¿Qué es un ferromagnet?
Los materiales ferromagnéticos generalmente se basan en el elemento hierro y representan uno de los tres tipos de magnetismo que se encuentran en la naturaleza, distintos del diamagnetismo y el paramagnetismo. Las características principales de los ferromagnetos son que exhiben un campo magnético natural en ausencia de esta primera imposición sobre la sustancia por una fuente de campo magnético externo, y el campo es, para todos los efectos, permanente. Los materiales diamagnéticos, por el contrario, muestran un campo magnético débil e inducido que es directamente opuesto al presente en el hierro. Los materiales paramagnéticos incluyen metales de aluminio y platino, que pueden inducirse a tener también un ligero campo magnético, pero pierden rápidamente el efecto cuando se elimina el campo inductor.
El material más común en la naturaleza que exhibe propiedades ferromagnéticas es el hierro, y esta calidad se conoce desde hace más de 2.000 años. Otras tierras raras también pueden exhibir ferromagnetismo, como gadolinio y disprosio. Los metales que actúan como aleaciones ferromagnéticas incluyen aleaciones de cobalto con samariam o neodimio.
El campo magnético en un ferromagnet se centra en regiones atómicas donde los espines de electrones están alineados en paralelo entre sí, conocidos como dominios. Estos dominios son fuertemente magnéticos, pero dispersos aleatoriamente en todo el material, lo que le da un magnetismo natural débil o neutral en general. Al tomar tales campos magnéticos naturales y exponerlos a una fuente magnética externa, los dominios se alinearán y el material retendrá un campo magnético uniforme, fuerte y duradero. Este aumento en el magnetismo general de una sustancia se conoce como permeabilidad relativa. La capacidad del hierro y las tierras raras para retener esta alineación de dominios y magnetismo general se conoce como histéresis.
Mientras que un ferromagnet retiene su campo cuando se elimina el campo magnético inductor, solo se retiene en una fracción de la fuerza original con el tiempo. Esto se conoce como remanencia. La remanencia es importante para calcular la fuerza de los imanes permanentes basados en el ferromagnetismo, donde se utilizan en dispositivos industriales y de consumo.
Otra limitación de todos los dispositivos de ferromagnet es que la propiedad del magnetismo se pierde por completo en un cierto rango de temperatura conocido como temperatura Curie. Cuando se excede la temperatura de Curie para un ferromagnet, sus propiedades cambian a la de un paramagnet. La ley de Curie de susceptibilidad paramagnética utiliza la función Langevin para calcular el cambio en las propiedades ferromagnéticas a paramagnéticas en composiciones de materiales conocidas. El cambio de un estado a otro sigue una curva predecible, ascendente, de forma parabólica a medida que aumenta la temperatura. Esta tendencia al ferromagnetismo a debilitarse y finalmente desaparecer a medida que aumenta la temperatura se conoce como agitación térmica.
El zumbido eléctrico que se escucha en un transformador sin partes móviles se debe a la utilización de un ferromagnet y se conoce como magnetostricción. Esta es una respuesta del ferromagnet al campo magnético inducido creado por la corriente eléctrica alimentada al transformador. Este campo magnético inducido hace que el campo magnético natural de la sustancia cambie de dirección ligeramente para alinearse con el campo aplicado. Es una respuesta mecánica en el transformador a la corriente alterna (CA), que generalmente se alterna en ciclos de 60 hercios, o 60 veces por segundo.
La investigación avanzada que utiliza propiedades de ferromagnet tiene varias aplicaciones potenciales interesantes. En astronomía, un líquido ferromagnético se está diseñando como una forma de espejo líquido que podría ser más suave que los espejos de vidrio y creado a una fracción del costo de los telescopios y las sondas espaciales. La forma del espejo también podría cambiarse mediante ciclos de actuadores de campo magnético a ciclos de un kilohercio.
El ferromagnetismo también se ha descubierto en concierto con la superconductividad en una investigación en curso realizada en 2011. Un compuesto de níquel y bismuto, Bi 3 Ni, diseñado a escala nanométrica, o una billonésima parte de un metro, exhibe propiedades diferentes a las del mismo compuesto en Muestras más grandes. Las propiedades del material a esta escala son únicas, ya que el ferromagnetismo generalmente cancela la superconductividad, y sus usos potenciales aún se están explorando.
La investigación alemana sobre semiconductores construidos sobre un ferromagnet involucra el arsénico compuesto de galio manganeso, GaMnAs. Se sabe que este compuesto tiene la temperatura de Curie más alta de cualquier semiconductor de ferromagnet, de 212 ° Fahrenheit (100 ° Celsius). Dichos compuestos se están investigando como un medio para ajustar dinámicamente la conductividad eléctrica de los superconductores.