Para poder aplicar los materiales
ferromagnéticos en ingeniería, es imprescindible
poder cuantificar sus propiedades magnéticas. Por analogía
con las propiedades mecánicas de los materiales, recordemos
que en aquel caso nos interesaba conocer la respuesta tensión-deformación,
dada por el ensayo de tracción. En este caso nos interesa
en cambio conocer la respuesta imantación-excitación
B-H, de la que obtendremos los valores de permeabilidad magnética
del material y otros parámetros de interés
asociados con la curva de histéresis magnética.La obtención de curvas
B-H puede realizarse con diferentes equipos, estando la realización
de ensayos regulada por diferentes normas: UNE, ASTM. Un equipo
habitualmente empleado es el magnetómetro de Kopsel.
3.3.1. RESPUESTA B-H DE LOS MATERIALES FERROMAGNETICOS
La figura 10.8 muestra la respuesta
característica B-H de los materiales ferromagnéticos.
Para el trazado de la curva B-H de imantación se parte
inicialmente de una probeta desmagnetizada -esto es, con sus
dominios magnéticos orientados al azar y equilibrados,
de forma que globalmente dan momento nulo- del material a ensayar,
que se coloca en el magnetómetro. Una vez montada se aplican excitaciones
H crecientes mediante el incremento de la intensidad I que circula
por una bobina excitadora. Para cada valor de I, el valor de
la excitación H viene dado por la ecuación fundamental
10.1, H = N·I/l.Registrando para cada valor de
H el valor obtenido de B, los valores de permeabilidad magnética
se obtienen en cada punto mediante la ecuación 10.3.
(10.8)El incremento observado en B se
debe a que, conforme H aumenta, los dominios magnéticos,
cuyos momentos se encuentran inicialmente orientados en direcciones
similares y del mismo sentido que H, crecen a expensas de los
menos favorablemente orientados. Este crecimiento tiene lugar inicialmente
por el movimiento de las paredes del dominio. Si H sigue aumentado
tiene lugar finalmente una rotación de los dominios no
orientados favorablemente, hasta que todos ellos se colocan paralelos
a H y con la misma dirección de sus momentos magnéticos.
Cuando esto ocurre, M es máxima: todos los dipolos posibles
del material están contribuyendo a la magnetización.
Aunque H siga aumentando, B solo crecerá debido a la permeabilidad
del vacío 0. Se dice que el material está saturado
y al valor máximo de inducción Bs,
característico de cada material, se denomina inducción
de saturación Bs. Nótese que en los materiales
ferromagnéticos, la permeabilidad no presenta un valor
constante, sino que varía conforme aumenta la excitación
H aplicada, tal como se ve en la figura 10.8.
Cuando el material está
saturado se verifica, de acuerdo con la ecuación 10.5
anterior:
(10.9)El valor de H suele ser despreciable
frente a Ms, por lo que:
(10.10)La saturación magnética
se alcanza cuando todos los dipolos magnéticos de todos
los dominios se alinean con la dirección del campo H aplicado.Si una vez alcanzada la inducción
de saturación se elimina gradualmente el campo H aplicado,
tal como se muestra en la figura 10.8 anterior, se observa que
la curva B-H sigue una trayectoria distinta de la original. Cuando
H vuelve al valor H = 0, persiste en el material una inducción
remanente, Br. Ello se debe a que
no se reorientan al azar todos los dominios originales, quedando
algunos de ellos quedan orientados en la dirección de
H.Para contrarrestar completamente
el campo proporcionado por estos dominios y conseguir un valor
de inducción nulo B = 0, es necesario aplicar un campo
H en sentido contrario, cuyo valor, Hc,
se denomina fuerza coercitiva.Si H sigue aumentando en sentido
negativo, se alcanza de nuevo la saturación, para un valor
de inducción igual a Bs pero de
sentido contrario -Bs.A partir de este punto, si H comienza
a aumentar hacia valores positivos, la curva B-H describe una
trayectoria simétrica hasta alcanzar de nuevo el valor
de Bs inicial. La curva así obtenida
se denomina curva de histéresis magnética,
y como hemos visto, resulta de la contribución a la magnetización
producida por los dominios elementales del material.La curva de histéresis
de un material ferromagnético resulta de la contribución
a la magnetización producida por los dominios elementales
del material.El área encerrada por la
curva tiene unidades de energía. La histéresis
observada se debe, precisamente, al hecho de que para imantar
y desimantar un material es necesario mover paredes de Bloch
y rotar dominios, y ello exige proporcionar una cierta energía
al material. Las unidades para esta energía
en el sistema internacional son, expresando B en Teslas (Wb/m2 = V·s/m2)
y H en A/m, (B·H) =[V·s·m-2]·[A·m-1] = Julios/m3.La energía necesaria para
hacer crecer y rotar los dominios en un ciclo completo es precisamente
el área encerrada por la curva, y su valor se conoce como
energía de histéresis Wh.La curva de histéresis
proporciona indicadores básicos del comportamiento magnético,
característicos de cada material:Permeabilidad m
Inducción de saturación Bs
Inducción remanente Br
Fuerza coercitiva Hc
Energía de histéresis Wh
3.3.2. EFECTOS DE LA TEMPERATURA. TEMPERATURA DE CURIE
Si se obtiene la curva de histéresis
B-H a diferentes temperaturas, se observa un comportamiento similar
al mostrado por la figura 10.9. Conforme la temperatura aumenta,
disminuye Ms y Bs,
hasta que por encima de una temperatura crítica el material
deja de mostrar comportamiento ferromagnético y se convierte
en paramagnético.
Los aumentos de temperatura provocan,
por efecto de la agitación térmica, que los dipolos
elementales no puedan alinearse de forma perfectamente paralela.
Por encima de una temperatura crítica, conocida como Temperatura
de Curie, característica de cada material, el alineamiento
paralelo de espines desaparece y también desaparecen los
dominios magnéticos. El ferromagnetismo desaparece y el
material se comporta como si fuese paramagnético. Al enfriar
el material por debajo de la temperatura de Curie aparecen de
nuevo los dominios y el material se comporta de nuevo como ferromagnético.La temperatura de Curie de
los metales ferromagnéticos Fe, Co y Ni son, respectivamente:
770, 1123 y 358°C.La agitación térmica
provocada por la elevación de temperatura dificulta el
alineamiento de los momentos magnéticos elementales.Por encima de la temperatura de
Curie, característica para cada material, el comportamiento
ferromagnético desaparece.
3.3.3. EFECTOS DE LA ORIENTACIÓN CRISTALINA. ANISOTROPÍA.
Al igual que ocurría con
las propiedades mecánicas, la facilidad para magnetizarse
y desmagnetizarse en los imanes varía con la dirección
cristalina considerada. La figura 10.10 muestra las curvas
de imantación resultantes obtenidas en muestras monocristalinas
de hierro y de níquel. Para el hierro, la dirección
de más fácil magnetización es la (100) y
la más difícil la (111). Lo contrario ocurre en
el caso del níquel, para el cual la dirección fácil
es la (111) y la más dura o difícil la (100).
En los materiales policristalinos,
los granos cuya dirección fácil coincida con el
campo aplicado H alcanzarán antes la saturación,
mientras que las partículas con direcciones duras paralelas
al campo presentan una permeabilidad menor y requieren de excitaciones
H más intensas para lograr la rotación de sus dominios.
Resulta obvio, por tanto, que la presencia en el material policristalino
de una textura preferente con una gran densidad de monocristales
con direcciones de fácil magnetización paralelas
a H da lugar a mayores valores de permeabilidad y menores fuerzas
coercitivas.La permeabilidad magnética
de los materiales cristalinos varía según la dirección
cristalina considerada.Para el hierro, la dirección
de más fácil magnetización es la <100>
y la más difícil la <111>. Lo contrario ocurre
en el caso del níquel, para el cual la dirección
fácil es la <111> y la más dura o difícil
la <100>.La obtención de chapas
con texturas de recocido adecuadas -gran densidad de cristales
orientados con la dirección de fácil magnetización
paralela a la dirección de laminación- permite
optimizar la respuesta magnética de los materiales industriales
policristalinos.