La histéresis magnética se produce cuando se aplica un campo magnético externo a un ferroimán como el hierro y los dipolos atómicos se alinean con él. Incluso cuando se elimina el campo, se conservará parte de la alineación: el material se ha magnetizado . Una vez magnetizado, el imán permanecerá magnetizado indefinidamente. Para desmagnetizarlo se necesita calor o un campo magnético en sentido contrario. Este es el efecto que proporciona el elemento de memoria en una unidad de disco duro .
La relación entre la intensidad de 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 el campo magnético se reduce ahora de forma monótona, M sigue una curva diferente. Con una intensidad de campo cero, la magnetización se desplaza 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 de cerca 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 los materiales con ordenamiento ferromagnético. Otros ordenamientos magnéticos, como el ordenamiento del vidrio de espín , también presentan este fenómeno. [2]
El fenómeno de la histéresis en los materiales ferromagnéticos es el resultado de dos efectos: la rotación de la magnetización y los cambios en el tamaño o número de los dominios magnéticos . En general, la magnetización varía (en dirección pero no en magnitud) a lo largo de un imán, pero en imanes suficientemente pequeños, no lo hace. 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 rota 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 un solo dominio; pero las paredes de dominio implican la rotación de solo una pequeña parte de la magnetización, por lo que es mucho más fácil cambiar el momento magnético. La magnetización también puede cambiar por adición o sustracción de dominios (llamado nucleación y desnucleación ).
La histéresis magnética se puede caracterizar de varias maneras. En general, el material magnético se coloca en un campo H aplicado variable, tal como lo induce un electroimán, y la densidad de flujo magnético resultante ( campo B ) se mide, generalmente mediante la fuerza electromotriz inductiva introducida en una bobina de captación cercana a la muestra. Esto produce la curva B - H característica ; debido a que la histéresis indica un efecto de memoria del material magnético, la forma de la curva B - H depende del historial de cambios en H .
Alternativamente, la histéresis se puede representar gráficamente como magnetización M en lugar de B , lo que da una curva M - H. Estas dos curvas están directamente relacionadas ya que .
La medición puede ser en circuito cerrado o en circuito abierto , según cómo se coloque el material magnético en un circuito magnético .
En el caso de 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 de una manera que no puede capturarse completamente mediante un simple factor de desmagnetización. [3]
Los modelos empíricos más conocidos en histéresis son los modelos de Preisach y Jiles-Atherton . Estos modelos permiten una modelización precisa del bucle de histéresis y son ampliamente utilizados en la industria.
Sin embargo, estos modelos pierden la conexión con la termodinámica y no se asegura la consistencia energética. Un modelo más reciente, con una base termodinámica más consistente, es el modelo vectorial incremental no conservativo de histéresis consistente (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 son conocidas en todo momento. La formulación incremental obtenida es variacionalmente consistente, es decir, todas las variables internas se siguen de la minimización de un potencial termodinámico. Eso permite obtener fácilmente un modelo vectorial mientras que Preisach y Jiles-Atherton son modelos fundamentalmente escalares.
El modelo de Stoner-Wohlfarth es un modelo físico que explica la histéresis en términos de respuesta anisotrópica (ejes "fácil" / "duro" de cada grano cristalino).
Las simulaciones de micromagnetismo intentan capturar y explicar en detalle los aspectos espaciales y temporales de los dominios magnéticos en interacción, 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, son deseables los imanes duros (alta coercitividad) como el hierro para que la memoria no se borre fácilmente.
Los imanes blandos (de baja coercitividad) se utilizan como núcleos en transformadores y electroimanes . La respuesta del momento magnético a un campo magnético potencia la respuesta de la bobina que lo rodea. La baja coercitividad reduce la pérdida de energía asociada a la histéresis.
El material de histéresis magnética (barras blandas de níquel y hierro) se ha utilizado para amortiguar el movimiento angular de los satélites en la órbita terrestre baja desde los albores de la era espacial. [5]
