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Ferromagnetismo: definición y ejemplos

Publicado el 3 octubre, 2020

Definición de ferromagnetismo

A todo el mundo le encanta jugar con imanes. Parece casi mágico sentir cómo se empujan y se tiran entre sí, aunque no se toquen. A los antiguos les parecía mágico, pero hoy comprendemos esas fuerzas y de dónde vienen, así que sabemos que es solo ciencia. Los campos magnéticos surgen del movimiento de la carga eléctrica (corriente), y usamos este efecto todo el tiempo cuando fabricamos motores, generadores, etc. Pero también hemos aprendido que algunos materiales pueden causar un campo magnético por sí mismos. Es posible que las piezas de tales materiales no comiencen a formar un campo, pero, si las colocamos en un campo generado por separado y luego las eliminamos, descubrimos que ‘recuerdan’ eso y luego crean un campo magnético propio. Estos materiales se denominan ferromagnéticos .

Campos magnéticos

Todos los campos magnéticos surgen de cargas eléctricas en movimiento. En los materiales magnéticos, las cargas en movimiento son los electrones que giran alrededor de los átomos o moléculas del material. Entonces, podría preguntarse por qué no todos los materiales son magnéticos, ya que todos los materiales están hechos de átomos o moléculas, y todos los átomos y moléculas tienen electrones en movimiento asociados con ellos.

¡Esa es una gran pregunta! Pero también tiene una gran respuesta. En primer lugar, algunos átomos y moléculas tienen distribuciones de electrones, de modo que los movimientos de los diversos electrones se cancelan hasta llegar a producir un campo magnético. Incluso en materiales que tienen electrones “no cancelados”, a veces los átomos y las moléculas en sí tienen arreglos aleatorios, de modo que los pequeños campos producidos por cada uno terminan anulándose entre sí. Entonces, en ambos casos, terminamos sin un gran campo general.

En los materiales ferromagnéticos, la disposición de los átomos o moléculas es fácil de cambiar: cuando aplicamos un campo magnético externo a dicho material, la disposición cambiará de modo que los campos producidos dentro del material se “alineen” con el campo externo. Luego, cuando eliminamos el campo externo, los campos internos ayudan a mantenerse alineados entre sí, por lo que el material continúa produciendo un campo significativo medible externamente.

Dominios magnéticos y ferromagnetismo

Los cambios en la alineación dentro del material no suelen llegar hasta la escala atómica o molecular. Es común encontrar que una parte del material está formada por regiones dentro de las cuales los campos atómicos / moleculares ya están alineados. Pero, cuando el material está en un estado no magnetizado, estas regiones producen campos en direcciones aleatorias y todos se cancelan. Un campo externo puede alinear los campos de regiones enteras. Los científicos llaman a estas regiones dominios magnéticos . Es importante comprender que las regiones físicas en sí mismas no rotan durante el proceso de realineación. Más bien, el campo magnético de la región se puede realinear dentro de la región.


Los dominios son regiones dentro de una pieza de material magnético que producen contribuciones de campo unidireccionales
dominios

Los materiales ferromagnéticos son materiales en los que los dominios tenderán a mantenerse alineados magnéticamente entre sí (una vez que se alineen) de modo que la mayoría o todos los dominios produzcan un campo en la misma dirección. Hay otras clases de materiales magnéticos, como los ferrimagnéticos (que siguen el mismo principio, excepto que solo una fracción de los dominios se alinean permanentemente y, por lo tanto, tienen un campo autogenerado más débil) y antiferromagnéticos (que tienen dominios que adoptan un patrón alterno). de alineación y, por lo tanto, hacen muy poco campo propio). De estos, los materiales ferromagnéticos tienen los campos magnéticos más fuertes y notables.

Los materiales ferromagnéticos más comunes son el hierro, el níquel y el cobalto (y la mayoría de las aleaciones formadas por estos elementos). Si consulta una tabla periódica de elementos, encontrará que estos tres elementos son vecinos de al lado. Esto tiene sentido, ya que la ubicación en la tabla periódica tiene que ver con la estructura electrónica de un elemento, y esa estructura también controla la medida en que los átomos del elemento pueden producir campos magnéticos.

Cuando un objeto se calienta, los átomos o moléculas de los que está hecho vibran con más fuerza. La temperatura es, de hecho, solo un “promedio” de las vibraciones de muchos átomos o moléculas. Si calienta un imán permanente a una temperatura lo suficientemente alta, esta energía vibratoria se vuelve lo suficientemente fuerte como para superar la tendencia de los dominios a permanecer alineados. La alineación (y el campo magnético del imán) se perderán. El imán podría volver a magnetizarse después de que se enfríe, pero no recuperará su campo por sí solo.

Un imán permanente puede tener su dirección de magnetización invertida si se aplica un campo externo adecuadamente fuerte en la dirección inversa. El campo externo tiene que obligar a todos los dominios a invertir su alineación. Este proceso provoca la generación de algo de calor dentro del objeto, por lo que hay una pérdida de energía. Esto da lugar a un fenómeno llamado histéresis en materiales magnéticos. En la mayoría de los motores y generadores de CA, los materiales magnéticos se magnetizan alternativamente hacia adelante y hacia atrás, por lo que la histéresis es una fuente de ineficiencia en estos dispositivos.

Resumen de la lección

El ferromagnetismo es la capacidad de un material para producir un campo magnético por sí mismo. Para hacer esto, los átomos o moléculas del material deben tener una estructura electrónica adecuada, y los átomos y moléculas individuales deben tener una orientación entre sí que permita que los campos se sumen. La mayoría de los materiales ferromagnéticos contienen regiones llamadas dominios, dentro del cual los campos atómicos / moleculares individuales ya están alineados, pero generalmente requiere la exposición a un campo magnético externo para alinear los campos de los dominios en una dirección. En los materiales ferromagnéticos, una vez hecho esto, el campo creado por los dominios (ahora alineados) mantendrá la alineación, a menos que el objeto se caliente a una temperatura lo suficientemente alta. Invertir la dirección de magnetización en un material ferromagnético suele provocar algunas pérdidas de calor, dando lugar al efecto conocido como histéresis .

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