Para comprender la interacción de los campos magnéticos y los materiales, se propone el siguiente escenario:

Figura 1. Selenoide
Imagen obtenida de http://en.academic.ru/pictures/enwiki/83/Solenoid-1.png solo para fines educativos.

La figura 1 muestra un solenoide, es decir, una espira formada por un conductor. También se conoce con el nombre de bobina. Se plantean dos escenarios; en el primero, la bobina está construida alrededor de un tubo de PVC; en el segundo escenario la bobina está formada sobre un núcleo de acero.

Al hacer circular una corriente por la bobina, se establecerá un campo magnético dentro de la misma y por fuera. Se ilustra en la figura 2:

Figura 2. Campo magnético
Imagen obtenida de http://docencia.udea.edu.co/regionalizacion/irs-404/contenido/capitulo9.html solo para fines educativos

Es evidente que en el interior de la bobina la intensidad del campo magnético es mayor que fuera de ella. La intensidad del campo se relaciona de manera directa con el número de líneas que ves en la figura.

Retomando nuestro ejercicio de imaginar ambos núcleos de la bobina, considera lo siguiente: la bobina en ambos casos producirá el mismo campo magnético, sin embargo, el comportamiento de este campo en ambos escenarios será radicalmente diferente.

En el caso de la bobina que ha sido construida alrededor del núcleo de PVC, el campo magnético se comportará exactamente como se muestra en la imagen. No sufrirá ningún cambio.

En el caso de la bobina construida sobre un núcleo de acero, el comportamiento cambiará de forma drástica. La cantidad de líneas de flujo dentro de la bobina aumentará drásticamente, mientras que el número de líneas de flujo fuera de la bobina será mucho menor.

Esta diferencia se puede explicar mediante la presentación de distintos tipos de materiales:

Como se mencionó en la introducción, los distintos tipos de materiales reaccionan de diferentes maneras a los estímulos externos, y el magnetismo no es la excepción.

Los materiales ferromagnéticos son aquellos que en su estructura tienen pequeñas áreas, en un nivel microscópico, llamadas dominios magnéticos. Estos dominios tienen fronteras bien definidas, como se muestra en la figura 3:

Figura 3

Los dominios magnéticos son aquellas zonas que tienen una alineación magnética en común. Puedes pensar que cada dominio es un pequeño imán con su propia orientación norte-sur. Cuando un campo magnético externo es aplicado a través de un material ferromagnético, estos dominios magnéticos se alinean en la dirección del campo.

Figura 4. Orientación de los dominios magnéticos.
Imagen obtenida de http://www.experimentosdefisica.net/ver-lineas-de-campo-magnetico-de-un-iman/ solo para fines educativos.

En la parte izquierda de la figura 4, se muestra de forma esquemática cómo los dominios magnéticos tienen distintas orientaciones en el estado natural del material. En la parte derecha, se ve como los dominios magnéticos se alinean al aplicar un campo magnético externo. Los dominios magnéticos no existen en los materiales diamagnéticos.

Los materiales ferromagnéticos son en su totalidad metales. Como su nombre lo indica, los materiales que contienen fierro son aquellos con mayor susceptibilidad a los campos magnéticos. Es importante destacar que —aunque todos los materiales ferromagnéticos son metales— todos los metales no son ferromagnéticos. El cobre y el aluminio son ejemplos de lo anterior.

Un campo magnético encuentra mucho más sencillo fluir por un material ferromagnético que por un material diamagnético. Algunos ejemplos de materiales ferromagnéticos son:

Algunos ejemplos de materiales diamagnéticos son:

Un campo magnético cualquiera encontrará una resistencia mucho menor a su paso en un material ferromagnético que en un material diamagnético. Esto nos lleva a definir un concepto muy importante llamado permeabilidad magnética, representada por la letra griega mu (μ).

La permeabilidad es la medida de que tan fácil es para un campo magnético atravesar cierto material. A mayores valores de permeabilidad, se necesita menos esfuerzo para establecer un campo magnético en un material. El medio donde es necesario un mayor esfuerzo para establecer un campo magnético es el vacío. La permeabilidad del vacío se define por la constante . El aire se considera lo suficientemente parecido al vacío como para establecer este valor como la permeabilidad del aire. Si bien no es estrictamente cierto, para efectos prácticos, cualquier material diamagnético se puede considerar con este valor y no representa mayor problema.

Por el contrario, los materiales ferromagnéticos tienen permeabilidades mucho mayores, que pueden ir desde 2,000 hasta 10,000 (o más) en comparación con el vacío. Es por esto que se define la permeabilidad del material como el producto de la permeabilidad relativa y la permeabilidad del vacío.

La relación entre la intensidad del campo magnético aplicado y la densidad de flujo dentro del material es μ. Esto es:

Para la construcción de máquinas eléctricas, se busca que la permeabilidad del material del núcleo sea la mayor posible. Un material de excelente calidad tiene una permeabilidad mayor que uno de menor calidad.

Al aplicar un campo magnético a un material ferromagnético, sus dominios magnéticos se irán alineando conforme la intensidad del campo externo aumente. Algunos presentarán una mayor resistencia que otros. Conforme el campo magnético siga aumentando, su intensidad llegará un punto en el que eventualmente todos los dominios magnéticos estarán alineados en la dirección del campo externo. Se dice que en este punto el material magnético está saturado.

Por mucho que incrementes la intensidad del campo externo aplicado, el material ya no podrá aceptar una mayor densidad de flujo. Los materiales diamagnéticos no presentan este comportamiento, ya que no tienen dominios magnéticos que alinear.

A continuación se muestra gráficamente la relación entre la intensidad del campo magnético externo aplicado, y la densidad de flujo dentro del material:

Figura 5.
Imagen obtenida de http://webs.uvigo.es/quintans/recursos/Web_electromagnetismo/magnetismo_definiciones.htm solo para fines educativos.

Donde μ₀, μ_p y μ_d corresponden a la permeabilidad del vacío de los materiales paramagnéticos y los materiales diamagnéticos, respectivamente. Es fácil notar que su comportamiento es prácticamente el mismo y su valor muy similar. Es importante notar que en estos materiales, la relación entre intensidad de campo y densidad de flujo es lineal y no existe saturación.

Por el contrario, y aislando únicamente la parte de la gráfica que corresponde a los materiales ferromagnéticos, se tiene:

Figura 6. Gráfica de los materiales ferromagnéticos.
Imagen obtenida de http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/2750/2957/html/23_magnitudes_magnticas_ii.html solo para fines educativos.

Al incrementar la intensidad del campo externo (H) aplicado al material, la densidad de flujo (B) incrementa de una manera cuasi lineal, sin embargo, hay un marcado punto de inflexión en la gráfica donde cambia drásticamente el comportamiento. Este punto se conoce como rodilla de saturación y es donde el material empieza a saturarse.

Se puede ver claramente que posterior a la rodilla de saturación, por mucho que incremente la intensidad de campo, la densidad de flujo en el material ya no incrementa. Se dice entonces que el material está saturado. Recordando que µ es la relación entre B y H, puedes expresar este valor como la pendiente de la curva de saturación. Esta incrementa conforme incrementa H, y cuando el material está saturado, la pendiente de la curva se aproxima a cero (pendiente horizontal) y el valor de la permeabilidad cae drásticamente.

La histéresis es un fenómeno que está relacionado con el comportamiento residual de los materiales después de que se ha aplicado un estímulo externo. Considera la siguiente analogía:

Si tomas un pedazo de alambre con tus manos, podrás doblarlo hasta cierto punto y al soltarlo, este regresará a su forma original. Si doblas el alambre más allá de cierto punto, al soltarlo intentará regresar a su forma original, pero no podrá hacerlo por completo. Esto es, el alambre no regresará toda la energía que le fue impresa por tus manos. ¿Es fácil imaginarlo, cierto?

Con los materiales ferromagnéticos, al aplicárseles un campo magnético externo que cambia con el tiempo, este fenómeno también ocurrirá. Observa la siguiente gráfica:

Figura 7. Ciclo de histéresis para un material ferromagnético.
Imagen obtenida de http://joseluismesarueda.com/documents/TEMA_12_000.pdf solo para fines educativos.

Considera que la gráfica de la figura 7 empieza en el origen. Empieza a incrementar la intensidad del campo y, por ende, aumenta la densidad de flujo. Los dominios magnéticos del material empiezan a alinearse con el campo externo. Conforme el campo externo incrementa, todos los dominios van alineándose hasta que no quedan más dominios que alinear. El material ha entrado en saturación.

Ahora piensa que quitas el campo externo poco a poco. Sin duda, la densidad de flujo también irá disminuyendo y esperarías que cuando el campo magnético fuera cero, la densidad de flujo fuera cero. ¡Pero la realidad es muy diferente!

A pesar de haber removido el campo magnético externo, algunos dominios se quedan alineados en la dirección del campo. Por tanto, el material queda parcialmente magnetizado. Esta es la forma en la que se fabrican los imanes permanentes.

Si quisieras  quitar por completo la magnetización del material, tendrías que aplicar un campo magnético pero en la dirección contraria, y el mismo fenómeno ocurriría. Si revertieras la dirección del campo magnético una y otra vez, se traza la curva mostrada anteriormente.

En la aplicación de las máquinas eléctricas, con frecuencia se trabaja con campos magnéticos que cambian de dirección frecuentemente. Por ende, los núcleos de las máquinas eléctricas están sujetos a campos que varían de dirección varias veces por segundo (60 veces por segundo en México, 50 veces por segundo en otras partes del mundo). Y por tanto se presenta en el núcleo el fenómeno de histéresis, que se traduce en una pérdida de energía.