dominio, y la 
pendiente de la curva B o M frente a H decrece para campos altos para la rotación del dominio (Figura 8). 
Cuando se elimina el campo aplicado, la muestra imanada permanece imanada, aunque se pierde algo de 
imanación debido a la tendencia de los dominios a rotar a su alineación original. 
Magnetización y desmagnetización 
 Hc : campo coercitivo definido como el campo 
necesario necesario para anular la inducción 
magnética en el material 
 Br : inducción magnética remanente, valor de B 
para H = 0; en este punto todo el B presente 
es debido a la imanación remanente en el 
material 
 BS : inducción de saturación que es valor límite 
de B - m0H para valores grandes de campo 
magnético; este valor es suma de la imanación 
de saturación en el material más el campo 
aplicado 
 MS : imanación de saturación = BS /µ0. En este 
punto tenemos en el material un único dominio 
con su imanación apuntando en la dirección 
del campo aplicado 
 µr : permeabilidad relativa definida como la 
pendiente de la recta asociada al movimiento 
irreversible de paredes de dominio en el primer 
ciclo de aplicación de campo 
Histéresis magnética 
 
 La histéresis magnética es una característica que solamente los materiales con elevada permeabilidad 
magnética poseen. No la presentan los materiales paramagnéticos ni diamagnéticos. 
 
 Representa el efecto de un campo magnético externo aplicado, el cual se denota como H sobre la inducción 
magnética B de un metal ferromagnético durante un ciclo de imanación y desimanación. La gráfica mostrada 
tiene el nombre de curva de histéresis. 
• Inicialmente en el punto O no hay campo aplicado H ni respuesta magnética B, 
pero a medida que aumenta la intensidad de H, la inducción B aumenta 
progresivamente hasta llegar a la magnitud de saturación Bs en el punto A, que es 
lo esperado. 
• Ahora se disminuye progresivamente la intensidad de H hasta hacerla 0, con eso 
se llega hasta el punto C, sin embargo la respuesta magnética del material no 
desaparece, reteniendo una magnetización remanente señalada por el valor Br. 
Significa que el proceso no es reversible. 
 
• A partir de allí la intensidad de H aumenta pero con la polaridad invertida (signo 
negativo), para que la magnetización remanente se anule en el punto D. El valor 
necesario de H se denota como Hc y recibe el nombre de campo coercitivo. 
 
• La magnitud de H aumenta hasta llegar de nuevo al valor de saturación en E y de 
inmediato la intensidad de H se disminuye hasta llegar a 0, pero queda una 
magnetización remanente con polaridad opuesta a la anteriormente descrita, en el 
punto F. 
• Ahora se invierte la polaridad de H nuevamente y se aumenta su magnitud hasta 
anular la respuesta magnética del material en el punto G. Siguiendo el camino GA su 
obtiene de nuevo la saturación. Pero lo interesante es que no se llegó hasta allí por 
el camino original señalado por las flechas rojas. 
Materiales magnéticamente duros y blandos: aplicaciones 
 Cuando un material es fácil de magnetizar y desmagnetizar se dice que es magnéticamente blando, y por 
supuesto si sucede lo contrario es un material magnéticamente duro. En estos últimos los dominios 
magnéticos son pequeños 
El área encerrada por la curva de histéresis es 
una medida de la energía necesaria para 
magnetizar – desmagnetizar el material. En la 
figura se aprecian dos curvas de histéresis para 
dos materiales diferentes. El de la izquierda es 
magnéticamente blando, mientras que el de la 
derecha es duro. 
 
Un material ferromagnético blando tiene un 
campo coercitivo Hc pequeño y una curva de 
histéresis estrecha y alta. Es un material 
apropiado para colocarlo en el núcleo de un 
transformador eléctrico. Ejemplo de ellos son el 
hierro dulce y aleaciones de silicio- hierro y 
hierro-níquel, útiles para equipamiento de 
comunicaciones. 
 
En cambio los materiales magnéticamente duros 
son difíciles de desimanar una vez imanados, tal 
como sucede con las aleaciones de alnico 
(aluminio-níquel-cobalto) y aleaciones de tierras 
raras con las que se fabrican imanes 
permanentes.