12.6: Ferromagnetismo

                 

Lo que normalmente pensamos que los materiales magnéticos son técnicamente ferromagnéticos. Las susceptibilidades de los materiales ferromagnéticos son típicamente del orden +10 ³ o 10 ⁴ o incluso mayores. Sin embargo, la susceptibilidad ferromagnética de un material es bastante sensible a la temperatura y, por encima de una temperatura conocida como la temperatura de Curie , el material deja de volverse ferromagnético y se vuelve meramente paramagnético .

 

Entre los elementos, solo el cobalto, el hierro y el níquel son fuertemente ferromagnéticos, sus temperaturas de Curie son ​​aproximadamente 1400, 1040 y 630 K respectivamente. El gadolinio es ferromagnético a bajas temperaturas; su temperatura de Curie es de aproximadamente 289 K = 16 ^o C. El disprosio es ferromagnético por debajo de su temperatura de Curie de aproximadamente 105 K. Hay muchas aleaciones artificiales y materiales cerámicos que son ferromagnéticos.

 

Al igual que con los materiales paramagnéticos, los átomos tienen momentos magnéticos permanentes, pero con la diferencia de que estos momentos no están orientados al azar, sino que están fuertemente alineados con los ejes cristalográficos. Dentro de un solo cristal, existen dominios , dentro de los cuales todos los momentos magnéticos son paralelos y están alineados con un eje particular. En un dominio adyacente, nuevamente todos los momentos son paralelos entre sí, pero pueden estar alineados con un eje diferente , tal vez en ángulo recto con el primer dominio, o tal vez alineados con el mismo eje pero apuntando hacia adentro la dirección opuesta. Por lo tanto, tenemos varios dominios, cada uno altamente magnetizado, pero con algunos dominios magnetizados en una dirección y otros en otra. Los dominios están separados por límites de dominio, o “paredes de Bloch”, quizás de unos cientos de átomos de espesor, dentro de los cuales la orientación de los momentos magnéticos cambia gradualmente de un dominio a otro. La figura XII.1 es un bosquejo esquemático de un cristal dividido en cuatro dominios, con la magnetización en una dirección diferente en cada uno.

 

 

Figura XIII.1

 

En la figura XIII.2 expongo el cristal a un campo magnético progresivamente más fuerte y más fuerte, y observamos qué sucede con los dominios y, en la figura XIII.3, con la magnetización del Cristal en su conjunto.

 

 

Figura XIII.2

 

Cuando aplicamos por primera vez un campo débil ( a ), los muros de Bloch (límites de dominio) se mueven para que los dominios orientados favorablemente crezcan a expensas de los dominios opuestos, y la magnetización aumenta lentamente. Con campos más fuertes ( b ), de repente todos los momentos magnéticos (debido a giros no apareados) dentro de un solo dominio cambian de dirección casi al unísono, de modo que un dominio opuesto de repente se convierte en un dominio favorable; Esto le sucede a un dominio tras otro, hasta que todos los dominios se orientan favorablemente, y la magnetización de la muestra aumenta rápidamente. Para campos aún más fuertes ( c ), los momentos magnéticos, generalmente orientados paralelos a un eje de cristal, se doblan para que estén en la dirección del campo de magnetización. Cuando se logra todo eso, no es posible más magnetización y la muestra está saturada.

 

 

Figura XIII.3

 

Ahora, si el campo se reduce, los momentos magnéticos se relajan y toman sus posiciones normales paralelas a un eje cristalográfico. Pero, como el campo se reduce aún más ( d ), no hay razón para que los dominios inviertan su polaridad como sucedió en la etapa ( b ). Es decir, cuando la etapa ( b ) ocurrió originalmente, este fue un proceso irreversible . La curva de desmagnetización no sigue la curva de magnetización a la inversa. En consecuencia, cuando el campo de magnetización se ha reducido a cero, la muestra retiene una magnetización remanente (indicada por RM en la Figura XIII.3), con todos los dominios todavía favorablemente orientados. Para reducir la magnetización a cero, debe aplicar un campo en la dirección inversa. El campo inverso necesario para reducir la magnetización a cero se denomina fuerza coercitiva (indicado por CF en la figura XIII.3).

 

Al magnetizar repetidamente la muestra primero en una dirección y luego en la otra, el gráfico del campo de magnetización versus magnetización describe el bucle histéresis indicado en la Figura XII.3. Debido al proceso irreversible ( b ), la energía magnética se disipa como calor durante un ciclo completo, siendo la pérdida de energía proporcional al área del circuito de histéresis. La cantidad de histéresis depende de cuán libremente se puedan mover las paredes del dominio, lo que a su vez depende de la constitución física y química de los materiales magnéticos, particularmente del número de impurezas presentes que pueden inhibir el movimiento de la pared de Bloch. Para un imán permanente, necesita un material con un circuito de histéresis de grasa, con una gran magnetización remanente y una gran fuerza coercitiva, de modo que no se pueda desmagnetizar fácilmente. Para un núcleo de transformador, necesita un material con un circuito de histéresis estrecho.

 

Si coloca un material magnético dentro de un solenoide con corriente alterna dentro del solenoide, la magnetización repetidamente rodeará el circuito de histéresis. Si ahora disminuye gradualmente la amplitud de la corriente en el solenoide, el ciclo de histéresis gradualmente se hará más y más pequeño, desapareciendo en un punto ( H y M ambos cero) cuando la corriente se reduce a cero Esto proporciona un método para desmagnetizar una muestra.