Desde el punto de vista de las propiedades magnéticas, las sustancias se dividen en tres grandes grupos: paramagnéticas, diamagnéticas y ferromagnéticas. Estas últimas, en un contexto más general, se engloban dentro de los materiales con orden magnético. Las sustancias paramagnéticas y diamagnéticas no presentan momento magnético neto en ausencia de campos magnéticos, sino solamente momentos inducidos por el campo, y se diferencian en que los momentos magnéticos de los materiales diamagnéticos tienden a oponerse al campo aplicado mientras que en el caso de los paramagnéticos se orientan paralelamente a él.
A diferencia de los anteriores, los materiales ferromagnéticos pueden tener momento magnético neto, o, desde el punto de vista macroscópico, magnetización intrínseca en ausencia de campos magnéticos aplicados. Además, pueden presentar dos estados de magnetización o imanación con el mismo módulo y dirección, pero de sentidos opuestos, ya que la magnetización, al igual que el campo magnético, es una magnitud vectorial que representa a la densidad de momento dipolar que posee un material. El sentido de la magnetización del ferromagnético puede revertirse mediante la aplicación de campos magnéticos, dando lugar a lo que se conoce en física como histéresis. Se trata de un fenómeno caracterizado por un ciclo que liga a dos magnitudes como el que se muestra en la figura 3.5 y que aparece de forma recurrente en la naturaleza en muchos y variados contextos.
En el caso de los ferromagnéticos y otros materiales con orden magnético, los momentos magnéticos de los átomos constituyentes se agrupan formando unas estructuras llamadas dominios que, al orientarse colectivamente, provocan que la sustancia adquiera magnetización en ausencia de campos. (En la figura 5.13 del apartado 5.5 dedicado a materiales magnéticos cerámicos se ilustran estos dominios). Un material ferromagnético puede tener inicialmente magnetización nula si todos los dominios están orientados aleatoriamente; sería el punto 0 del ciclo de histéresis de la figura 3.5. Una vez que se aplica un campo magnético, los dominios se orientarán de forma paralela a él hasta alcanzar la magnetización de saturación, que se logra cuando todos los dominios apuntan en la misma dirección y sentido. Si se dejara de aplicar el campo, los dominios seguirían aproximadamente orientados en la dirección hacia la que apuntaba el campo, de forma que el material seguiría teniendo una magnetización neta o remanente, menor que la de saturación. Ambos valores son propios de cada material o, mejor, de cada muestra, ya que la geometría y el procesado también afectan a estas magnitudes.
El ciclo de histéresis se completa cuando, una vez magnetizada la muestra por primera vez, se aplica un campo magnético en el sentido opuesto al de los dominios, reorientándolos en sentido contrario. El valor del campo magnético necesario para que el material vuelva a tener magnetización nula recibe el nombre de campo coercitivo. Por encima de ese valor, los dominios seguirían orientándose hasta alcanzar otra vez el otro estado de magnetización de saturación, equivalente al primero pero de sentido opuesto. Mediante la sucesiva aplicación de campos magnéticos alternos suficientemente intensos se podría recorrer varias veces el ciclo de histéresis completo. El área bajo la curva de histéresis representa la energía que se disipa al invertir el estado de imanación, pero hay que tener en cuenta que existen pérdidas y no se puede recorrer un número ilimitado de veces el ciclo. La histéresis magnética es el fenómeno que permite el almacenamiento de información en los discos duros de los ordenadores, ya que el campo induce una magnetización que se codifica como un 0 o un 1 en las regiones del disco que se corresponden con los dos estados saturados de magnetización.
Los ciclos de histéresis pueden ser muy distintos dependiendo de cada material, y de forma general se suele clasificar a los materiales en blandos y duros de acuerdo principalmente al valor que presentan los campos coercitivos en ellos, pero de forma independiente de la magnitud de la magnetización de saturación, tal como se muestra en la parte inferior de la figura 3.5. Los materiales ferromagnéticos blandos se caracterizan por campos coercitivos bajos y, por tanto, disipan poca energía durante los ciclos de histéresis. Resultan adecuados para los núcleos de los transformadores y motores, ya que están sometidos a campos alternos. Por otro lado, los materiales ferromagnéticos duros, cuyos campos coercitivos son mayores, son más adecuados para imanes permanentes o dispositivos de memoria. El hecho de que un material sea blando o duro desde el punto de vista magnético no solo depende de la composición, sino de otros factores relacionados con el procesado. Por ejemplo, los aceros pueden comportarse como ferromagnéticos duros o blandos dependiendo principalmente del tamaño de grano, ya que esta variable está íntimamente relacionada con la estructura de los dominios magnéticos.
Otra característica fundamental de los materiales ferromagnéticos es que el orden magnético solo tiene lugar a temperaturas bajas. Es decir, por encima de una cierta temperatura, llamada de Curie, que es propia de cada material, no presentan orden magnético y se comportan como paramagnéticos al sufrir una transición de fase. El hierro tiene una temperatura de Curie de 1043 K y el cobalto de 1400 K, por encima de las cuales no muestran comportamiento magnético. En el caso que nos ocupa ahora, el de los imanes permanentes, es un requisito importante que la temperatura de Curie sea lo más alta posible para que el imán permanezca siempre en estado ferromagnético en las condiciones de trabajo. Otros requisitos serían un campo coercitivo alto y una magnetización remanente lo más grande posible.
Dados sus múltiples usos, los imanes permanentes son de mucha importancia tecnológica y desde hace muchos años se investiga intensamente para conseguir cada vez mejores materiales. Es sabido que las tierras raras son metales que poseen unas propiedades mecánicas excelentes pero que a menudo tienen una temperatura de Curie demasiado baja como para actuar como imanes permanentes a temperatura ambiente. Por ello, una estrategia común para solventar este problema es buscar aleaciones o compuestos que contengan tierras raras como el neodimio o el samario en combinación con materiales ferromagnéticos como el hierro o el cobalto, cuyas temperaturas de Curie son muy superiores y también presentan buenas propiedades magnéticas. Concretamente, el material más usado actualmente para estas aplicaciones se basa en un compuesto de hierro, neodimio y boro denominado habitualmente como NdFeB.
Estos imanes de neodimio fueron sintetizados por primera vez a mediados de la década de 1980 de forma independiente por investigadores de General Motors en Estados Unidos[1] y de la Sumitomo Special Metals Company en Japón[2] y se basan en un compuesto con fórmula empírica Nd2Fe14B con una estructura cristalina compleja de simetría tetragonal como la que se muestra en la figura 3.6. Los primeros desarrollaron un material policristalino mientras que los segundos comercializaron un material sinterizado de mayor densidad que consta de la fase cristalina de Nd2Fe14B embebida en una matriz de una fase amorfa rica en neodimio. La microestructura del NdFeB sinterizado se muestra también en la figura 3.6. Los imanes de NdFeB sinterizados presentan una mayor imanación remanente, equivalente a 1- 1,4 T, mientras que la de los policristalinos es aproximadamente la mitad. No obstante, estos últimos resultan más resistentes a la corrosión. La temperatura de Curie de ambas formas no llega a los 400 oC, lo cual es la principal desventaja de estos materiales en su uso como imanes permanentes, ya que son nada o poco útiles para aplicaciones a temperaturas altas o moderadas. Para aquellos casos en los que el uso de imanes de neodimio puede ser comprometido debido a la temperatura se suelen emplear imanes basados en SmCo5, con menores prestaciones pero cuyas temperaturas de Curie rondan los 800 oC.
Los imanes de neodimio son los de tipo permanente con una mayor producción en este momento y por ello han reemplazado a muchos imanes de uso industrial en diversas aplicaciones como la fabricación de motores, herramientas inalámbricas, discos duros o sellos magnéticos. De hecho, se calcula que la producción anual de NdFeB está en torno a las cien mil toneladas, todo un récord para un material de carácter funcional y no estructural.
[1] J. J. Croat et al. J. Appl. Phys. 55 (1984) 2078. https://doi.org/10.1063/1.333571.
[2] M. Sagawa et al. J. Appl. Phys. 55 (1984) 2083. https://doi.org/10.1063/1.333572.
[3] R. W. McCallum et al. Annu. Rev. Mater. Res. 44 (2014) 451-477. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070813-113457.
[4] El esquema y la microfotografía óptica se han tomado de H. Yang et al. Mater. Corros. 63 (2012) 292. https://doi.org/10.1002/maco.201005956; la imagen de microscopía de transmisión, de T. G. Woodcock et al. Scr. Mater. 67 (2012) 536-541. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.05.038.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
