¿Qué es Dominios e histéresis? — Física

Definición 22.8 Física universitaria — tercer año · Capítulo 22 — El electromagnetismo en la materia

Un pedazo bruto de hierro no está magnetizado: se rompe en dominios, regiones de escala micrométrica magnetizadas por completo cada una pero apuntando en direcciones distintas, de modo que el campo exterior (y su coste energético) casi se cancela. Un $\vect H$ aplicado mueve las paredes de dominio — los dominios favorables crecen — y luego hace girar dominios enteros hasta alinearlos. Las paredes se enganchan en los defectos, así que el proceso es irreversible: barra $H$ arriba y abajo y $B(H)$ traza un lazo, el ciclo de histéresis. Córtese la corriente y sobrevive un campo remanente $B_{\text{r}}$ ; cancelarlo exige el campo coercitivo inverso $H_{\text{c}}$ . El área encerrada por el lazo es la energía disipada por ciclo y por unidad de volumen. Los materiales blandos (acero al silicio, ferritas: lazo estrecho, $H_{\text{c}}$ pequeño) sirven para los núcleos de transformadores y motores; los duros (alnico, Nd $_2$ Fe $_{14}$ B: lazo gordo, $H_{\text{c}}$ enorme) sirven para los imanes permanentes — y para la memoria magnética: el imán de nevera y el disco duro son lazos de histéresis que se niegan a olvidar.

Dominios. Izquierda: un ferroimán virgen esconde su magnetización en regiones que se cancelan mutuamente. Derecha: el campo aplicado crece y las hace girar hasta formar un único bloque magnetizado — mediante saltos irreversibles de las paredes que dan al hierro su memoria.

El ciclo de histéresis. Desde el estado virgen (a trazos), el campo lleva B hasta la saturación; devolver H a cero deja la remanencia B_ r, y solo el campo coercitivo -H_ c la borra. Área del lazo = calor por ciclo y por unidad de volumen: lazos estrechos para transformadores y lazos gordos para imanes permanentes. — El ciclo de histéresis. Desde el estado virgen (a trazos), el campo lleva $B$ hasta la saturación; devolver $H$ a cero deja la remanencia $B_{\text{r}}$ , y solo el campo coercitivo $-H_{\text{c}}$ la borra. Área del lazo = calor por ciclo y por unidad de volumen: lazos estrechos para transformadores y lazos gordos para imanes permanentes.

Ejemplos

Ejemplo 22.9 (El electroimán de núcleo de hierro)

Enróllense $N$ vueltas que llevan $I$ alrededor de un anillo de hierro ( $\mu_{\text{r}} \sim 5000$ ) con un pequeño entrehierro $e$ . La ley de Ampère para $\vect H$ a lo largo del lazo: $H_{\text{hierro}}\ell + H_{\text{ent}}e = NI$ , y la continuidad del flujo hace común a $B$ , de modo que

B\Big(\frac{\ell}{\mu_0\mu_{\text{r}}} + \frac{e}{\mu_0}\Big) = NI .

Con $\ell = 1\,\mathrm{m}$ y $e = 1\,\mathrm{cm}$ , el término del entrehierro es cincuenta veces el del hierro: casi todo el esfuerzo de la bobina se gasta en empujar campo a través de un centímetro de aire. Ese es el circuito magnético en una línea — el hierro es un conductor de flujo casi perfecto y el aire es la resistencia — y por eso los motores, los relés y los elevadores de desguace mantienen sus entrehierros implacablemente finos (Problema 22.1).

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