Histéresis

La histéresis es el efecto por el que la magnetización de un material ferromagnético no es exactamente proporcional al campo magnético externo y que depende del tratamiento magnético previo del material. Esto significa que la magnetización de un objeto que contenga, p. ej., hierro, no se duplica si se duplica el campo magnético externo. En particular, los materiales ferromagnéticos permanecen ligeramente magnetizados cuando el campo magnético externo se desconecta por completo. Esta magnetización restante se denomina «remanencia».

La magnetización de un ferromagneto aumenta inicialmente con el campo magnético externo. Si se reduce el campo magnético externo, la magnetización también vuelve a disminuir. Sin embargo, este proceso es más lento que el anterior aumento de la magnetización, de modo que la magnetización (remanencia) permanece incluso cuando el campo magnético se desconecta por completo. Esta relación no proporcional es un cierto «retraso» de la densidad de flujo magnético con respecto a la intensidad del campo de magnetización. El término «histéresis» proviene del griego «ηψστερoσ» («hysteros» = «posterior»).

Curva de histéresis para materiales ferromagnéticos

Se denomina «curva de histéresis» a una curva matemática que describe la magnetización respectiva como densidad de flujo magnético B para un determinado campo magnético externo H (véase figura).

Bucle de histéresis = curva de histéresis

En la literatura científica, los términos «curva de histéresis» y «bucle de histéresis» se refieren al mismo fenómeno, tal y como se observa en todos los materiales ferromagnéticos y en otros sistemas físicos. Generalmente se entiende como el retraso en la magnetización de un material en relación con el campo magnético aplicado.

Sin embargo, este retraso no se entiende en términos de tiempo, sino de la intensidad alcanzada. Cuando se varía el campo magnético, la magnetización queda ligeramente por detrás del valor que se puede alcanzar desde un punto de vista matemático, lo que se muestra como un bucle en un diagrama (figura). Este bucle de histéresis es un concepto importante en la ciencia de los materiales, ya que proporciona información sobre las propiedades magnéticas y las pérdidas de energía del material.

La curva de histéresis es diferente para los distintos materiales y solo se produce en materiales ferromagnéticos. Un material magnéticamente blando se caracteriza por la curva de histéresis mostrada en la figura de la izquierda; un material magnéticamente duro, por la curva de histéresis de la derecha.

El área cubierta por la curva de histéresis tiene la dimensión de una energía (el producto energético, por ejemplo, es el producto del campo magnético H y la densidad de flujo magnético B, como el área de un rectángulo es el producto del ancho y el largo). El área encerrada por la curva de histéresis es precisamente la energía por unidad de volumen del imán que debe gastarse durante un ciclo de magnetización de la densidad de flujo de saturación positiva B_S a la densidad de flujo de saturación negativa -B_S y el subsiguiente retorno de -B_S a B_S. Esta energía se libera en forma de calor durante el proceso de magnetización y es mayor en los materiales magnéticamente duros que en los magnéticamente blandos. Los materiales duros son respectivamente más resistentes a pequeñas perturbaciones de la magnetización causadas por campos magnéticos externos, calor o impactos y son ideales como materiales magnéticos para imanes permanentes. Las sustancias magnéticas blandas se emplean en transformadores, ya que el cambio de magnetización consume poca energía.

Curva inicial

En el ejemplo de la izquierda, la curva roja describe el curso de la densidad de flujo magnético en un material por magnetizar. También se conoce como curva inicial o curva «virgen».

Aquí, la densidad de flujo magnético y, por tanto, también la magnetización M del material es aproximadamente lineal al campo magnético externo H. La fórmula es: M=(μ-1)-H. Aquí, μ denota la permeabilidad magnética.

¿Qué ocurre con el campo magnético en el interior del material?

El campo magnético en el interior del material es la suma del campo magnético externo H y la magnetización del material M.

Si el cuerpo ya está magnetizado, un campo magnético H, dirigido en sentido contrario a la magnetización del cuerpo, provoca inicialmente un debilitamiento de la magnetización existente. Solo a partir de la intensidad del campo coercitivo H_c se produce una magnetización paralela al campo magnético externo, es decir, una remagnetización. La nueva magnetización aumenta de forma no lineal hasta la intensidad de campo de saturación B_S. Si a continuación se vuelve a reducir el campo magnético externo, la densidad de flujo magnético en el material disminuye más lentamente de lo que había aumentado anteriormente. Finalmente, incluso la remanencia B_R permanece.

Trasfondo físico de la histéresis

El trasfondo físico de la histéresis reside en la existencia de los espines de los electrones como momentos magnéticos elementales de las sustancias ferromagnéticas. La fuerte magnetización de estas sustancias en campos magnéticos externos se debe a que los momentos magnéticos se alinean en un campo magnético externo y se estabilizan mediante la interacción de intercambio. Los momentos magnéticos alineados convierten el propio material ferromagnético en un imán.

En la intensidad de campo de saturación y el flujo magnético saturado asociado B_S, todos los momentos magnéticos están alineados en paralelo. Este estado se denomina «saturación magnética».

Tras la alineación, los momentos magnéticos de los espines de los electrones se encuentran en interacción de intercambio mutuo. La energía de esta interacción se debe gastar para volver a anular la magnetización de un material, es decir, para destruir la alineación de los espines de electrones estabilizados. Esto significa que la magnetización disminuye más lentamente de lo que se creó, ya que los momentos magnéticos de la muestra se estabilizan entre sí. Se necesita energía para anular esta estabilización. Si la interacción de intercambio es elevada, la curva de histéresis cubre una gran superficie y se habla de «materiales magnéticamente duros».