INTRODUCCION

Estrictamente hablando, no existe ningún material “no magnético”. En este mundo, todos los materiales están formados por átomos; los átomos, a su vez, están formados por electrones que giran a su alrededor igual que un ciclo portador de corriente que genera un campo magnético. Así, todo material responde a un campo magnético. La escala con la cual se presenta esta respuesta de electrones y de átomos en un material determina si éste será muy magnético o poco magnético. Los materiales como el Fe, Ni, Co y algunas de sus aleaciones son ejemplos de materiales ferromagnéticos. Muchos materiales cerámicos, como la ferrita de níquel zinc y la ferrita de manganeso zinc, son ejemplos de materiales ferrimagnéticos. Si alguien en algún momento utiliza el término “no magnético”, significa que el material no es ni ferromagnético ni ferrimagnético. Estos materiales “no magnéticos” se clasifican como diamagnéticos (por ejemplo, los superconductores) o paramagnéticos.

En algunos casos, también encontramos materiales que son antiferromagnéticos o superparamagnéticos. Analizaremos estas diferentes clases de materiales y sus aplicaciones un poco más adelante en este capítulo. Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos suelen subclasificarse en materiales magnéticos suaves o duros. El hierro de elevada pureza y los aceros al carbono son ejemplos de materiales magnéticamente suaves, ya que se pueden magnetizar, pero cuando se elimina su fuente de magnetización, pierden su comportamiento magnético.

Los imanes permanentes o los materiales magnéticos duros conservan su magnetización. Se trata de “imanes” puros. Muchas ferritas cerámicas se utilizan para fabricar imanes económicos pasa refrigeradores. Un material magnético duro no pierde su comportamiento magnético con facilidad.

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA

Momento magnético

Magnetización

Susceptibilidad magnética

CLASIFICACIÓN DE LAS SUSTANCIAS MAGNÉTICAS

DIAMAGNETISMO

PARAMAGNETISMO

FERROMAGNETISMO

ANTIFERROMAGNETISMO

FERRIMAGNETISMO

TEMPERATURA CURIE

TABLA DE TEMPERATURAS CURIE PARA VARIAS SUSTANCIAS

FERROMAGNÉTICAS

- APLICACIONES

BIBLIOGRAFÍA

PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA MATERIA

Momento magnético

El momento magnético de un elemento puntual es un vector que en presencia de un campo magnético, se relaciona con el torque de alineación de ambos vectores en el punto en el que se sitúa el elemento. El vector de campo magnético a utilizarse es el B denominado como Inducción Magnética o Densidad de Flujo Magnético

La Magnetización M

Representa el incremento en la inductancia debido al material del núcleo, por lo que podemos volver a escribir la ecuación para la inductancia como:

B: μ0 H + μ0 M

La primera parte de esta ecuación es simplemente el efecto del campo magnético aplicado; la segunda parte es el efecto del material magnético presente. Esto es parecido a nuestro análisis sobre la polarización dieléctrica y el comportamiento mecánico de los materiales. En los materiales, los esfuerzos causan deformaciones, los campos eléctricos inducen (E) polarización dieléctrica (P) y un campo magnético (H) causa magnetización que contribuye a la densidad de flujo total B.

Permeabilidad magnética

La permeabilidad magnética es la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través suyo los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la intensidad de campo magnético existente y la inducción magnética que aparece en el interior de dicho material.El grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético, se denomina permeabilidad absoluta y suele representarse por el símbolo μ:

Donde B es el momento magnético en el material, y H es intensidad de campo magnético.

La susceptibilidad magnética Xm´ que es la relación entre la magnetización y el campo aplicado, proporciona la amplificación producida por el material:

Tanto μr como Xm se refieren al grado en el cual el material aumenta el campo magnético y están, por lo tanto, relacionados por:

μr = 1 + χm

CLASIFICACIÓN DE LAS SUSTANCIAS MAGNÉTICAS

Las sustancias pueden clasificarse dentro de tres categorías, dependiendo de sus propiedades magnéticas. Los materiales paramagnéticos y ferromagnéticos están constituidos por átomos con momentos magnéticos permanentes. Los materiales diamagnéticos contienen átomos que no poseen momentos magnéticos permanentes.Para sustancias paramagnéticas y diamagnéticas, el vector de magnetización M es proporcional a la intensidad del campo magnético H. Para estas sustancias, cuando están colocadas en un campo magnético externo, podemos escribir

M = Χ H

Donde Χ (letra griega chi) es un factor sin dimensiones llamado susceptibilidad magnética. Puede considerarse como una medida de lo susceptible que es un

material para su magnetización. En el caso de sustancias paramagnéticas, Χ

es positiva y M está en la misma dirección que H. Para sustancias diamagnéticas, Χ es negativa y M es opuesta a H

FERROMAGNETISMO

Unas pocas sustancias cristalinas exhiben fuertes efectos magnéticos, lo que se conoce como ferromagnetismo. Algunos ejemplos de sustancias ferromagnéticas son el hierro, el cobalto, el níquel, el gadolinio y el disprosio. Estas sustancias contienen momentos magnéticos atómicos permanentes que tienden a alinearse paralelamente uno con otro incluso en presencia de un campo magnético externo débil. Una vez alineados los momentos, la sustancia se mantiene magnetizada después de haberse retirado el campo extemo. Esta alineación permanente se debe a un fuerte acoplamiento entre momentos vecinos, el cual puede entenderse sólo en términos de la mecánica cuántica.

Todos los materiales ferromagnéticos están constituidos por regiones microscópicas llamadas dominios, regiones dentro de las cuales todos los momentos magnéticos están alineados. Los límites entre diversos dominios con orientaciones diferentes se llaman paredes del dominio. En una muestra no magnetizada, los momentos magnéticos en los dominios están orientados al azar para que el momento magnético neto sea igual a cero. Cuando la muestra se coloca en un campo magnético externo B0, crece el tamaño de aquellos dominios que tienen momentos magnéticos alineados con el campo, lo que da como resultado una muestra magnetizada.

Conforme el campo magnético se vuelve más fuerte, los dominios en los cuales los momentos magnéticos no están alineados con el campo se vuelven muy pequeños. Cuando se retira el campo magnético externo, la muestra puede retener una magnetización neta en la dirección del campo original. A temperaturas normales, la agitación térmica no es suficiente para alterar esta orientación de los momentos magnéticos.

Un arreglo experimental típico utilizado para medir las propiedades de un material ferromagnético está formado por un toroide hecho de un material al cual se le han enrollado N vueltas de alambre, como se muestra en la figura, donde los embobinados, que se conocen como bobina primaria, están representados en negro. A este aparato se le conoce a veces como anillo de Rowland. Para medir el flujo magnético total a través del toroide se utiliza una bobina secundaria conectada a un galvanómetro. El campo magnético E del toroide se mide aumentando la corriente en el toroide de cero a 1 Conforme cambia la corriente, el flujo magnético a través de la bobina secundaria cambia en una cantidad BA, donde A es el área de la sección transversal del toroide. Debido a este flujo cambiante, se induce una Fem. proporcional a la rapidez de cambio del flujo magnético en la bobina secundaria. Si el galvanómetro está correctamente calibrado, puede obtenerse un valor para B correspondiente a cualquier valor de la corriente de la bobina primaria. El campo magnético B se mide primero sin el toroide y después con él en posición. A partir de la comparación de estas dos mediciones se obtienen entonces las propiedades magnéticas del material del toroide.

Figura: Arreglo de embobinado toroidal utilizado para medir las propiedadesMagnéticas de un material. El toroide esta hecho del material bajo estudio, y elCircuito que contiene el galvanómetro mide el flujo magnético.

El ferromagnetismo lo presentan los metales de transición como lo son el hierro, ferrita, cobalto, níquel y algunos elementos de las tierras raras tales como el galodinio. Los materiales ferromagnéticos pueden tener susceptibilidades tan altas como 106.

DIAMAGNETISMO Y PARAMAGNETISMO

El principio de exclusión de Pauli es uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica y se comprueba con una simple observación. Si los dos electrones del orbital 1s de un átomo de helio tuvieran el mismo espín, o espines paralelos sus campos magnéticos netos se reforzarían mutuamente. Esta distribución haría del helio un gas paramagnético (figura 1a). Las sustancias paramagnéticas son aquellas que contienen espines no apareados y son atraídas por un imán. Por otra parte, silos espines del electrón están apareados o son antiparalelos, los efectos magnéticos se cancelan y el átomo es diamagnético (figura 1b). Las sustancias diamagnéticas no contienen espines no apareados y son repelidas ligeramente por un imán.

Las mediciones de las propiedades magnéticas proporcionan la evidencia más directa de las configuraciones electrónicas específicas de los elementos. El progreso alcanzado en el diseño de instrumentos en los últimos 30 años permite no sólo determinar si un átomo es paramagnético, sino también saber cuántos electrones no apareados están presentes.Los resultados experimentales indican que el átomo de helio es diamagnético en su estado fundamental. Por lo tanto, los dos electrones en el orbital ls deben estar apareados de acuerdo con el principio de exclusión de Pauli y el gas de helio es diamagnético. Conviene tener presente que cualquier átomo que tenga un número impar de electrones siempre tendrá uno o mas espines no apareados ya que se necesita un numero par de electrones para completar el apareamiento.

Figura 1 El espín a) paralelo y b) antiparalelo de dos electrones.En a), los dos campos magnéticos se refuerzan entre si. En b), los dos campos magnéticos se cancelan entre sí.

ANTIFERROMAGNETISMO:

En materiales como el manganeso, el cromo, el MnO y el NiO, los momentos magnéticos producidos en bipolos vecinos se alinean oponiéndose unos a los otros, aun cuando la intensidad de cada dipolo sea muy elevada. Este efecto se ilustra para el caso del MnO en la figura 2. Estos materiales son antiferromagnéticos y tienen una magnetización igual a cero. La susceptibilidad magnética es positiva y pequeña. También el CoO y el MnCl2 son ejemplos de materiales antiferromagnéticos.

FERRIMAGNETÍSMO:

En los materiales cerámicos, los distintos iones tienen momentos magnéticos diferentes. En un campo magnético, los dipolos del catión A pueden alinearse con el campo, en tanto que los dipolos del catión B se oponen al campo. Pero, debido a que la intensidad o el número de dipolos no son iguales, el resultado es una magnetización neta. Los materiales ferrimagnéticos pueden proporcionar una buena amplificación del campo impuesto. En una sección posterior, veremos un grupo de materiales cerámicos llamado ferritas que tienen este comportamiento. Muestran una gran susceptibilidad magnética dependiendo del campo magnético que es similar a la de los materiales ferromagnéticos. También muestran un comportamiento Curie-Weiss (similar al de los materiales ferromagnéticos) cuando están a temperaturas por encima de

Figura 2.La estructura cristalina del MnO está formada por capas alternas de planos de tipo {111} de iones de oxígeno yde manganeso. Los momentos magnéticos de los iones de manganeso en cada plano alterno (111) están alineadosen oposición. En consecuencia, el MnO es antiferromagnético.

la temperatura de transición de Curie. La mayoría de los materiales ferrimagnéticos son cerámicos y buenos aislantes eléctricos. Por tanto, en estos materiales las pérdidas eléctricas (conocidas como pérdidas por corrientes de Foucault o parásitas) son mucho menores en comparación con las de los materiales ferromagnéticos metálicos. Es por eso que las ferritas se utilizan en muchas aplicaciones de alta frecuencia.

SUPERPARAMAGNETISMO:

Cuando el tamaño del grano de los ferromagnéticos y de los ferrimagnéticos disminuye por debajo de un cierto tamaño crítico, estos materiales se comportan como si fueran paramagnéticos. La energía del dipolo magnético de cada partícula se vuelve comparable a la energía térmica. Este pequeño momento magnético cambia su dirección de manera aleatoria (como resultado de la energía térmica). Es por eso que el material se comporta como si no tuviera un momento magnético neto. Esto se conoce como superparamagnetismo. Entonces, si producimos partículas de óxido de hierro (Fe304) de un tamaño de 3 a 5 nm, se comportan como materiales superparamagnéticos. Estas partículas superparmagnéticas de óxido de hierro se utilizan para formar dispersiones en las fases portadoras acuosas u orgánicas, o para formar “imanes líquidos” o ferrofluidos. Las partículas en fluido se mueven en respuesta a un gradiente en el campo magnético. Sin embargo, dado q las partículas forman una solución estable, se mueve toda la dispersión y, entonces, el material se comporta como un imán líquido. Estos tipos de materiales se utilizan en los sellos las unidades de disco duro de las computadoras y en los altoparlantes como medios de transferencia térmica (de enfriamiento). El imán permanente utilizado en un altoparlante mantiene los imanes líquidos en su lugar. Las partículas superparamagnéticas del óxido de hierro (FeO) también pueden recubrirse con diferentes productos químicos y utilizarse para separar moléculas, proteínas y celdas de ADN de otras moléculas.

LA TEMPERATURA DE CURIE

Cuando se incrementa la temperatura de un material ferromagnético o ferrimagnético, la energía térmica adicional incrementa la movilidad de los dominios, facilitándoles su alineación, pero también impidiendo que se conserven alineados cuando se elimina el campo. En consecuencia, tanto la magnetización de saturación como la remanencia y el campo coercitivo disminuyen todos a temperaturas elevadas (Fig. 3).

Fig.3 Efecto de la temperatura sobre (a) el ciclo de histéresis y (b) la remanencia. El comportamiento ferromagnético desaparece por encima de la

temperatura de Curie.

Efecto del material del núcleo sobre la densidad de flujo. En los materiales diamagnéticos el momento magnético se opone a campo. Para una misma intensidad:de campo se presentan momentos progresivamente más elevados en los materiales paramagnéticos, ferrimagnéticos y ferromagnéticos.

Si la temperatura excede la temperatura de Curie (T), ya no se presenta comportamiento ferromagnético o ferrimagnético. En cambio, el material se comporta como paramagnético. La temperatura de Curie (tabla 1), que depende del material, puede modificarse utilizando elementos de aleación. Los científicos franceses Marie y Pierre Curie (el único matrimonio que obtuvo un premio Nobel; Marie Curie realmente ganó dos premios Nobel) hicieron investigaciones sobre los imanes, y la temperatura de Curie hace honor a sus nombres. Los dipolos pueden de todas maneras alinearse en un campo magnético por encima de la temperatura de Curie, pero se alinean de manera aleatoria al eliminar el campo magnético.

APLICACIONES DE LOS MATERIALES MAGNETICOS

Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos se clasifican como magnéticamente suaves o duros, dependiendo de la forma de su ciclo de histéresis [Fig. 4(a)]. Generalmente, si el valor de coercitividad es ~> , consideramos al material como magnéticamente duro. Si los valores de coercitividad son inferiores a , consideramos los materiales como magnéticamente suaves. La Fig.4 (b) muestra la clasificación de distintos materiales magnéticos importantes desde un punto de vista comercial. [6] Obsérvese que la coercitividad es una propiedad muy sensible a la microestructura; sin embargo, para un material de una composición dada, la magnetización de saturación es constante (es decir, no depende de la microestructura). Esto es similar a la forma en que la resistencia a la fluencia de los materiales metálicos depende, en gran medida, de la microestructura; sin embargo, el módulo de Young no depende tan fuertemente de la misma.

Los valores de coercitividad se ven afectados por muchos factores, como la estructura de los límites de grano y la presencia de poros o de capas superficiales en las partículas, por ejemplo. La coercitividad de los cristales individuales depende de manera muy importante de la orientación cristalográfica. Existen ciertas direcciones a lo largo de las cuales la coercitividad es muy superior. La coercitividad de las partículas magnéticas también depende de la forma de las mismas. Esta es la razón por la cual en los medios magnéticos de grabación utilizamos partículas aciculares y no esféricas. Este efecto también se utiliza en los aceros Fe-Si, que están orientados en forma de granos o de textura, a fin de minimizar las pérdidas de energía durante la operación de un transformador eléctrico.

Veamos algunas aplicaciones para los materiales magnéticos.

Materiales magnéticos suaves

Figura 4.(a) Comparación de los ciclos de histéresis para tres aplicaciones de materiales ferro- magnéticos y ferrimagnéticos. (b) Valores de magnetización de saturación y de coercitividad para diferentes materiales magnéticos.

Los materiales ferromagnéticos se utilizan a menudo para mejorar la densidad de flujo magnético (B) producida cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través del material. Entonces se espera que el campo magnético realice trabajo. Entre sus aplicaciones, se deben mencionar los núcleos para los electroimanes, los motores eléctricos, los transformadores, los generadores y otros equipos eléctricos. Dado que estos dispositivos utilizan un campo alternativo, el material del núcleo está sometido continuamente a los valores incluidos en el ciclo de histéresis. La tabla 19-4 muestra las propiedades de materiales magnéticos suaves. es decir eléctricos, seleccionados.[6] Obsérvese que en estos materiales el valor de la permeabilidad magnética relativa depende de manera determinante de la intensidad del campo aplicado.Estos materiales tienen a menudo las siguientes características.1. Magnetización de alta saturación.2. Alta permeabilidad.3. Pequeño campo coercitivo.

BIBLIOGRAFÍA

Donald R. Askeland, Pradeep P. Phule; Ciencia E Ingeniería de Los Materiales

4ed; Mexico: thomson learning, 2006.

Raymond A. Serway; Física para ciencias e ingenierías, Volumen II, sexta

edición.

Raymond Chang: Química. 9ED. Mexico: MC graw-Hill, 2007

PROPIEDADES MAGNETICAS DE LA MATERIA

ADRIANA LISSETH LUQUE DIAZ

PRESENTADO A: ALVARO BARRERA

GRUPO:I2D

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA DE FISICAELECTROMAGNETISMO

BUCARAMANGA, AGOSTO 15 DE 2008