La histéresis magnética ocurre cuando se aplica un campo magnético externo a un ferroimán como el hierro y los dipolos atómicos se alinean con él. Incluso cuando se elimine el campo, se conservará parte de la alineación: el material se ha magnetizado . Una vez magnetizado, el imán permanecerá magnetizado indefinidamente. Para desmagnetizarlo se requiere calor o un campo magnético en dirección opuesta. Este es el efecto que proporciona el elemento de memoria en una unidad de disco duro .
La relación entre la intensidad del campo H y la magnetización M no es lineal en tales materiales. Si se desmagnetiza un imán ( H = M = 0 ) y se traza la relación entre H y M para niveles crecientes de intensidad de campo, M sigue la curva de magnetización inicial . Esta curva aumenta rápidamente al principio y luego se acerca a una asíntota llamada saturación magnética . Si ahora el campo magnético se reduce monótonamente, M sigue una curva diferente. Con una intensidad de campo cero, la magnetización se compensa con respecto al origen en una cantidad llamada remanencia . Si se traza la relación H - M para todas las intensidades del campo magnético aplicado, el resultado es un bucle de histéresis llamado bucle principal . El ancho de la sección media a lo largo del eje H es el doble de la coercitividad del material. [1] : Capítulo 1
Una mirada más cercana a una curva de magnetización generalmente revela una serie de pequeños saltos aleatorios en la magnetización llamados saltos de Barkhausen . Este efecto se debe a defectos cristalográficos como las dislocaciones . [1] : Capítulo 15
Los bucles de histéresis magnética no son exclusivos de materiales con orden ferromagnético. Otros ordenamientos magnéticos, como el ordenamiento del vidrio giratorio , también presentan este fenómeno. [2]
El fenómeno de la histéresis en materiales ferromagnéticos es resultado de dos efectos: rotación de la magnetización y cambios de tamaño o número de dominios magnéticos . En general, la magnetización varía (en dirección pero no en magnitud) a través de un imán, pero en imanes suficientemente pequeños no es así. En estos imanes de dominio único , la magnetización responde a un campo magnético girando. Los imanes de dominio único se utilizan siempre que se necesita una magnetización fuerte y estable (por ejemplo, grabación magnética ).
Los imanes más grandes se dividen en regiones llamadas dominios . Dentro de cada dominio, la magnetización no varía; pero entre los dominios hay paredes de dominio relativamente delgadas en las que la dirección de magnetización gira de la dirección de un dominio a otro. Si el campo magnético cambia, las paredes se mueven, cambiando los tamaños relativos de los dominios. Debido a que los dominios no están magnetizados en la misma dirección, el momento magnético por unidad de volumen es menor de lo que sería en un imán de dominio único; pero las paredes del dominio implican la rotación de sólo una pequeña parte de la magnetización, por lo que es mucho más fácil cambiar el momento magnético. La magnetización también puede cambiar por suma o resta de dominios (llamado nucleación y desnucleación ).
La histéresis magnética se puede caracterizar de varias formas. En general, el material magnético se coloca en un campo H variable aplicado , inducido por un electroimán, y se mide la densidad de flujo magnético resultante ( campo B ), generalmente mediante la fuerza electromotriz inductiva introducida en una bobina captadora cercana a la muestra. Esto produce la curva característica B - H ; Debido a que la histéresis indica un efecto de memoria del material magnético, la forma de la curva B - H depende de la historia de los cambios en H.
Alternativamente, la histéresis se puede representar como magnetización M en lugar de B , dando una curva M - H. Estas dos curvas están directamente relacionadas desde .
La medición puede ser en circuito cerrado o en circuito abierto , según cómo se coloque el material magnético en un circuito magnético .
Con materiales magnéticos duros (como los imanes de neodimio sinterizados ), el proceso microscópico detallado de inversión de la magnetización depende de si el imán está en una configuración de circuito abierto o de circuito cerrado, ya que el medio magnético alrededor del imán influye en las interacciones entre dominios en un manera que no puede ser capturada completamente por un simple factor de desmagnetización. [3]
Los modelos empíricos en histéresis más conocidos son los modelos de Preisach y Jiles-Atherton . Estos modelos permiten un modelado preciso del bucle de histéresis y son ampliamente utilizados en la industria.
Sin embargo, estos modelos pierden la conexión con la termodinámica y no se garantiza la consistencia energética. Un modelo más reciente, con una base termodinámica más consistente, es el modelo vectorial incremental de histéresis consistente no conservativa (VINCH) de Lavet et al. (2011). Está inspirado en las leyes de endurecimiento cinemático y en la termodinámica de procesos irreversibles . [4] En particular, además de proporcionar un modelado preciso, la energía magnética almacenada y la energía disipada se conocen en todo momento. La formulación incremental obtenida es variacionalmente consistente, es decir, todas las variables internas se derivan de la minimización de un potencial termodinámico. Esto permite obtener fácilmente un modelo vectorial mientras que Preisach y Jiles-Atherton son modelos fundamentalmente escalares.
El modelo Stoner-Wohlfarth es un modelo físico que explica la histéresis en términos de respuesta anisotrópica (ejes "fáciles" / "duros" de cada grano cristalino).
Las simulaciones micromagnéticas intentan capturar y explicar en detalle los aspectos espaciales y temporales de los dominios magnéticos que interactúan, a menudo basándose en la ecuación de Landau-Lifshitz-Gilbert .
Los modelos de juguete como el modelo de Ising pueden ayudar a explicar aspectos cualitativos y termodinámicos de la histéresis (como la transición de fase del punto de Curie al comportamiento paramagnético), aunque no se utilizan para describir imanes reales.
Existe una gran variedad de aplicaciones de la teoría de la histéresis en materiales magnéticos. Muchos de ellos hacen uso de su capacidad para retener una memoria, por ejemplo cintas magnéticas , discos duros y tarjetas de crédito . En estas aplicaciones, los imanes duros (alta coercitividad) como el hierro son deseables para que la memoria no se borre fácilmente.
Los imanes blandos (baja coercitividad) se utilizan como núcleos en transformadores y electroimanes . La respuesta del momento magnético a un campo magnético aumenta la respuesta de la bobina que lo rodea. La baja coercitividad reduce la pérdida de energía asociada con la histéresis.
El material de histéresis magnética (barras blandas de níquel-hierro) se ha utilizado para amortiguar el movimiento angular de los satélites en órbita terrestre baja desde los albores de la era espacial. [5]
