Magnetostricción: Una Propiedad de Materiales Magnéticos
La magnetostricción se define como la propiedad de algunos materiales magnéticos que los hace cambiar su forma o dimensiones cuando se magnetizan por un campo magnético externo. El cambio en el tamaño o longitud de un material debido a la magnetostricción depende de la intensidad y dirección del campo magnético aplicado, así como de la anisotropía magnética y la estructura cristalina del material.
La magnetostricción se puede utilizar para convertir energía electromagnética en energía mecánica, o viceversa, y es la base de muchas aplicaciones como actuadores, sensores, transductores, transformadores, motores y generadores.
¿Qué es la Magnetostricción?
La magnetostricción fue descubierta por primera vez por James Joule en 1842, cuando observó que una varilla de hierro se alargaba ligeramente cuando se magnetizaba a lo largo de su longitud, y se contraía ligeramente cuando se magnetizaba a través de su anchura. Este fenómeno se conoce como el efecto Joule, y ocurre en la mayoría de los materiales ferromagnéticos (materiales que pueden ser magnetizados por un campo externo) y algunos materiales ferrimagnéticos (materiales que tienen dos subretículos magnéticos opuestos).
El mecanismo físico detrás de la magnetostricción está relacionado con la estructura interna de los materiales magnéticos, que consiste en regiones microscópicas llamadas dominios. Cada dominio tiene una dirección de magnetización uniforme, que se determina por el equilibrio entre la energía de anisotropía magnética (la tendencia del material a alinear su magnetización a lo largo de ciertas direcciones cristalinas) y la energía magnetostática (la tendencia del material a minimizar sus polos magnéticos).
Cuando se aplica un campo magnético externo a un material magnético, ejerce un par sobre los dominios, causando que estos roten y se alineen con la dirección del campo. Este proceso implica el movimiento de las paredes de dominio (las fronteras entre dominios con diferentes direcciones de magnetización) y la deformación de la red cristalina (la disposición de los átomos en el material). Como resultado, el material cambia su forma o dimensiones según su tensión magnetostrictiva (el cambio fraccional en la longitud o volumen debido a la magnetostricción).
La tensión magnetostrictiva depende de varios factores, tales como:
La magnitud y dirección del campo magnético aplicado
La magnetización de saturación (la máxima magnetización posible) del material
La anisotropía magnética (la preferencia por ciertas direcciones de magnetización) del material
El acoplamiento magnetoelástico (la interacción entre la magnetización y la tensión elástica) del material
La temperatura y el estado de estrés del material
La tensión magnetostrictiva puede ser positiva o negativa, dependiendo de si el material se expande o se contrae cuando se magnetiza. Algunos materiales exhiben una inversión en el signo de su tensión magnetostrictiva cuando están expuestos a campos magnéticos altos, lo que se conoce como reversión de Villari.
La tensión magnetostrictiva se puede medir mediante diversos métodos, como la interferometría óptica, extensómetros, transductores piezoeléctricos, o técnicas resonantes. El parámetro más común utilizado para caracterizar la magnetostricción es el coeficiente de magnetostricción (también llamado coeficiente de Joule), que se define como:
λ=LΔL
donde ΔL es el cambio en la longitud del material cuando se magnetiza desde cero hasta la saturación, y L es su longitud inicial.
Materiales Magnetostrictivos
Existen muchos materiales que exhiben magnetostricción, pero algunos de ellos tienen valores más altos y mejor rendimiento que otros. Algunos ejemplos de materiales magnetostrictivos son:
Hierro: El hierro es uno de los materiales magnetostrictivos más comunes y ampliamente utilizados, debido a su alta magnetización de saturación y bajo costo. Sin embargo, el hierro también tiene algunas desventajas, como un coeficiente de magnetostricción bajo (alrededor de 20 ppm), alta pérdida por histeresis (la energía disipada durante cada ciclo de magnetización) y alta pérdida por corriente de Foucault (la energía disipada debido a las corrientes inducidas en los materiales conductores en el material). El hierro también tiene una baja temperatura de Curie (la temperatura por encima de la cual un material pierde sus propiedades ferromagnéticas), lo que limita su uso en aplicaciones de alta temperatura.
Níquel: El níquel tiene un coeficiente de magnetostricción mayor que el hierro (alrededor de 60 ppm), pero también una mayor pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault. El níquel también tiene una baja temperatura de Curie (alrededor de 360 °C) y es propenso a la corrosión.
Cobalto: El cobalto tiene un coeficiente de magnetostricción moderado (alrededor de 30 ppm), pero una alta magnetización de saturación y una alta temperatura de Curie (alrededor de 1120 °C). El cobalto también tiene una baja pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta frecuencia.
Aleación Hierro-Aluminio (Alfer): Esta aleación tiene un alto coeficiente de magnetostricción (alrededor de 100 ppm), una alta magnetización de saturación y una alta temperatura de Curie (alrededor de 800 °C). También tiene una baja pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault, y buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, es difícil de fabricar y requiere un tratamiento térmico especial.
Aleación Hierro-Níquel (Permalloy): Esta aleación tiene un bajo coeficiente de magnetostricción (alrededor de 1 ppm), pero una alta magnetización de saturación y una alta permeabilidad (la capacidad de un material para soportar un campo magnético interno). También tiene una baja pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault, lo que la hace ideal para blindaje magnético y aplicaciones de grabación.
Aleación Cobalto-Níquel: Esta aleación tiene un coeficiente de magnetostricción moderado (alrededor de 20 ppm), pero una alta magnetización de saturación y una alta temperatura de Curie (alrededor de 950 °C). También tiene una baja pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault, y buena resistencia a la corrosión.
Aleación Hierro-Cobalto: Esta aleación tiene un coeficiente de magnetostricción moderado (alrededor de 30 ppm), pero una muy alta magnetización de saturación y una alta temperatura de Curie (alrededor de 980 °C). También tiene una baja pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault, y buenas propiedades mecánicas.
Aleación Cobalto-Hierro-Vanadio (Permendur): Esta aleación tiene un bajo coeficiente de magnetostricción (alrededor de 5 ppm), pero una muy alta magnetización de saturación y una muy alta temperatura de Curie (alrededor de 1400 °C). También tiene una baja pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault, lo que la hace adecuada para aplicaciones de alta potencia.
Ferritas: Las ferritas son materiales cerámicos compuestos de óxidos de hierro y otros óxidos metálicos, como óxido de cobalto o óxido de níquel. Tienen bajos coeficientes de magnetostricción (menos de 10 ppm), pero también baja magnetización de saturación y baja permeabilidad. Tienen una muy baja pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault, lo que las hace ideales para aplicaciones de alta frecuencia. También tienen altas temperaturas de Curie (por encima de 400 °C) y buena resistencia a la corrosión.
Tierras raras: Las tierras raras son elementos con números atómicos del 57 al 71, como lantano, cerio, neodimio, samario, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio o lutecio. Tienen coeficientes de magnetostricción muy altos (hasta 1000 ppm), pero también muy altas pérdidas por histeresis y pérdida por corriente de Foucault. Tienen una magnetización de saturación y permeabilidad moderadas, pero bajas temperaturas de Curie (por debajo de 300 °C). Se utilizan a menudo en combinación con otros metales o compuestos para formar aleaciones o intermetálicos con propiedades mejoradas.
Terfenol-D: El Terfenol-D es un compuesto intermetálico compuesto de terbio, hierro y disprosio. Tiene el coeficiente de magnetostricción más alto jamás registrado (alrededor de 2000 ppm), lo que significa que puede producir grandes deformaciones cuando se magnetiza. También tiene una alta magnetización de saturación y una alta temperatura de Curie (alrededor de 380 °C). Sin embargo, también tiene una muy alta pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault, lo que limita su eficiencia y rango de frecuencia. También requiere un campo magnético alto (alrededor de 800 kA/m) para alcanzar su máxima deformación, lo que aumenta su consumo de energía y coste.
Galfenol: El Galfenol es una aleación de hierro y galio, con una composición de aproximadamente Fe81Ga19. Tiene un coeficiente de magnetostricción moderado (alrededor de 250 ppm), pero una muy baja pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault, lo que lo hace más eficiente y duradero que el Terfenol-D. También tiene una alta magnetización de saturación y una alta temperatura de Curie (alrededor de 700 °C). Puede operar a campos magnéticos bajos (alrededor de 100 kA/m) y frecuencias altas (hasta 10 kHz).
Metglas: El Metglas es un vidrio metálico compuesto de hierro, boro, silicio y otros elementos. Tiene un bajo coeficiente de magnetostricción (alrededor de 20 ppm), pero una muy alta magnetización de saturación y una muy alta permeabilidad. También tiene una muy baja pérdida por histeresis y pérdida por corriente de Foucault, lo que lo hace ideal para blindaje magnético y aplicaciones de conversión de potencia.
