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Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
1
Tema 9
Propiedades
magneacuteticas
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
2
William Gilbert De Magnete Magneticisque Corporibus Et De Magno Magnete Tellure (1600)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
3
Experimentos de Oersted y Ampegravere
bull Una corriente eleacutectrica (I) genera un campo magneacutetico (H)bull Las liacuteneas de campo magneacutetico siempre son cerradas
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
4
Campo magneacutetico creado por un solenoide muy largo
El campo magneacutetico (H) en el interior de un solenoide muy largo lleva la direccioacuten axial y es aproximadamente uniforme
IL
NH i =
N nuacutemero de espirasL longitudI corriente
El solenoide tambieacuten crea un campo magneacutetico en el exterior
L
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5
Campos magneacuteticos creados por un solenoide y por un imaacuten
Un solenoide por el que pasa corriente y un imaacuten son relativamente parecidos ambos generan un campo magneacutetico a su alrededor
Los dos se pueden caracterizar por su momento magneacutetico (o momento dipolar magneacutetico) que indica cuaacuten intenso es el efecto magneacutetico sobre su entorno
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Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Cuando a un material se le aplica un campo magneacutetico (p ej ponieacutendolo dentro de un solenoide) se origina en eacutel una magnetizacioacuten o imanacioacuten M
La relacioacuten entre la respuesta (M) y el estiacutemulo (H) es la susceptibilidad χ
M = χmiddot H
En el Sistema Internacional m se mide en [Amiddotm2] M y H en [Amiddotm-1] y χ es adimensional
V
mM =
La imanacioacuten se produce como consecuencia de la presencia de momentos
magneacuteticos microscoacutepicos cada uno de valor m asociados principalmente al spin de los electrones M se define como el momento magneacutetico por unidad de volumen
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Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Otra medida de la respuesta es el campo de induccioacuten magneacutetica B
B = microosdotH + microomiddotM
siendo microo = 4πtimes10-7 TsdotmsdotA-1 la permeabilidad magneacutetica del vaciacuteo
En el SI B se mide en [Tesla]
En ausencia de materia no hay magnetizacioacuten (M = 0) luego B = microosdotH Por analogiacutea se define la permeabilidad magneacutetica del material (micro) a partir de
B = microsdotH
La permeabilidad relativa (adimensional) se define como Es sencillo demostrar que micror = 1+χ
χ y micro pueden ser constantes o bien depender de H
orμ
μμ =
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Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
El tipo de dependencia M(H) caracteriza las distintas familias de materialesmagneacuteticos Equivalentemente se puede usar la dependencia B(H)
bull Materiales diamagneacuteticos χ es negativa (es decir el sentido de M es opuesto al de H) En valor absoluto χ es del orden de 10ndash6 a 10ndash4
bull Materiales paramagneacuteticos χ es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
bull Materiales ferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos χ es positiva y gigante pudiendo llegar a valer 106
Ademaacutes χ depende de H y la relacioacuten M(H) es no lineal e irreversible
De igual modo micro depende de H y B(H) es no lineal e irreversible
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Sistemas de unidades
En electromagnetismo el uso del sistema cgs es maacutes habitual que el del Sistema Internacional (SI) El paso de uno a otro supone un cambio de las unidades y los valores numeacutericos de las magnitudes
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Sistemas de unidades
Pero tambieacuten las expresiones de las ecuaciones son diferenteshellip
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Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
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Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
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Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
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Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
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Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
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M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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William Gilbert De Magnete Magneticisque Corporibus Et De Magno Magnete Tellure (1600)
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Experimentos de Oersted y Ampegravere
bull Una corriente eleacutectrica (I) genera un campo magneacutetico (H)bull Las liacuteneas de campo magneacutetico siempre son cerradas
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Campo magneacutetico creado por un solenoide muy largo
El campo magneacutetico (H) en el interior de un solenoide muy largo lleva la direccioacuten axial y es aproximadamente uniforme
IL
NH i =
N nuacutemero de espirasL longitudI corriente
El solenoide tambieacuten crea un campo magneacutetico en el exterior
L
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5
Campos magneacuteticos creados por un solenoide y por un imaacuten
Un solenoide por el que pasa corriente y un imaacuten son relativamente parecidos ambos generan un campo magneacutetico a su alrededor
Los dos se pueden caracterizar por su momento magneacutetico (o momento dipolar magneacutetico) que indica cuaacuten intenso es el efecto magneacutetico sobre su entorno
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Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Cuando a un material se le aplica un campo magneacutetico (p ej ponieacutendolo dentro de un solenoide) se origina en eacutel una magnetizacioacuten o imanacioacuten M
La relacioacuten entre la respuesta (M) y el estiacutemulo (H) es la susceptibilidad χ
M = χmiddot H
En el Sistema Internacional m se mide en [Amiddotm2] M y H en [Amiddotm-1] y χ es adimensional
V
mM =
La imanacioacuten se produce como consecuencia de la presencia de momentos
magneacuteticos microscoacutepicos cada uno de valor m asociados principalmente al spin de los electrones M se define como el momento magneacutetico por unidad de volumen
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Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Otra medida de la respuesta es el campo de induccioacuten magneacutetica B
B = microosdotH + microomiddotM
siendo microo = 4πtimes10-7 TsdotmsdotA-1 la permeabilidad magneacutetica del vaciacuteo
En el SI B se mide en [Tesla]
En ausencia de materia no hay magnetizacioacuten (M = 0) luego B = microosdotH Por analogiacutea se define la permeabilidad magneacutetica del material (micro) a partir de
B = microsdotH
La permeabilidad relativa (adimensional) se define como Es sencillo demostrar que micror = 1+χ
χ y micro pueden ser constantes o bien depender de H
orμ
μμ =
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8
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
El tipo de dependencia M(H) caracteriza las distintas familias de materialesmagneacuteticos Equivalentemente se puede usar la dependencia B(H)
bull Materiales diamagneacuteticos χ es negativa (es decir el sentido de M es opuesto al de H) En valor absoluto χ es del orden de 10ndash6 a 10ndash4
bull Materiales paramagneacuteticos χ es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
bull Materiales ferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos χ es positiva y gigante pudiendo llegar a valer 106
Ademaacutes χ depende de H y la relacioacuten M(H) es no lineal e irreversible
De igual modo micro depende de H y B(H) es no lineal e irreversible
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Sistemas de unidades
En electromagnetismo el uso del sistema cgs es maacutes habitual que el del Sistema Internacional (SI) El paso de uno a otro supone un cambio de las unidades y los valores numeacutericos de las magnitudes
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Sistemas de unidades
Pero tambieacuten las expresiones de las ecuaciones son diferenteshellip
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Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
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Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
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Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
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Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
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Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
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M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
29
Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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3
Experimentos de Oersted y Ampegravere
bull Una corriente eleacutectrica (I) genera un campo magneacutetico (H)bull Las liacuteneas de campo magneacutetico siempre son cerradas
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4
Campo magneacutetico creado por un solenoide muy largo
El campo magneacutetico (H) en el interior de un solenoide muy largo lleva la direccioacuten axial y es aproximadamente uniforme
IL
NH i =
N nuacutemero de espirasL longitudI corriente
El solenoide tambieacuten crea un campo magneacutetico en el exterior
L
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5
Campos magneacuteticos creados por un solenoide y por un imaacuten
Un solenoide por el que pasa corriente y un imaacuten son relativamente parecidos ambos generan un campo magneacutetico a su alrededor
Los dos se pueden caracterizar por su momento magneacutetico (o momento dipolar magneacutetico) que indica cuaacuten intenso es el efecto magneacutetico sobre su entorno
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6
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Cuando a un material se le aplica un campo magneacutetico (p ej ponieacutendolo dentro de un solenoide) se origina en eacutel una magnetizacioacuten o imanacioacuten M
La relacioacuten entre la respuesta (M) y el estiacutemulo (H) es la susceptibilidad χ
M = χmiddot H
En el Sistema Internacional m se mide en [Amiddotm2] M y H en [Amiddotm-1] y χ es adimensional
V
mM =
La imanacioacuten se produce como consecuencia de la presencia de momentos
magneacuteticos microscoacutepicos cada uno de valor m asociados principalmente al spin de los electrones M se define como el momento magneacutetico por unidad de volumen
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7
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Otra medida de la respuesta es el campo de induccioacuten magneacutetica B
B = microosdotH + microomiddotM
siendo microo = 4πtimes10-7 TsdotmsdotA-1 la permeabilidad magneacutetica del vaciacuteo
En el SI B se mide en [Tesla]
En ausencia de materia no hay magnetizacioacuten (M = 0) luego B = microosdotH Por analogiacutea se define la permeabilidad magneacutetica del material (micro) a partir de
B = microsdotH
La permeabilidad relativa (adimensional) se define como Es sencillo demostrar que micror = 1+χ
χ y micro pueden ser constantes o bien depender de H
orμ
μμ =
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8
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
El tipo de dependencia M(H) caracteriza las distintas familias de materialesmagneacuteticos Equivalentemente se puede usar la dependencia B(H)
bull Materiales diamagneacuteticos χ es negativa (es decir el sentido de M es opuesto al de H) En valor absoluto χ es del orden de 10ndash6 a 10ndash4
bull Materiales paramagneacuteticos χ es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
bull Materiales ferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos χ es positiva y gigante pudiendo llegar a valer 106
Ademaacutes χ depende de H y la relacioacuten M(H) es no lineal e irreversible
De igual modo micro depende de H y B(H) es no lineal e irreversible
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9
Sistemas de unidades
En electromagnetismo el uso del sistema cgs es maacutes habitual que el del Sistema Internacional (SI) El paso de uno a otro supone un cambio de las unidades y los valores numeacutericos de las magnitudes
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10
Sistemas de unidades
Pero tambieacuten las expresiones de las ecuaciones son diferenteshellip
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11
Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
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12
Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
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13
Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
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14
Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
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17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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18
Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
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M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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Campo magneacutetico creado por un solenoide muy largo
El campo magneacutetico (H) en el interior de un solenoide muy largo lleva la direccioacuten axial y es aproximadamente uniforme
IL
NH i =
N nuacutemero de espirasL longitudI corriente
El solenoide tambieacuten crea un campo magneacutetico en el exterior
L
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5
Campos magneacuteticos creados por un solenoide y por un imaacuten
Un solenoide por el que pasa corriente y un imaacuten son relativamente parecidos ambos generan un campo magneacutetico a su alrededor
Los dos se pueden caracterizar por su momento magneacutetico (o momento dipolar magneacutetico) que indica cuaacuten intenso es el efecto magneacutetico sobre su entorno
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Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Cuando a un material se le aplica un campo magneacutetico (p ej ponieacutendolo dentro de un solenoide) se origina en eacutel una magnetizacioacuten o imanacioacuten M
La relacioacuten entre la respuesta (M) y el estiacutemulo (H) es la susceptibilidad χ
M = χmiddot H
En el Sistema Internacional m se mide en [Amiddotm2] M y H en [Amiddotm-1] y χ es adimensional
V
mM =
La imanacioacuten se produce como consecuencia de la presencia de momentos
magneacuteticos microscoacutepicos cada uno de valor m asociados principalmente al spin de los electrones M se define como el momento magneacutetico por unidad de volumen
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7
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Otra medida de la respuesta es el campo de induccioacuten magneacutetica B
B = microosdotH + microomiddotM
siendo microo = 4πtimes10-7 TsdotmsdotA-1 la permeabilidad magneacutetica del vaciacuteo
En el SI B se mide en [Tesla]
En ausencia de materia no hay magnetizacioacuten (M = 0) luego B = microosdotH Por analogiacutea se define la permeabilidad magneacutetica del material (micro) a partir de
B = microsdotH
La permeabilidad relativa (adimensional) se define como Es sencillo demostrar que micror = 1+χ
χ y micro pueden ser constantes o bien depender de H
orμ
μμ =
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8
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
El tipo de dependencia M(H) caracteriza las distintas familias de materialesmagneacuteticos Equivalentemente se puede usar la dependencia B(H)
bull Materiales diamagneacuteticos χ es negativa (es decir el sentido de M es opuesto al de H) En valor absoluto χ es del orden de 10ndash6 a 10ndash4
bull Materiales paramagneacuteticos χ es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
bull Materiales ferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos χ es positiva y gigante pudiendo llegar a valer 106
Ademaacutes χ depende de H y la relacioacuten M(H) es no lineal e irreversible
De igual modo micro depende de H y B(H) es no lineal e irreversible
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Sistemas de unidades
En electromagnetismo el uso del sistema cgs es maacutes habitual que el del Sistema Internacional (SI) El paso de uno a otro supone un cambio de las unidades y los valores numeacutericos de las magnitudes
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10
Sistemas de unidades
Pero tambieacuten las expresiones de las ecuaciones son diferenteshellip
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Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
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Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
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Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
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Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
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Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
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M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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26
Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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29
Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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5
Campos magneacuteticos creados por un solenoide y por un imaacuten
Un solenoide por el que pasa corriente y un imaacuten son relativamente parecidos ambos generan un campo magneacutetico a su alrededor
Los dos se pueden caracterizar por su momento magneacutetico (o momento dipolar magneacutetico) que indica cuaacuten intenso es el efecto magneacutetico sobre su entorno
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6
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Cuando a un material se le aplica un campo magneacutetico (p ej ponieacutendolo dentro de un solenoide) se origina en eacutel una magnetizacioacuten o imanacioacuten M
La relacioacuten entre la respuesta (M) y el estiacutemulo (H) es la susceptibilidad χ
M = χmiddot H
En el Sistema Internacional m se mide en [Amiddotm2] M y H en [Amiddotm-1] y χ es adimensional
V
mM =
La imanacioacuten se produce como consecuencia de la presencia de momentos
magneacuteticos microscoacutepicos cada uno de valor m asociados principalmente al spin de los electrones M se define como el momento magneacutetico por unidad de volumen
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7
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Otra medida de la respuesta es el campo de induccioacuten magneacutetica B
B = microosdotH + microomiddotM
siendo microo = 4πtimes10-7 TsdotmsdotA-1 la permeabilidad magneacutetica del vaciacuteo
En el SI B se mide en [Tesla]
En ausencia de materia no hay magnetizacioacuten (M = 0) luego B = microosdotH Por analogiacutea se define la permeabilidad magneacutetica del material (micro) a partir de
B = microsdotH
La permeabilidad relativa (adimensional) se define como Es sencillo demostrar que micror = 1+χ
χ y micro pueden ser constantes o bien depender de H
orμ
μμ =
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8
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
El tipo de dependencia M(H) caracteriza las distintas familias de materialesmagneacuteticos Equivalentemente se puede usar la dependencia B(H)
bull Materiales diamagneacuteticos χ es negativa (es decir el sentido de M es opuesto al de H) En valor absoluto χ es del orden de 10ndash6 a 10ndash4
bull Materiales paramagneacuteticos χ es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
bull Materiales ferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos χ es positiva y gigante pudiendo llegar a valer 106
Ademaacutes χ depende de H y la relacioacuten M(H) es no lineal e irreversible
De igual modo micro depende de H y B(H) es no lineal e irreversible
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9
Sistemas de unidades
En electromagnetismo el uso del sistema cgs es maacutes habitual que el del Sistema Internacional (SI) El paso de uno a otro supone un cambio de las unidades y los valores numeacutericos de las magnitudes
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10
Sistemas de unidades
Pero tambieacuten las expresiones de las ecuaciones son diferenteshellip
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11
Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
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12
Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
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13
Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
14
Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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15
Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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16
Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
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17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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18
Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
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M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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6
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Cuando a un material se le aplica un campo magneacutetico (p ej ponieacutendolo dentro de un solenoide) se origina en eacutel una magnetizacioacuten o imanacioacuten M
La relacioacuten entre la respuesta (M) y el estiacutemulo (H) es la susceptibilidad χ
M = χmiddot H
En el Sistema Internacional m se mide en [Amiddotm2] M y H en [Amiddotm-1] y χ es adimensional
V
mM =
La imanacioacuten se produce como consecuencia de la presencia de momentos
magneacuteticos microscoacutepicos cada uno de valor m asociados principalmente al spin de los electrones M se define como el momento magneacutetico por unidad de volumen
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7
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Otra medida de la respuesta es el campo de induccioacuten magneacutetica B
B = microosdotH + microomiddotM
siendo microo = 4πtimes10-7 TsdotmsdotA-1 la permeabilidad magneacutetica del vaciacuteo
En el SI B se mide en [Tesla]
En ausencia de materia no hay magnetizacioacuten (M = 0) luego B = microosdotH Por analogiacutea se define la permeabilidad magneacutetica del material (micro) a partir de
B = microsdotH
La permeabilidad relativa (adimensional) se define como Es sencillo demostrar que micror = 1+χ
χ y micro pueden ser constantes o bien depender de H
orμ
μμ =
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8
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
El tipo de dependencia M(H) caracteriza las distintas familias de materialesmagneacuteticos Equivalentemente se puede usar la dependencia B(H)
bull Materiales diamagneacuteticos χ es negativa (es decir el sentido de M es opuesto al de H) En valor absoluto χ es del orden de 10ndash6 a 10ndash4
bull Materiales paramagneacuteticos χ es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
bull Materiales ferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos χ es positiva y gigante pudiendo llegar a valer 106
Ademaacutes χ depende de H y la relacioacuten M(H) es no lineal e irreversible
De igual modo micro depende de H y B(H) es no lineal e irreversible
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9
Sistemas de unidades
En electromagnetismo el uso del sistema cgs es maacutes habitual que el del Sistema Internacional (SI) El paso de uno a otro supone un cambio de las unidades y los valores numeacutericos de las magnitudes
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10
Sistemas de unidades
Pero tambieacuten las expresiones de las ecuaciones son diferenteshellip
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11
Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
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12
Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
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Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
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Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
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Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
26
Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
29
Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
7
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
Otra medida de la respuesta es el campo de induccioacuten magneacutetica B
B = microosdotH + microomiddotM
siendo microo = 4πtimes10-7 TsdotmsdotA-1 la permeabilidad magneacutetica del vaciacuteo
En el SI B se mide en [Tesla]
En ausencia de materia no hay magnetizacioacuten (M = 0) luego B = microosdotH Por analogiacutea se define la permeabilidad magneacutetica del material (micro) a partir de
B = microsdotH
La permeabilidad relativa (adimensional) se define como Es sencillo demostrar que micror = 1+χ
χ y micro pueden ser constantes o bien depender de H
orμ
μμ =
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
8
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
El tipo de dependencia M(H) caracteriza las distintas familias de materialesmagneacuteticos Equivalentemente se puede usar la dependencia B(H)
bull Materiales diamagneacuteticos χ es negativa (es decir el sentido de M es opuesto al de H) En valor absoluto χ es del orden de 10ndash6 a 10ndash4
bull Materiales paramagneacuteticos χ es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
bull Materiales ferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos χ es positiva y gigante pudiendo llegar a valer 106
Ademaacutes χ depende de H y la relacioacuten M(H) es no lineal e irreversible
De igual modo micro depende de H y B(H) es no lineal e irreversible
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
9
Sistemas de unidades
En electromagnetismo el uso del sistema cgs es maacutes habitual que el del Sistema Internacional (SI) El paso de uno a otro supone un cambio de las unidades y los valores numeacutericos de las magnitudes
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
10
Sistemas de unidades
Pero tambieacuten las expresiones de las ecuaciones son diferenteshellip
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
11
Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
12
Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
13
Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
14
Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
15
Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
16
Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
18
Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
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21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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8
Respuesta de los materiales a un campo magneacutetico
El tipo de dependencia M(H) caracteriza las distintas familias de materialesmagneacuteticos Equivalentemente se puede usar la dependencia B(H)
bull Materiales diamagneacuteticos χ es negativa (es decir el sentido de M es opuesto al de H) En valor absoluto χ es del orden de 10ndash6 a 10ndash4
bull Materiales paramagneacuteticos χ es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
bull Materiales ferromagneacuteticos y ferrimagneacuteticos χ es positiva y gigante pudiendo llegar a valer 106
Ademaacutes χ depende de H y la relacioacuten M(H) es no lineal e irreversible
De igual modo micro depende de H y B(H) es no lineal e irreversible
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9
Sistemas de unidades
En electromagnetismo el uso del sistema cgs es maacutes habitual que el del Sistema Internacional (SI) El paso de uno a otro supone un cambio de las unidades y los valores numeacutericos de las magnitudes
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
10
Sistemas de unidades
Pero tambieacuten las expresiones de las ecuaciones son diferenteshellip
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11
Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
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12
Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
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13
Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
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14
Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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15
Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
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17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
26
Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
29
Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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9
Sistemas de unidades
En electromagnetismo el uso del sistema cgs es maacutes habitual que el del Sistema Internacional (SI) El paso de uno a otro supone un cambio de las unidades y los valores numeacutericos de las magnitudes
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10
Sistemas de unidades
Pero tambieacuten las expresiones de las ecuaciones son diferenteshellip
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
11
Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
12
Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
13
Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
14
Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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15
Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
16
Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
18
Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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Sistemas de unidades
Pero tambieacuten las expresiones de las ecuaciones son diferenteshellip
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Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
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12
Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
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Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
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Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
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Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
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21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
11
Magnetismo de los elementos
La mayor parte de los elementos de la tabla perioacutedica tiene comportamiento diamagneacutetico o paramagneacutetico
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
12
Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
13
Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
14
Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
15
Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
16
Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
18
Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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26
Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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29
Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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12
Diamagnetismo
Es la forma maacutes deacutebil de magnetismo Todos los materiales la presentan pero soacutelo es visible en aquellos cuyos aacutetomos no tienen momento magneacutetico neto
Se manifiesta como una tenue fuerza repulsiva que experimentan los materiales en presencia de un campo magneacutetico H externo
Ejemplos χd(Cu) = -096times10-5 χd(Hg) = -285times10-5 χd(Bi) = -166times10-4
χd(Si) = -41times10-6 χd(grafito) = -16times10-5 χd(H2O) = -09times10-5
Desde el punto de vista microscoacutepico el diamagnetismo aparece porque los aacutetomos generan un pequentildeo momento magneacutetico que se opone al campo aplicado
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13
Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
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14
Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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15
Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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16
Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
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Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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13
Diamagnetismo
Sus aplicaciones son escasas pero un material diamagneacutetico puede levitar
en presencia de un campo magneacutetico intenso
High-field magnet laboratoryUniversity of Nijmegen (The Netherlands)
(httpwwwrunlhfml)Andre Geim(premio IG Nobel 2000y premio Nobel de Fiacutesica 2010)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
14
Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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15
Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
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17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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18
Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
26
Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
29
Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
14
Paramagnetismo
Lo presentan los materiales que contienen aacutetomos con momentos magneacuteticos
permanentes pero que interaccionan muy deacutebilmente entre siacute
Cuando H=0 los momentos estaacuten orientados al azar por la agitacioacuten teacutermica con lo que en conjunto el material presenta M=0 La aplicacioacuten de un campo magneacutetico externo H hace alinear los momentos El grado de alineamiento (y por tanto M) es mayor cuanto mayor es H y menor es la temperatura (T)
H = 0
M = 0
La susceptibilidad paramagneacutetica (χp) es positiva y del orden de 10ndash5 a 10ndash3
H
M ne 0
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15
Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
16
Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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18
Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
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21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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15
Ferromagnetismo
Algunos materiales presentan un comportamiento magneacutetico muy diferente del diamagnetismo y el paramagnetismo son ferromagneacuteticos
El ferromagnetismo se caracteriza por
bull Los aacutetomos tienen momentos magneacuteticos permanentes que interaccionan
fuertemente entre siacute
bull Puede haber magnetizacioacuten espontaacutenea es decir para H = 0
bull Las curvas M(H) son no lineales e irreversibles presentan histeacuteresis
bull Los valores maacuteximos de susceptibilidad (χ) son varios oacuterdenes de magnitud mayores que en el paramagnetismo y diamagnetismo (pueden llegar a 106)
Pocos elementos puros son ferromagneacuteticos a Tordf ambiente Fe Co Ni y Gd
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Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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16
Ferromagnetismo saturacioacuten
La magnetizacioacuten de saturacioacuten es la maacutexima que puede alcanzar un material ferromagneacutetico a una temperatura dada
Corresponde a la situacioacuten en la que todos los momentos estaacuten alineados en la misma direccioacuten
El alineamiento paralelo es una consecuencia de la interaccioacuten de intercambio
Se trata de un interaccioacuten muy intensa y de corto alcance entre los momentos magneacuteticos microscoacutepicos debida a un efecto cuaacutentico asociado con el solapamiento de los orbitales
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
18
Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
26
Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
29
Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
17
Dependencia con la temperatura
La magnetizacioacuten de un material ferromagneacutetico disminuye al aumentar la temperatura siguiendo una curva del tipo
El comportamiento ferromagneacutetico desaparece al alcanzar la temperatura de Curie (Tc)
M
T
Tc
Niacutequel
Tc = 631 KLey de Curie-Weiss
(T gt Tc)cT-T
C=χ
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Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
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21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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Dependencia con la temperatura
Tc para Fe Co Ni y Fe3O4 768 1120 358 y 585 ordmC
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Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
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Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
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21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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19
Ferromagnetismo curva de histeacuteresis M(H)
La curva M(H) en un material ferromagneacutetico es no lineal e irreversible Presenta un caracteriacutestico ciclo de histeacuteresis
Msat
M
H
Mr
Hc
La histeacuteresis es consecuencia de la estructura de dominios
Msat imanacioacuten de saturacioacutenMr imanacioacuten remanenteHc campo coercitivo
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
26
Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
29
Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
20
Dominios e histeacuteresis
Antes de aplicar campo por primera vez las magnetizaciones de los dominios se cancelan entre siacute (1)
Al aplicar campo se producen desplazamientos de paredes que hacen crecer el tamantildeo de los dominios con direcciones proacuteximas a la del campo (2)
Para un campo intenso se acaba formando un uacutenico dominio (3)
En uacuteltimo teacutermino los momentos del dominio se alinean completamente con el campo aplicado obtenieacutendose M = Msat (4)
MMsat
H1
2
34
H
H
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
21
M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
22
Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
23
Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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M
H
Mr
Hc
Msat
B
H
Br
Hc
Bsat
B(H) = microoH + microomiddotM(H)
Ferromagnetismo curvas de histeacuteresis M(H) y B(H)
Anaacutelogamente la curva B(H) muestra histeacuteresis
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Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
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Resumen graacutefico
Paramagnetismo Antiferromagnetismo
Sin magnetizacioacuten espontaacutenea
Ferromagnetismo Ferrimagnetismo
Con magnetizacioacuten espontaacutenea
Zona lineal B(H)
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Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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Materiales magneacuteticos duros y blandos
De los materiales magneacuteticos se dice que son blandos cuando tienen ciclos de histeacuteresis estrechos con valores pequentildeos de Hc
Por el contrario son magneacuteticamente duros si su ciclo es ancho con valores elevados de Hc
B
H
Blando
Duro
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Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
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AT =sdot
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bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
30
Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
3131
Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
32
Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
24
Materiales magneacuteticos duros
Se usan como imanes permanentes Una vez magnetizados por aplicacioacuten de un campo H intenso tienen gran resistencia a desmagnetizarse
Poseen alta coercitividad (Hc asymp 103-106 Am)
Aplicaciones altavoces receptores de teleacutefono motores llaves magneacuteticas bruacutejulas grabacioacuten magneacutetica tarjetas de creacutedito etc
Se caracterizan por varios paraacutemetros
bull Temperatura de Curie Tc (por encima de ella se desmagnetizan)bull Coercitividad fuerza coercitiva o campo coercitivo Hc
bull Remanencia o induccioacuten remanente Br
bull Curva de desmagnetizacioacuten y producto energeacutetico maacuteximo (BsdotH)maacutex
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25
Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
26
Principales materiales magneacuteticos duros
Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
27
Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
28
Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
Principales materiales magneacuteticos blandos
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
APANTALLAMIENTO DEL CAMPO MAGNEacuteTICO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
APLICACIONES
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Principales materiales magneacuteticos duros
Alnicos familia de aleaciones ferromagneacuteticas basadas en Fe con Al Ni y Co pudiendo contener ademaacutes Cu y Ti
Hc = 40-160 kAm Br = 07-135 T (BsdotH)maacutex = 10-70 kJm3 Tc= 810-860 ordmC
Ferritas duras SrFe12O19 y BaFe12O19 Aislantes eleacutectricas poco densas econoacutemicas y resistentes a altas temperaturas y a la corrosioacuten
Hc = 150-290 kAm Br = 023-041 T (BsdotH)maacutex = 8-30 kJm3 Tc= 450 ordmC
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Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
AT =sdot
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Principales materiales magneacuteticos blandos
bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
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del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
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Aleaciones basadas en tierras raras SmCo5 Sm2(CoCu)17 y Nd2Fe14B
Eacutestas uacuteltimas son los imanes permanente comerciales maacutes potentes
Hc = 760-1030 kAm Br = 1-14 T (BsdotH)maacutex = 190-400 kJm3 Tc asymp 310 ordmC Limitaciones fraacutegiles sensibles a la corrosioacuten y no aptos para alta temperatura
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Materiales magneacuteticos blandos
Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
m
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bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
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En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
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Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
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SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
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Se magnetizan y desmagnetizan faacutecilmente con campos pequentildeos tienen baja
coercitividad (Hc lt 103 Am) y alta permeabilidad (microir asymp 103-106)
Son adecuados para aplicaciones en corriente alterna motores nuacutecleos de transformadores generadores inductores electroimanes releacutes etc
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
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bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
RMN y RMIAceleradores (LHC
del CERN)MAGLEV
SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
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Disipacioacuten por histeacuteresis
El aacuterea del ciclo de histeacuteresis representa la energiacutea disipada en un ciclo por unidad de volumen asiacute que los materiales blandos disipan poca energiacutea
La potencia disipada por histeacuteresis es proporcional a la frecuenciaEn aplicaciones de alta frecuencia Hc debe ser muy bajo
Si ademaacutes las peacuterdidas son debidas a corrientes paraacutesitas (de Foucault) se requieren materiales aislantes como las ferritas blandas Ej transformadores de alta frecuencia3m
J
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bull Fe y aleaciones de Fe-Sibull Ferritas blandas bull Aleaciones Fe-Ni
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Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
bull Permalloy 45 55 Fe - 45 NiHc = 24 Am microir = 2500 micromaacutexr = 25000 Bs = 16 T
bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
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Superconductividad
En los metales ρ rarr cte si T rarr 0
1911 Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en el Hg ρ = 0 aTC = 415 K
1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
RESISTENCIA CERO
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CablesMotores y generadores
TransformadoresAerogeneradores
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SQUIDEncefalogramasGeomagnetismo
Procesos de levitacioacuten superconductor-imaacuten
Sistemas de transporteVolantes de inercia a
alta velocidad
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Fe y aleaciones de Fe-Si Fe con 3-4 de SiHc = 5-40 Am Bs asymp 2 T microir = 500-1500
Ferritas blandas Ni1-xZnxFe2O4 y Mn1-yZnyFe2O4
Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
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bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
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1933 efecto MeissnerEl material al hacerse superconductor expulsa el campo magneacutetico de su interior diamagnetismo perfecto (χ = minus1)
bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
Portadores de carga pares de electrones acoplados a la red de fonones pares de Cooper
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CablesMotores y generadores
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Hc = 15-75 Am Bs = 02-05 T microir = 15-20000Principal ventaja son aislantes
Aleaciones Fe-Ni
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bull Mu-metal 75 Ni ndash 18 Fe ndash 5 Cu ndash 2 CrHc = 12 Am microir = 30000 micromaacutexr = 300000 Bs = 08 T
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Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
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bull Superconductividad siT lt T CRITICAH lt H CRITICOJ lt J CRITICA
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Propiedades magneacuteticas Aacuterea de Ciencia de Materiales e I ngenieriacutea Metaluacutergica
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Superconductividad
Generacioacuten y distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica
Generacioacuten de altos campos magneacuteticos
Deteccioacuten de pequentildeos campos magneacuteticos
CablesMotores y generadores
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