De acuerdo con lo visto hasta
ahora, en los materiales ferromagnéticos Fe, Ni y Co es
de esperar que todos los dipolos elementales se encuentren alineados,
ya que ello contribuye a disminuir la energía interna
del material. Cabría esperar por tanto que cualquier pieza
de estos materiales se comportase como un imán permanente,
es decir, como un dipolo gigante, con su polo norte y sur que
proporcionaría un campo magnético medible. Obviamente,
no ocurre así, como sabemos. Lo habitual es que cualquier
pieza de hierro, por ejemplo, no se comporte como un imán.
La justificación a este comportamiento se debe a la existencia
de los dominios magnéticos, descubiertos por Weiss en
1907.
3.2.1. DOMINIOS MAGNETICOS Y PAREDES DE BLOCH
La razón de su existencia
se debe a una cuestión termodinámica. Si bien es
cierto que la energía dentro del dominio se hace mínima
con los dipolos alineados, debemos considerar además la
energía magnetostática del material, que es la
energía potencial producida por su campo magnético
externo. Como se muestra en la figura 10.4, la energía
magnetostática se hace mínima por la formación
de dominios magnéticos, que cierran el flujo magnético
y lo confinan dentro del material.
Los dominios magnéticos
son pequeñas regiones de volumen del material dentro de
los cuales se cumple que todos los dipolos debidos a los espines
desapareados se encuentran alineados en la misma dirección.Cada dominio se comporta así
como un pequeño imán permanente. En una pieza no
magnetizada los dominios se encuentran orientados al azar,
por lo que sus efectos se cancelan y no existe ninguna magnetización
neta medible en el exterior del material.Los dominios, al igual que los
granos de un material metálico, están separados
por un borde o pared del dominio, conocidas como paredes de
Bloch. Por razones termodinámicas, sobre las que no
profundizaremos, la orientación de los dipolos elementales
cambia no de forma súbita, sino gradualmente entre la
que presenta un dominio y el adyacente. Como consecuencia, la
anchura de las paredes de Bloch es bastante elevada, del orden
de unos 300 átomos, y al no haber un alineamiento perfecto,
la pared es siempre una zona de mayor energía interna
que el interior del dominio.
3.2.2. TAMAÑO DE LOS DOMINIOS. ENERGIA DE MAGNETOSTRICCION.
El tamaño de los dominios
está también condicionado por la necesidad de hacer
mínima la energía libre del material. A dicha energía
contribuyen, como hemos visto, las energías de cambio,
tanto la del dominio como la de la pared, y la energía
magnetostática. No obstante, existen un fenómeno
adicionales que contribuye a la energía total y que resulta
determinante del tamaño final de los dominios: la magnetostricción.La magnetostricción es
el fenómeno por el cual, cuando se magnetiza un material
ferromagnético, sus dimensiones cambian debido a las fuerzas
magnéticas de atracción y repulsión interatómicas.
La figura 10.5 muestra los cambios de dimensiones que tiene lugar
en los distintos materiales ferromagnéticos al aplicar
un campo H.
Esta deformación elástica
y reversible DL/L se conoce como magnetostricción.
Los efectos de la magnetostricción sobre la estructura
de dominios de un material se muestran en la figura 10.6. Una
estructura de dominios grandes, como la mostrada en a) y b),
permite reducir la energía magnetostática. Sin
embargo, la magnetización del material resulta en la generación
de esfuerzos elásticos, debidos a la magnetostricción,
sobre las zonas que separan a los dominios de cierre. Una reducción
en el tamaño de dominios permite, como se muestra en c)
reducir la energía de deformación elástica
asociada a la magnetostricción.
La creación de pequeños
dominios reduce los esfuerzos magnetostrictivos, pero por otro
lado aumenta el área ocupada por las paredes y la energía
asociada a éstas. En consecuencia, el tamaño de
los dominios en equilibrio se alcanza para un tamaño donde
la suma de la energía de paredes y magnetostrictiva se
hace mínima.La magnetización de
los materiales ferromagnéticos genera deformaciones elásticas
en el material. Valores elevados de magnetostricción
hacen reducir el tamaño de los dominios y aumentar el
área ocupada por las paredes de Bloch en el material.En la figura 10.7 siguiente se
muestran las escalas características de la estructura
magnética. En una pieza policristalina de gran tamaño,
el tamaño de los dominios es del mismo orden o inferior
que el tamaño de los granos del material, variando entre
0,1 micra y 1 mm.
No obstante, y debido a la mayor
energía libre de la pared, si el tamaño del bloque
de material se hace suficientemente pequeño, del mismo
orden que las paredes de Bloch, la forma más estable es
la de dominio único. Partículas de tamaño
entre 10-9 y 10-7
m presentan dominios únicos.Los materiales pulverizados monodominio
presentan unas características muy adecuadas para el almacenamiento
de información, empleándose en cintas y discos
magnéticos y también para la fabricación
de imanes permanentes.Los materiales ferromagnéticos
están constituidos por múltiples zonas elementales,
en las cuales todos los momentos magnéticos de los electrones
están alineados, conocidos como dominios magnéticos.Los dominios están separados
por las paredes de Bloch, en las cuales la orientación
de los momentos magnéticos cambia gradualmente desde la
orientación de un dipolo a la del vecino.En un material desimantado, los
dominios se orientan al azar, de forma que el flujo magnético
queda restringido al interior del material.