Propiedades magnéticas de los materiales

Magnetismo. Campos magnéticos. Estructuras ferromagnéticas. Carga. Electrones desapareados o libres

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República Bolivariana de Venezuela.

Universidad del Zulia.

Facultad: Ingeniería.

Prof. Miguel Valbuena.

Materia: Ciencia de los Materiales.

Propiedades magnéticas de los materiales

Propiedades Magnéticas de los Materiales.

Maracaibo, 21 de Abril de 2003.

Índice

1.- Introducción.

2.- Desarrollo.

2.1.- Magnetismo.

2.2.- Magnitudes magnéticas.

2.3.- Propiedades de los materiales magnéticos.

2.4.- Estructura de dominios ferromagnéticos.

2.5.- Tipos de materiales magnéticos

2.6.- Aplicaciones del magnetismo.

3.- Conclusión.

4.- Anexos.

5.- Bibliografía.

Introducción

El estudio de los materiales magnéticos requiere una breve introducción al tema del magnetismo, esta importante rama de la física que esta íntimamente relacionada con el fenómeno eléctrico.

Podemos considerar elementos magnéticos a aquellos elementos de la tabla periódica que tienen electrones desapareados, pero en realidad esto no sucede, ya que sólo existen 3 elementos que se magnetizan al aplicarles un campo magnético, son el Hierro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni).

Aunque los materiales presentan un comportamiento magnético variado, uno de los más importantes es el ferromagnetismo que, como su nombre lo indica, esta relacionado con las aleaciones metálicas que contienen hierro. El ferrimagnetismo es una sutil variación del comportamiento ferromagnético presente en algunos materiales compuestos cerámicos. Los materiales magnéticos metálicos son normalmente clasificados como blandos o duros dependiendo de su comportamiento magnético. Los materiales magnéticos cerámicos son ampliamente utilizados y se hallan mejor representados por muchos compuestos de ferrita basados en la estructura cristalina de la espinela inversa.

Para entender más profundamente la naturaleza de varios de estos materiales magnéticos, se realizará a continuación una breve explicación de los fundamentos del magnetismo y sus propiedades.

Desarrollo.

2.1.- Magnetismo:

El magnetismo no es más que el fenómeno físico asociado con la atracción de determinados materiales; es decir por medio del cual los materiales ejercen fuerza de atracción o de repulsión sobre otros materiales. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cobradas como los electrones, mientras indican la relación íntima entre electricidad y magnetismo. El marco unificado para estas dos fuerzas se llama la teoría electromagnética.

Un anillo de corriente eléctrica genera una región de atracción física, o campo magnético, el campo magnético no es mas que la región del espacio en la que se manifiestan los fenómenos magnéticos. Estos actúan según unas imaginarias "líneas de fuerza": éstas son el camino que sigue la fuerza magnética conocidas también como líneas de flujo magnético (este campo se traduce en unas líneas de fuerza y dos polos de los que parten estas líneas conocidas como bipolar).La intensidad o dirección del campo magnético en un determinado punto cercano al anillo de corriente viene dado por H, una magnitud vectorial.

La evidencia más familiar de magnetismo es que la fuerza atractiva o repulsiva observó para actuar entre los materiales magnéticos como hierro. Se encuentran los efectos más sutiles de magnetismo, sin embargo, en toda la materia. Estos efectos han proporcionado las pistas importantes a la estructura atómica de materia.

2.2.- Magnitudes Magnéticas:

En el espacio libre que rodea a una fuente de campo magnético, es posible definir la inducción magnética, B, cuya magnitud es la densidad de flujo. La inducción esta relacionada con el campo magnético, H por:

B = µ0x H donde:

  • µo es la permeabilidad del vació >Propiedades magnéticas de los materiales
    H/m.

  • B es la inducción magnética cuya magnitud es la densidad del fluido.

  • H es la intensidad o dirección del campo magnético, que es una magnitud vectorial

Si un sólido es introducido en el campo magnético, la intensidad de la inducción se vera modificada, pero sigue siendo expresada de forma similar:

B = µx H. donde:

- µ es la permeabilidad del sólido. Y las demás variables siguen de igual magnitud que en la ecuación anterior.

Todo estudiante o investigador de esta rama debe saber que una forma alternativa de la ley de Ohm es:

1/ A = (V/ l)

Si aplicamos esta forma alternativa de la ley de Ohm al campo magnético obtenemos que la I/A es la densidad de corriente y V/I es el gradiente de voltaje. Se observa entonces que la inducción magnética B es análoga a la densidad de corriente y el campo magnético H es análogo al gradiente de voltaje (campo eléctrico), con la permeabilidad µ correspondiendo a la conductividad. La presencia de un sólidos ha modificado la inducción. La contribución por separado del sólido se observa en la expresión:

B = µ x H =µo (H+M) donde:

- M es la magnetización del sólido, y el término µoM representa el campo magnético inducido extra asociado al sólido.

Se puede describir el comportamiento magnético de un sólido por su permeabilidad relativa que viene dada por la siguiente ecuación:

µr = µ donde:

  • µ es la permeabilidad del sólido.

  • µo es la permeabilidad del vació >Propiedades magnéticas de los materiales
    H/m.

Las unidades de estos términos magnéticos en el sistema MKS s son consistentes con las aceptadas en el SI, y estas son:

  • Para la intensidad de B webers/ metro > (Wb/m2 ).

  • Para µ Webers/ amperios . metro > (Wb/ A.m) ó henrios/ metro > (H/m).

  • Para H y M amperios/ metro > (A/m).

Como la magnetización de un material magnético es proporcional al campo aplicado, se define un factor de proporcionalidad llamado susceptibilidad magnética:

Propiedades magnéticas de los materiales
donde:

- Xm es la susceptibilidad magnética.

2.3.- Propiedades de los materiales magnéticos:

- Materiales Magnéticos: estos materiales son aquellos que poseen una forma especializada de energía que esta relacionada con la radiación electromagnética, y sus propiedades y estructura se distinguen de los demás por las características magnéticas que poseen.

Propiedades Magnéticas Macroscópicas: son producto de los momentos magnéticos asociados con los electrones individuales. Cuando el electrón gira alrededor del núcleo, se convierte en una carga eléctrica en movimiento, por lo que se genera un momento magnético. Cada electrón gira alrededor de si mismo creando un momento magnético.

El momento magnético neto de un átomo es la suma de los momentos magnéticos generados por los electrones. Si incluyen los momentos orbítales, de rotación, y el hecho de que los momentos pueden cancelarse.

En los átomos donde el nivel de energía de los electrones están completamente llenos, todos los momentos se cancelan. Estos materiales no puedes ser magnetizados permanentemente (Gases inertes y algunos materiales iónicos).

De acuerdo a sus propiedades magnéticas y cuando los materiales se someten a un campo magnético, estos se pueden clasificar en:

  • Diamagnéticos: los materiales diamagnéticos son `débilmente repelidos' por las zonas de campo magnético elevado. Cuando se someten a un campo, los dipolos se orientan produciendo campos magnéticos negativos, contrarios al campo aplicado. Los valores de susceptibilidad de estos materiales es pequeña y negativa y su permeabilidad próxima a la unidad. También estos materiales son una forma muy débil de magnetismo, la cual es no permanente y persiste no solamente cuando se aplica un campo externo.

  • Paramagnéticos: los materiales paramagnéticos son débilmente atraído por las zonas de campo magnético intenso. Se observa frecuentemente en gases. Los momentos dipolares se orientan en dirección al campo, y tiene permeabilidades próximas a la unidad y su susceptibilidad es pequeña pero positiva. Este efecto desaparece al dejar de aplicar el campo magnético.Es decir que el paramagnetismo se produce cuando las moléculas de una sustancia tienen un momento magnético permanente. El campo magnético externo produce un momento que tiende a alinear los dipolos magnéticos en la dirección del campo. La agitación térmica aumenta con la temperatura y tiende a compensar el alineamiento del campo magnético. En las sustancias paramagnéticas la susceptibilidad magnética es muy pequeña comparada con la unidad.

  • Ferromagnéticos: se caracterizan por ser siempre metálicos, y su intenso magnetismo no es debido a los dipolos. Este magnetismo puede ser conservado o eliminado según se desee, los 3 materiales ferromagnéticos son el hierro, el cobalto y el níquel. La causa de este magnetismo son los electrones desapareados de la capa 3d, que presentan estos elementos. Como se ha indicado, los materiales ferromagnéticos afectan drásticamente las características de los sistemas en los que se los usa. Los materiales ferromagnéticos no son `lineales'. Esto significa que las relaciones entre Propiedades magnéticas de los materiales
    y Propiedades magnéticas de los materiales
    (o entre Propiedades magnéticas de los materiales
    y Propiedades magnéticas de los materiales
    ) no corresponden a líneas rectas. En realidad, lo que ocurre es más complicado e interesante; la relación entre Propiedades magnéticas de los materiales
    y Propiedades magnéticas de los materiales
    presenta el fenómeno de histéresis. Esto significa que, cuando se somete al material a un ciclo de operación, la magnetización (relación B-H) sigue una curva complicada. En general, se considera que el campo excitante es H (pues está directamente relacionado a la corriente). Puede entonces ocurrir que H=0, y tanto B como M sean distintos de cero: esto es lo que se conoce corrientemente como un imán.

La magnetización en los ferromagnéticos se debe a la curva de histéresis. Una vez producida la magnetización se intenta eliminar el campo magnético, pero para valor de campo magnético cero el material sigue magnetizado, y para poder desmagnetizarlo es necesaria la aplicación de un campo negativo o fuerza coercitiva.

Las curvas de histéresis varían a medida que varía la temperatura a medida que aumenta la temperatura la magnetización disminuye, hasta llegar a la temperatura de Curie, en la que el material deja de comportarse como ferromagnético y pasa a comportarse como paramagnético.

Los materiales ferromagnéticos llegan a un momento en que aunque se siga aplicando el campo magnético no se magnetizan más y alcanza la inducción de saturación, y una vez retirado el campo no pierde toda la magnetización sino que la guarda en lo que se conoce como inducción remanente.

Estos materiales son fuertemente atraídos por las zonas de campo magnético intenso (presentan además fenómenos de histéresis y existen dominios ferromagnéticos). Se observa en fierro, niquel, cobalto y aleaciones.

  • Ferrimagnéticos: es la base de la mayoría de los imanes metálicos de utilidad, los materiales magnéticos cerámicos se basan en un fenómeno ligeramente diferente. En cuanto a la histéresis, el comportamiento es básicamente el mismo. Sin embargo, la estructura cristalina de la mayoría de los materiales magnéticos cerámicos comunes implica un emparejamiento antiparalelo de los spines de los electrones, reduciendo por tanto el movimiento magnético neto que es posible alcanzar en los metales. Este fenómeno se distingue del ferromagnetismo mediante un nombre ligeramente diferente denominándose ferrimagnetismo.

2.4.- Estructura de dominios ferromagnéticos.

Los 3 elementos magnetizables se caracterizan por que los momentos dipolares se orientan, en un determinado volumen, en una dirección, esto son los dominios ferromagnéticos. Dentro del mismo grano puedo encontrar distintos dominios ferromagnéticos.

Cuando un campo magnético externo es aplicado a un material ferromagnético desmagnetizado, los dominios magnéticos cuyos momentos magnéticos están inicialmente paralelos al campo aplicado, crecen a favor de aquellos que están colocados de forma inversa al campo. Este movimiento lo hacen las paredes de bloch, que son una zona de transición de un dominio a otro y su longitud es aprox. de 100 Propiedades magnéticas de los materiales
.

La máxima magnetización se produce con la suma de estas 5 energías:

Energía de cambio

Energía magnetostática: Asociada al campo, depende del número de dominios (7.15), a mayor número de dominios mayor menor energía magnetostática

Energía magnetocristalina: Asociada a la estructura cristalina y a las distintas direcciones de la estructura cristalina.

Energía asociada a las paredes de Bloch.

Energía de magnetoestricción.

2.5.- Tipos de Materiales Magnéticos:

- Materiales magnéticos metálicos: los materiales magnéticos metálicos comerciales más importantes son ferromagnéticos. En general, esos materiales se clasifican como blandos o duros. Los factores estructurales constitutivos que llevan a la dureza magnética son generalmente los mismos que los que provocan la dureza mecánica.

Materiales magnéticos blandos: se denomina materiales magnéticos blandos a los materiales ferromagnéticos con paredes de dominios magnéticos que se mueven fácilmente cuando se aplica un campo; es decir, que se pueden desmagnetizar.

Materiales magnéticos duros: son aquellos con menor movilidad de las paredes de los dominios, lo que los hace ideales como imanes permanentes y usados raramente en aplicaciones de potencia de corriente alterna.

- Materiales magnéticos cerámicos: los materiales magnéticos cerámicos pueden dividirse en dos categorías:

Materiales magnéticos de baja conductividad: los materiales magnéticos cerámicos tradicionales, de importancia comercial, son ferrimagnéticos, tienen la baja conductividad características de los cerámicos. Los principales ejemplos son las ferritas, basadas en la estructura cristalina de la espinela inversa.

Materiales magnéticos superconductores: los magnéticos superconductores más potentes pertenecen a una familia de óxidos cerámicos, tradicionalmente incluidos en la categoría de aislante, presentaban superconductividad con valores de temperatura crítica sensiblemente mayores de los que era posible conseguir con los mejores superconductores metálicos.

2.6.- Aplicaciones del Magnetismo:

Numerosas aplicaciones de magnetismo y de materiales magnéticos se ha levantado en los últimos 100 años. Por ejemplo, el electroimán es la base del motor eléctrico y el transformador. En los más recientes tiempos, el desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha sido también importante en la revolución de la computadora. Pueden fabricarse los recuerdos de la computadora usando los dominios de la burbuja. Estos dominios son regiones realmente más pequeñas de magnetización que o es paralelo o antiparalelo a la magnetización global del material. Dependiendo de esta dirección, la burbuja indica uno o un ceros, mientras sirviendo así como las unidades del sistema del número binario usaron en las computadoras. Los materiales magnéticos también son electores importantes de cintas y discos en que se guardan los datos. Además del atómico - clasificó según tamaño unidades magnéticas usadas en las computadoras-, los imanes grandes, poderosos son cruciales a una variedad de tecnologías modernas.

La levitación magnética entrena que usa los imanes fuertes para permitir al tren flotar sobre la huella para que no haya fricción entre el vehículo y las huellas y reducir la velocidad el tren. Se usan los campos magnético poderosos en el imaging de resonancia magnético nuclear, una herramienta de diagnóstico importante usada por doctores. Los imanes de Superconducción se usan en más aceleradores de la partícula poderosos para guardar las partículas aceleradas enfocadas y entrando un camino encorvado.

 

Conclusión

La principal herramienta para caracterizar los materiales magnéticos es el grafico B - H, que representa la variación de la inducción (B) con la intensidad de campo magnético (H). El diamagnetismo y paramagnetismo presentan curvas B-H lineales, con pequeñas pendientes. Un grafico B - H altamente no lineal, llamado ciclo de histéresis, es característico del ferromagnetismo. Como su nombre indica, el ferromagnetismo esta asociado con diversas aleaciones férreas (que contienen hierro). Sin embargo, varios metales de transición comparten este comportamiento. Esto se debe a su similar estructura electrónica. Los metales de transición tienen orbítales internos sin llenar, permitiendo que spines de electrones desapareados intervengan en uno o mas magnetotes de Bohr al momento magnético neto del átomo.

El ferrimagnetismo es un fenómeno muy relacionado con el ferromagnetismo. Se presenta en compuestos cerámicos magnéticos. En estos sistemas, los iones de metal de transición generan momentos magnéticos, como lo hacen los átomos del metal de transición en el ferromagnetismo. La diferencia está en que los momentos magnéticos de ciertos cationes se cancelan por el emparejamiento de spines antiparalelos. La inducción de saturación neta disminuye por tanto si es comparada con la de los metales ferromagnéticos. Los cerámicos magnéticos, como los metales ferromagnéticos, pueden ser magnéticamente duros o blandos.

Actualmente existe un sustancial interés en los materiales magnéticos cerámicos superconductores ya que proporcionan mayores temperaturas de operación y por lo tanto, mayor potencial de aplicación, especialmente en el área de los dispositivos de película delgada para computadoras compactas y detectores ultrasensibles de campo magnético, además del desarrollo de cable para solenoides.

Anexos

Propiedades magnéticas de los materiales

Campo Magnético. Fig. # 1

Propiedades magnéticas de los materiales

Campo magnético generado por un anillo de corriente. Fig. # 2

Propiedades magnéticas de los materiales

Propiedades magnéticas de los materiales

Momento magnético causado por la rotación del electrón. Fig. # 4

Diamagnetismo. Fig. # 5

Paramagnetismo. Fig. # 6.

Propiedades magnéticas de los materiales

Ferromagnetismo. Fig. # 7.

Propiedades magnéticas de los materiales

Grafica B - H. Fig. # 7

Propiedades magnéticas de los materiales

B > Variación de la Inducción del campo magnético.

H > Intensidad del campo magnético.

Materiales Magnéticos Metálicos. Fig. # 8

Propiedades magnéticas de los materiales

Propiedades magnéticas de los materiales

Material "duro"

Material "blando"

Ciclo de histéresis. Fig. # 9

.

Bibliografía

1.- Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. Shackelford, J. Quemes, A.

IV Edición, Prentice Hall 1998.

Capítulo 13, pág. 496- 520.

2.- Standard Handbook for electrical engineers. Fink, D. Carroll, J.

X Edición, Mc Graw Hill Book

Company. 1968.

Capítulo 4, pág. 241- 293.

3.- http://www.uca.edu.sv/facultad/ing/mecarch.

4.- http://www.cec.uchile.cl/~cutreras/apuntes.

5.- http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica.

6.- http://www.ifent.org/lecciones/CAP07.

3

Campo Magnético Generado por un imán. Fig. # 3

Cuando no hay un campo externo no existen dipolos. Fig. # 5a

Propiedades magnéticas de los materiales

Cuando los dipolos no están alineados. Fig. # 6a.

Cuando se aplica un campo externo, se inducen dipolos los cuales se alinean en dirección opuesta al campo externo. Fig. # 5b

Cuando los dipolos se alinean, amplifican el campo externo. Los dipolos no interactúan entre ellos. Fig. # 6b.

Los átomos se alinean aun en la ausencia de un campo externo.