Propiedades magnéticas

Fuerzas magnéticas Las fuerzas magnéticas se generan mediante el movimiento de partículas cargadas Eléctricamente; existen junto a las fuerzas electrostáticas.

Distribuciones del campo magnético de : •una espira por la que circula corriente y •de un imán en forma de barra.

En los materiales magnéticos existen polos magnéticos, Son análogos a los dipolos eléctricos. Los dipolos magnéticos pueden considerarse como pequeños imanes formados por un polo norte y un polo sur.

Dentro de un campo magnético, la fuerza del campo orienta los dipolos en la dirección del campo

• Si el campo magnético es generado por medio de una bobina cilíndrica formada

Por N espiras:

• Entonces, H:

L

INH

Campo magnético aplicado

unidades = (ampere-vuelta/m)

corriente

Campo magnético aplicado

Campo magnético

Aplicado, H

Corriente, I

N = número de vueltas

L = longitud total

Campo magnético aplicado o intensidad del campo magnético, H

• La inducción magnética o densidad de flujo magnético, B, es la intensidad de campo

magnético dentro de una sustancia que es sometida a un campo H

Inducción magnética

corriente I

B = Inducción magnética (tesla)

Dentro del material

La intensidad del campo magnético y la densidad de flujo están relacionadas: B= H

Donde es la permeabilidad B0= 0H es la permeabilidad del vacío

=4 x10-7 H/m

Magnetización

• Susceptibilidad magnética, (adimensional)

Mide la respuesta del material

relativa al vacío

H

B

vacío = 0

> 0

< 0

La magnetización, M, de un sólido se define como: B0= 0H+ 0M

En presencia de un campo H, los momentos magnéticos dentro del material tienden a alinearse con el campo y a reforzarlo en virtud de sus momentos magnéticos.

La magnitud de M es proporcional al campo aplicado: M= mH

Donde m es la susceptibilidad magnética.

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• Mide la respuesta de los electrones a un campo magnético.

• Los electrones producen momentos magnéticos:

• Momento magnético neto:

--suma de los momentos de todos los electrones.

• Tres tipos de respuesta...

Susceptibilidad magnética

Momentos magnéticos

electrón

nucleo

electrón

spin

Las propiedades magnéticas macroscópicas de los materiales son consecuencia de los Momentos magnéticos de los electrones individuales.

El momento magnético más fundamental es el Magnetón de Bohr B=9.27x10-24 A-m2.

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3 tipos de magnetismo

Inducción Magnética

B (tesla)

Campo magnético aplicado (H)

(ampere-vuelta/m)

vacío ( = 0)

-5 diamagnético ( ~ -10 ) (1) Ej. Al 2 O 3 , Cu, Au, Si, Ag, Zn

ferromagnético ej. Fe3O4, NiFe2O4

ferrimagnético ej. ferrita( ), Co, Ni, Gd

(3)

( hasta 10 6 !)

(2) paramagnético

Ej. Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr

( ~ 10 -4 )

permeabilidad del vacío:

(1.26 x 10-6 Henries/m)

HB o)1(

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Momentos magnéticos de tres tipos

Sin campo Magnético aplicado (H = 0) Aplicado

Campo magnético(H)

(1) diamagnético

none

opposin

g

(2) paramagnético

random

alig

ned

(3) ferromagnético

ferrimagnético

alig

ned

alig

ned

Diamagnetismo

• Es una forma muy débil de magnetismo que no es permanente y presiste sólo mientras el campo externo está presente.

• Es inducido por un cambio en el movimiento orbital de los electrones debido al campo magnético aplicado.

• Momento magnético es muy pequeño y tiene dirección opuesta al campo.

• Los materiales diamagnéticos No tienen aplicación práctica

Paramagnetismo

• En algunos materiales sólidos, cada átomo posee un momento magnético dipolar permanente, por la cancelación incompleta del espín de los electrones.

• En ausencia de campo magnético aplicado estos momentos magnéticos atómicos son al azar y son libre para girar.

• En presencia del campo aplicado los momentos pueden girar y alinearse con el campo.

• Susceptibilidad magnética pequeña pero positiva.

Ferromagnetismo

• Ciertos materiales poseen un momento magnético permanente en ausencia de campo externo aplicado

• Manifiestan magnetizaciones permanentes muy grandes.

• Tienen susceptibilidades magnéticas hasta de 106. • Los momentos magnéticos se deben al espín de los

electrones no cancelados. • Hay fuerzas de acoplamiento que hacen que los

momentos de átomos adyacentes se orienten. • Esta alineación mutua de los espines se presenta en

volúmenes grandes del cristal dominios.

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• Cuando el campo aplicado (H) aumenta...

--los momentos magnéticos se alinean con H.

Materiales ferromagnéticos

Campo magnético aplicado(H)

Magné

tica

(B

)

Ind

ucció

n

0

B sat

H = 0

H

H

H

H

H

Los “Dominios” con momentos magnéticos crecen a expensas de los poco alineados.

Magnetización de saturación

• Magnetización de saturación Ms:

• Resulta cuando todos los dipolos magnéticos en una pieza sólida están mutuamente alineados con el campo externo.

• También existe la correspondiente densidad de flujo de saturación Bs.

• La magnetización de saturación es igual al producto del momento magnético neto de cada átomo y el número de átomos presentes.

Ejemplo

• Calcule la magnetización de saturación y la densidad de flujo de saturación para el níquel, el cual tiene una densidad de 8.90 g/cm3. El níquel tiene un momento magnético de 0.60 B.

La magnetización de saturación es el producto del número de magnetones de Bohr Por átomo, la magnitud del B y el número de átomos por metro cúbico N:

Ms=0.60 B N

El número de átomos por metro cúbico está relacionado con la densidad:

N= NA/ANi 9.13x1028 átomos/m3

Ms=5.1x105 A/m

La densidad de flujo de saturación es: Bs= 0Ms = 0.64 tesla

Antiferromagnetismo

• El acoplamiento entre los momentos magnéticos de átomos o iones contiguos produce un alineamiento antiparalelo.

• El alineamiento de los momentos de los espines de átomos o iones vecinos en es en direcciones opuestas.

• El MnO exhibe este comportamiento

Los iones O2- no presentan momento magnético neto Los iones Mn2+ tienen momento magnético neto producido por el espín. Los momentos magnéticos opuestos se cancelan entre sí y en consecuencia el sólido no posee momento magnético macroscópico.

Ferrimagnetismo

• Algunos materiales cerámicos poseen un tipo de magnetización permanente llamada ferrimagnetismo.

• Son similiares a los ferromagnéticos

• La diferencia reside en el origen de los momentos magnéticos

• Se produce un momento ferrimagnético neto debido a que los momentos de espín no se cancelan completamente.

Influencia de la temperatura en el comportamiento magnético

La temperatura aumentalas vibraciones térmicas de los átomos deselinean los momentos Los materiales ferromagnéticos, antiferromagnéticos y ferrimagnéticos disminuyen su magnetización de satruación al aumentar la Temperatura.

• La magnetización de saturación es máxima a 0K.

• Al aumentar la temperatura la Ms disminuye gradualmente y después desciende abruptamente a cero, a la llamada temperatura de Curie, Tc.

Dominios

Cualquier material ferromagnético o ferrimagn´teico a temperaturas inferiores a Tc está formado por pequeñas regiones tridimensionles en las cuales los momentos magnéticos están todos alineados en la misma dirección. La magnitud del campo M para todo el sólido es la suma vectorial de las magnetizaciones de todos los dominios

Histéresis

• AA partir de la saturación , a partir de que el campo H se reduce debido a la inversión de su dirección, la corva no regresa por su caminio original.

• El campo B va retrasado con respecto al campo H.

• Existe un campo residual B “remanencia”, el material queda magnetizado en ausencia de un campo externo.

Materiales magnéticos suaves y duros