Propiedades magnéticas
PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS MATERIALES
Los imanes naturales, fueron los primeros imanes conocidos por el hombre, las primeras evidencias registradas del fenómeno, se remontan a la antigua Grecia, donde pastores de la región de Magnesia reportaban que algunas rocas se atraían mutuamente, posteriormente posteriormente el filósofo Tales de Mileto (Siglo (Si glo IV AC) hizo traer las misteriosas piedras de Magnesia para estudiarlas, cuyo material fue llamado magnetita. También estudió el ámbar, que tenía la propiedad de atraer otras substancias cuando era frotado. La capacidad de los imanes de orientarse de norte a sur, era conocida por los antiguos chinos (Siglo VI A.C.), lo cual permitió la fabricación de brújulas primitivas, que contribuyeron a la navegación de cabotaje, en los litorales chinos. En Europa fueron conocidas hasta el XI DC. En 1269 el francés Peregrinus de Maricourt, utilizó limaduras de hierro sobre una pieza esférica de magnetita y observó la similitud con las líneas meridionales terrestres, por lo que llamó "polos del imán" a los dos puntos opuestos donde entraban o salían estas líneas invisibles y de origen misterioso. También observó que cuando un imán era cortado, cada pieza todavía conservaba dos polos, que las piezas se atraían si se enfrentaban polos diferentes, y que un imán más potente podía cambiarle los polos a uno más débil. En 1600 el médico inglés William Gilbert, considerado c onsiderado el "Padre de la Electricidad" (1544-1603), publica "De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure; Physiologia noua, plurimis & argumentis, & experimentis demostrata (Sobre el imán y los cuerpos magnéticos y sobre el gran imán la Tierra). Donde resume sus investigaciones sobre cuerpos magnéticos y eléctricos, siendo el primero en registrar estudios sistemáticos sistem áticos sobre fenómenos eléctricos y magnéticos. Manifiesta que la tierra y los planetas orbitan debido a alguna forma de magnetismo.
Aplicaciones de los imanes Han servido para hacer juguetes, adornos en las puertas de los refrigeradores y trampas de objetos metálicos, sus aplicaciones se clasifican en: 1. Atractores / repulsores: Utilizan ya sea la atracción de los materiales ferrosos por el imán, o la repulsión de polos iguales en imánes o bobinas a) Aperture y cierre: válvulas y relays. b) Sujetar piezas. c) Producir levitación estática. d) Mover mecanismos. e) Eliminar/Separar impurezas en alimentos. f) Guiar sondas médicas. g) Agitar y mezclar líquidos. 2. Vibradores: Mediante movimiento ondulatorio (sónico o ultrasónico) utilizando alternadamente atracción y repulsión dinámica entre imán-bobina con corriente alterna a) Parlantes. Emisores ultrasónicos de ecógrafos y sonares. b) Aparatos de limpieza por ultrasonido. 3. Indicadores: Utilizan el cambio de posición del material magnético o de una bobina debido a la tendencia de los momentos magnéticos a orientarse en la dirección del campo externo. a) Brújulas. b) Detectores de clavos. c) Las bobinas de los galvanómetros e instrumentos analógicos; (el campo lo provee un imán permanente estático.) 4. Rotores: Generan movimiento de rotación utilizando la tendencia de los momentos magnéticos de las bobinas, a orientarse en la dirección del campo externo (Motores.) 5. Generadores y contadores: Generan energía o señales mediante la inducción magnética. 6. Registradores: Almacenan analógica o digitalmente información, datos, sonido o imágenes, mediante la posición relativa de los dominios magnéticos en discos o cintas 7. Inductores: Utilizan la inducción magnética sobre piezas ferrosas (Magnetizar y desmagnetizar herramientas). 1
Propiedades magnéticas
8. Deflectores: Utilizan fuerza magnética para desviar cargas eléctricas en movimiento (Hornos microondas. Espectrómetros.) Generalmente no se reconoce que el desarrollo de materiales con mejores propiedades magnéticas es la causa del surgimiento de muchos inventos tales como la grabadora de cinta, los imanes de ferrita en los aparatos de televisión, las memorias en las computadores, los imanes permanentes en los controles de motores y los aceleradores de partículas empleados en la investigación básica. Estos adelantos involucran dos grupos importantes de materiales: 1. 2.
Los metales desde las aleaciones convencionales a base de hierro hasta el álnico y más recientemente, los imanes de samariocobalto. Los cerámicos llamados “ferritas”, que son espinelas y estructuras relacionadas. El crecimien to de este campo es comparable con el de los semiconductores en los materiales eléctricos.
A fin de comprender los materiales magnéticos y cómo su estructura esta relacionada con las propiedades magnéticas, es necesario considerar algunas definiciones de las propiedades más importantes. Estas son relativamente sencillas y todas están relacionadas con el flujo magnético que se produce en un material como resultado del campo magnético.
El circuito magnético y propiedades magnéticas importantes. Es necesario recordar que en un circuito eléctrico (figura 1), si se aplica el voltaje E, la corriente I que fluye en el conductor es proporcional a la conductividad ( σ ) del material. Para una muestra de 1 cm de longitud con un área de corte transversal de 1 cm 2, σ = I/E. De manera semejante, si aplicamos un campo magnético a través de un espacio, el flujo en el espacio es proporcional a la permeabilidad del material que está en el espacio. Si representamos la intensidad del campo H y la densidad del flujo por B, entonces: = B / H. Las unidades usuales en el mks (metro-kilogramo-segundo) para las variables de esta ecuación se derivan en la física como:
H = 1 amp/m B = 1 weber/m 2 = 1 tesla = 1 volt-seg/m 2. Para el vacío 0 = 4 x10-7 henry/m donde: 1 henry = 1 ohmio-seg Todavía se emplean unidades del cgs (centímetro-gramo-segundo) aplicándose las siguientes conversiones:
H= 1 amp/m = 4 x 10-3 oersted B= 1 tesla = 10 4 gauss
Figura 1. Analogía entre circuitos (a) eléctricos y (b) magnéticos.
= 4 x10-7 henry/m = 1 gauss/oersted
0
La principal diferencia entre los circuitos eléctricos y magnéticos es que mientras la conductividad en un circuito eléctrico es constante (independiente de los valores E e I), la permeabilidad de un material magnético cambia con la intensidad del campo aplicado H. La relación B/H no es constante. También es posible tener un flujo que persista después de que se quita el campo: esto se denomina “magnetización remanente ”.
Curva de Histéresis. Propiedades, tales como la permeabilidad y la inducción remanente, se indican en forma sencilla en el gráfico de la densidad de flujo B como una función de la intensidad de campo H, denominado “ ciclo de histéresis” que se realiza en un “ histeresígrafo magnético ”. Considérese la curva B-H, la cual es tan importante para expresar las propiedades magnéticas como lo es la curva esfuerzo-deformación para comprender las propiedades mecánicas. Al colocar una muestra en un espacio, a la cual se le da una intensidad de campo controlada H (por ejemplo, variando la intensidad en un electroimán que tiene sus polos a los lados del espacio) si se mide la 2
Inducción de saturación Inducción remanente
B Bs B Hc
H Curva vir en
Figura 2. B (densidad de flujo) vs. H (intensidad de campo) ciclo de histéresis para un material ferromagnético.
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densidad del flujo magnético B y se traza la curva B-H (figura 2). En una curva típica virgen, el valor de B sube muy rápido y luego prácticamente se pone a nivel con Bs, denominada “ Inducción de saturación”. (La curva obtenida la primera vez que el material se magnetiza –la curva virgen- con líneas punteadas.) A medida que la intensidad del campo se reduce a cero, queda aun una densidad de flujo magnético Br , denominada “ inducción remanente” o “inducción residual”. Para bajar el flujo a cero, se necesita una intensidad de campo definida Hc en la dirección opuesta a la or iginal; esto se denomina “ fuerza magnética coercitiva” (o “campo coercitivo”). Ya que la gráfica nunca vuelve a trazar la curva virgen sino que traza un circuito cerrado, esto se denomina “ciclo de histéresis” , el cual es un índice de la pérdida de energía en un ciclo completo de magnetización y desmagnetización.
Saturación magnética. Al comenzar con una pequeña intensidad de campo H, que se incrementa gradualmente, la densidad de flujo B subirá rápidamente hasta la inducción de saturación. Después de este punto, el flujo sólo aumentará ligeramente con H. Este fenómeno se puede explicar fácilmente por el efecto que tiene el aumentar la intensidad de campo en los dominios. A medida que el campo aumenta, los dominios en línea con el campo crecen y la permeabilidad es más alta. A medida que el flujo se acerca a la saturación, todos los imanes atómicos en los dominios están prácticamente alineados y contribuyen a la alta densidad del flujo. Más allá de este punto de inducción de saturación, un aumento en la intensidad del campo solamente produce pequeños aumentos en la densidad de flujo, que podrían obtenerse sin el núcleo de material magnético. Inducción remanente. Cuando la intensidad del campo H aplicada originalmente disminuye a cero, persiste un flujo magnético Br en el material magnético (figura 2). En un imán permanente este tendrá un valor alto, mientras que en un material magnético blando será bajo. El campo inverso Hc necesario para desmagnetizar la barra y producir un flujo cero se denomina “campo coercitivo”. Para explicar estructuralmente este fenómeno es necesario observar los efectos de la estructura de los metales en retener la estructura de dominio existente cuando se imponen altas intensidades de campo. En una barra de hierro puro, un material magnético blando, los dominios vuelven al equilibrio original cuando se quita el campo. Sin embargo, en un material magnético con obstáculos para un movimiento de dominio uniforme, tal como las inclusiones, material altamente trabajado en frío, o regiones deformadas, quedará retenida una considerable porción del magnetismo ( Br ). Por ejemplo, una barra templada o trabajada en frío de acero de alto contenido de carbono producirá un buen imán permanente. Otros métodos para observar estos efectos incluyen el aislamiento de dominios utilizando polvos suspendidos en un aislador de modo que cada partícula es un dominio, o como en los imanes alnico, el desarrollo de un precipitado fino en el cual los dominios están aislados uno del otro. La forma de la curva B-H, varía con diversos materiales magnéticos; existen varios tipos de curvas con diversos usos. Para ilustrar esto considérese las curvas B-H para un núcleo de transformador y una unidad de memoria de computadora. En la curva para el núcleo de un transformador (material magnético blando) el área encerrada por ciclo de histéresis, representa el trabajo efectuado por ciclo y está relacionada con la pérdida de potencia, que se mantiene tan pequeña como sea posible. En la unidad magnética de memoria (material magnético duro) se desea magnetizar fácilmente a un valor regular de B y retener la mayor densidad de flujo, cuando se corta la potencia, de modo que esta puede utilizarse como “memoria” . Para esto se desea tener un
“ciclo cuadrado” de manera que aún con un campo inverso todavía se obtiene un flujo fuerte para “lectura”.
En un imán permanente la “potencia” del imán esta relacionada con el producto BH, la intensidad de campo es alta y la densidad de flujo está comprimida.
B
B
B
H
Material magnético blando
H
Material magnético duro (ciclo cuadrado)
H
Imán permanente
3
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Permeabilidad magnética Como se indicó, la permeabilidad de un vacío es 0 = 4 x10-7 henry/m. Ahora, si se introduce un material en el mismo espacio, obtenemos un nuevo valor para porque el mismo campo aplicado producirá una densidad de flujo diferente B. En lugar de analizar el valor absoluto, es útil considerar el valor relativo vs. el del vacío. Definimos la permeabilidad relativa como: r = /0 y para el vacío r = 0 = 1. Después de determinar r para una gran cantidad de materiales, encontramos que estos caen dentro de tres clases generales: 1. Si r es menor que 1 por aproximadamente 0.00005, el material se denomina “diamagnético”. 2. Si r es ligeramente mayor que 1 hasta 1.01, el material se denomina “paramagnético”. 3. Si r es mucho mayor que 1 (hasta 1x10 6), el material se denomina “ferromagnético” o, en el caso de los imanes cerámicos,
“ferrimagnético”
Estos tres fenómenos están relacionados con la estructura del material. El diamagnetismo, que es despreciable desde el punto de vista de ingeniería, puede explicarse así: cuando se aplica un campo magnético a un material, los movimientos de todos los electrones cambian. Esto produce un campo local alrededor de cada electrón. Por una ley de física conocida como ley de Lenz, este campo está en dirección opuesta al campo aplicado y da una pequeña disminución en el magnetismo total. El paramagnetismo también es un pequeño efecto que se nota en todos los átomos y moléculas que poseen un número impar de electrones. Aquí los electrones se alinean con el campo aplicado, reforzando así el campo y dando un valor de permeabilidad ligeramente mayor que 1. El ferromagnetismo tiene mucha importancia en la ingeniería porque una alta permeabilidad conduce a una gran densidad de flujo B para una fuerza magnetizante determinada H comparada con el vacío o con materiales normales. Sin esta densidad de flujo alta y la facultad de cambiarla, o invertirla (como en los materiales magnéticos blandos tales como los electroimanes) o mantenerla después de que se quita el campo (como en los imanes duros o permanentes), la mayoría de los aparatos eléctricos tales como transformadores, motores, grabadoras de cinta y computadores no podrían trabajar. El ferromagnetismo se encuentra únicamente en unos pocos elementos: aquellos con capas 3 d parcialmente llenas, tales como hierro, cobalto y níquel y aquellos con capas 4 f parcialmente llenas como el gadolinio. Aunque únicamente los cuatro elementos nombrados exhiben ferromagnetismo a la temperatura ambiente, las aleaciones o compuestos cerámicos de otros elementos con capas 3 d o 4f parcialmente llenas, tales como el manganeso, tienen propiedades magnéticas importantes. Al igual que en las propiedades mecánicas, tanto la estructura atómica como las micro estructuras gobiernan las propiedades magnéticas. Primero se debe analizar el efecto de la estructura atómica sobre la permeabilidad y la inducción remanente en términos generales y luego su influencia en los imanes metálicos y cerámicos.
Estructura atómica de los metales ferromagnéticos Además de sus otros números cuánticos, cada electrón que se mueve alrededor del núcleo tiene un número cuántico ms, el cual describe la manera como gira un electrón alrededor de su propio eje (spin). Por lo tanto, cuando ms = + ½, nos imaginamos al electrón rotando en una dirección y cuando ms = - ½, en la otra. Una carga con movimiento de spin genera un campo magnético y podemos decir, por definición, que + ½ significa que el eje del campo está arriba y – ½ que está abajo. Además, se encuentra que en un átomo de manganeso, por ejemplo, los cinco electrones 3d tienen sus spines en la misma dirección en lugar de alternar en dirección. Ello es un ejemplo de la regla de Hund , que establece que a medida que se agrega progresivamente electrones a elementos mayores en la tabla periódica, hay una fuerte tendencia para obtener el número máximo de spines en una dirección, como los cinco del nivel 3d , antes de agregar electrones de spin opuesto. Esto produce un momento magnético total para el átomo. Cada electrón no pareado, es decir, el electrón no balanceado por cada uno de spin opuesto, contribuye a un momento magnético que recibe el nombre especial de magnetón Bohr , que tiene valor de 9.27x10 -24 amp-m2 en unidades mks o 0.927 erg/gauss en unidades cgs. Por lo tanto, el átomo aislado de manganeso tiene un momento magnético de 5 magnetones Bohr. Es importante establecer los momentos magnéticos de algunos otros elementos cercanos (figura 4). 4
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Momento Magnético 1 2 3 5 5 4 3 2 0
Elemento Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu
Número de Estructura electrónica Electrones electrones capa 3d 4s 21 2 22 2 23 2 24 1 25 2 26 2 27 2 28 2 29 1 Figura 4. Momentos magnéticos (no ionizados) de los elementos de transición.
Se observa que el hierro tiene un magnetón Bohr menos que el manganeso porque hay solamente cuatro electrones no pareados y que los momentos para el cobalto y el níquel se reducen igualmente. El momento magnético del cobre es cero, debido a que su tendencia a obtener un segundo grupo completo de electrones del mismo spin es mas fuerte que la de agregar un segundo electrón 4 s. Los electrones 4s no contribuyen al momento magnético. De esta tabla se predice que un bloque de metal manganeso tendrá el mayor momento magnético porque sus átomos tienen el momento más alto. Pero este no es el caso puesto que cuando los átomos se colocan juntos en un bloque, se presenta un alineamiento complejo denominado “ interacción de intercambio”. En el caso del manganeso metálico los átomos se alinean de modo que las direcciones de los campos magnéticos en los átomos en particular son antiparalelas y se cancelan entre sí. Esto se denomina “antiferromagnetismo”. (Posteriormente se encontrará que este no es el caso para el manganeso en los imanes cerámicos, donde los iones están aislados) Sin embargo, en el caso del hierro, cobalto y níquel, una fracción de los átomos se alinean para producir ferromagnetismo. Para tener una idea de la relación entre la propiedad del momento magnético a escala atómica y la medición a escala de ingeniería del
efecto bruto llamado “inducción de saturación”, es necesario realizar un cálculo para comparar la teoría con el experimento.
Se establece nuevamente un vacío con una intensidad de campo determinada H x B= 0H. Si se coloca un material ferromagnético en el circuito, B subirá apreciablemente y podrá satisfacer la ecuación cambiando 0 por una nueva para mostrar la nueva permeabilidad. Sin embargo, es más sencillo expresar el incremento en B sobre el valor original al agregar un término 0M, donde M es la “magnetización”: B= 0H + 0M. Por lo tanto, el término 0M es el aumento en la intensidad de campo, que es la misma que el aumento en el momento magnético causado por el nuevo material. Como paso final, cuando se hacen mediciones para materiales ferromagnéticos, por lo general podemos omitir 0H, ya que es muy pequeña comparada con 0M. En este punto se presenta la interrogante: Si se tiene que los átomos (y por lo tanto sus electrones) alineados en un bloque de hierro, ¿por qué el bloque no actúa espontáneamente como imán sin necesidad de aplicar un campo magnético?. Esto nos conduce a los temas de los dominios magnéticos y de las paredes de Bloch.
Dominios magnéticos Durante muchos años los físicos especulaban al afirmar que un bloque de hierro contenía muchos imanes pequeñitos que podrían alinearse bajo la influencia de un campo magnético. En 1912 Pierre Ernest Weiss, fue más allá y postuló que había dominios (regiones) donde los átomos estaban alineados para producir un campo magnético en una dirección y que éstos estaban equilibrados por dominios de alineamiento opuesto, de modo que no había flujo magnético fuera de la muestra. Finalmente, en 1931 Francis Bitter decidió observar éstos dominios con el microscopio, espolvoreó polvo magnético en la muestra pulida y observó algo parecido a límites de granos pero dentro de los granos individuales del material.
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Figura 5. Dominios mostrados por un polvo magnético en un cristal sencillo de hierro (esquemático)
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En la muestra no magnetizada los dominios no están alineados y se supone que hay orientación equilibrada, con un momento magnético resultante de cero. Sin embargo, si se aplica un campo magnético, aquellos dominios con sus direcciones magnéticas paralelas al campo crecerán a expensas de los opuestos. Si la microestructura es tal que la nueva estructura de dominio se retiene, tenemos un imán permanente; si el material regresa a su estado original, tenemos un imán blando. Pared de dominio
Pared de dominio que muestra el cambio gradual en la dirección del campo entre dominios adyacentes.
A medida que un dominio crece a expensas de otro, se produce un cambio en el alineamiento de los imanes atómicos en particular. El límite del domin io se denomina “pared de Bloch”, en honor a su descubridor, Felix Bloch y es muy importante porque ayuda a comprender las razones de la magnitud del campo magnético necesario para magnetizar un material. Primero debemos explicar que la facilidad de magnetización varía con la dirección en un cristal, así como la facilidad de deformación elástica varía en un cristal sencillo, como lo muestra el módulo de elasticidad. Los datos típicos de información de magnetización para el hierro y níquel se indican en la figura 6. [100]
2 Densidad de flujo 2 Webers /m 1 Bs
[111]
Bs 2 Densidad de flujo 2 webers /m 1
[110] [111]
[100]
[110]
0
0
25 50 25 50 Campo magnético (Kamp/m) Campo magnético (Kamp/m) (a) (b) Figura 6. Anisotropía magnética. (a) Níquel. (b) Hierro.
Obsérvese que la orientación preferida en el hierro es [100] (magnetización inducida más alta para intensidades de campo magnéticas más bajas). Esperaríamos encontrar un dominio polarizado en la dirección [100] a un lado de la pared de Bloch y otro en la dirección [001] al otro lado. En la pared misma (con un ancho aproximado de 1000Ǻ o 100nm) encontramos polarizaciones intermedias y pasamos a través de las direcciones de magnetización difícil (figura 7).
Efecto de la temperatura en la magnetización Pierre Curie (1859-1906) observó que al calentar sistemáticamente materiales previamente magnetizados, sus propiedades magnéticas variaban en función del cambio de temperatura. Temperatura Sustancia Saturación de de Curie (°K) De aquí que todo material ferromagnético magnetización (Ms) Cobalto 1393 perderá sus propiedades magnéticas en 1043 algún intervalo de temperatura al Hierro 1015 calentarse y el ferromagnetismo Fe2B NiOFe O 858 2 3 finalmente desaparecerá a una 631 temperatura denominada “temperatura Ni 573 Curie”. A esta temperatura las MnOFe2O3 CrO 386 2 oscilaciones térmicas vencen la orientación debido a la interacción por intercambio, originándose entonces una agrupación al azar de los imanes atómicos. Los dominios se forman nuevamente al enfriarse de modo que la aplicación de un campo magnético desde la temperatura de Temperatura (Tc) Efecto de la temperatura en la Curie hasta la temperatura ambiente puede ayudar a producir un imán Saturación de la magnetización M s de un permanente. material ferromagnético por debajo de la temperatura Curie T c.
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Materiales magnéticos metálicos Hay dos grupos principales: materiales magnéticos blandos y materiales magnéticos permanentes o duros. Materiales magnéticos blandos. En estos materiales, como aquellos que se emplean en el núcleo de un transformador, las propiedades más buscadas son una pérdida mínima por histéresis (área del ciclo B-H) y saturación magnética máxima. El obtener estas propiedades depende de la facilidad del movimiento de dominio, evitándose así el trabajo en frío y la presencia de una segunda fase. En las aleaciones silicio-hierro también se controla la orientación del grano en la lámina. Encontramos que la facilidad de magnetización varía con la dirección en un cristal, siendo más fácil en las direcciones <100>. La lámina para transformadores se prepara con el plano (100) paralelo al plano de la lámina y la dirección [001] paralela a la dirección del laminado. Esta es la text ura “cúbica”. La ventaja de esta es que mientras mayor sea la facilidad de magnetización, menor será el ciclo de histéresis y, en consecuencia, menor la pérdida de potencia en el núcleo del transformador.
Las propiedades del “permalloy” (histéresis muy ba ja) se obtienen controlando el enfriamiento para evitar la estructura ordenada que se presenta en estas aleaciones hierro-níquel. Esta aleación es especialmente sensible al endurecimiento de trabajo, y, por esta razón, la pieza o alambre se hace primero y luego se recoce. Materiales magnéticos duros. Como podríamos esperar, las características deseadas en los materiales magnéticos permanentes o duros son bastante opuestas a las que se necesitan para los materiales blandos. Cuando se quita el campo, tenemos un alto valor de magnetización remanente Br y un campo coercitivo Hc. Se ha encontrado, además, que la fuerza de levante de un imán está relacionada con el área del mayor rectángulo que se pueda dibujar en el segundo cuadrante de la curva de histéresis, denominado “producto BH” y este producto de energía se toma como un índice de la potencia del imán (fig 3(c)). Como se mencionó anteriormente, la clave para retener el magnetismo es evitar la recaída de los dominios en una orientación balanceada, no dando un momento magnético externo. Esto se puede evitar por medio de dos métodos principales: 1. Empleo de una estructura metálica deformada. 2. División de la parte magnética de la estructura en pequeños volúmenes que se reorienten con dificultad. En el primer método los aceros de alto contenido de carbono o con aleación se templan para producir martensita, que tiene un esfuerzo interno alto. En el segundo método, aleaciones tales como alnico (Al, Ni, Co y Fe) y Cunife (Cu, Ni, Fe) son los que se emplean. La clave para las aleaciones alnico es que una estructura de fase simple BCC, estable a 1300 0C, se descompone en dos diferentes fases BCC, las cuales son y ´ a 8000C. ´, rica en hierro y cobalto, tiene una mayor magnetización y se precipita en partículas finas. Se necesita un campo importante para magnetizar estas partículas debido a que cada una de ellas es esencialmente un solo dominio y debe rotarse. Sin embargo, una vez que se hace esto, el Br es alto y la fuerza coercitiva para desmagnetizar también es alta. Se emplean muchas técnicas interesantes para mejorar las características de los imanes, tales como la solidificación controlada para desarrollar orientación preferida y tratamiento térmico en un campo magnético. Más recientemente, se han desarrollado imanes permanentes de samario-cobalto y platino-cobalto con energía máxima muy alta ( BH), tal como se muestra en la fig. 3 y en la tabla 1. En los imanes de platino-cobalto, una transformación de fase (orden o desorden) genera dominios aislados como ocurre en el alnico. Este material es maquinable pero costoso: creca de US$ 2000 por libra. El iman samario-cobalto y otros materiales que incluyen tierras raras tales como el praseodimio y el lantano se preparan como compuestos intermetálicos tales como Co 5Sm (37% en peso de samario). Luego el material se muele convirtiéndolo en un polvo fino, de manera que cada partícula es del tamaño de un dominio. Estos granos minúsculos (de estructura hexagonal) tienen grandes 7
TABLA 1. PRODUCTOS BH MÁXIMOS PARA VARIOS MATERIALES MAGNETICOS Producto BH máximo Material (amp-weber / m 3) Samario-cobalto 120000 Platino-cobalto 70000 Alnico 36000 Ferroxdur 12000 Hierro-cobalto sinter 7000 Acero al carbono 1450
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diferencias en la facilidad de magnetización, dependiendo de la dirección en el cristal: fácil a lo largo del eje c y difícil en la dirección a. Las partículas de polvo se alinean por medio de un campo magnético fuerte en el troquel y luego se prensan y se sinterizan. Se debe tener cuidado para evitar el crecimiento del grano durante la sinterización. Un uso de los imanes Co 5Sm es en los motores de paso de los relojes electrónicos de pulso. El nombre de estos motores se deriva del hecho de que cada vez que el motor recibe una pulsación de la vibración de un cristal de cuarzo mueve las manecillas un paso.
Materiales cerámicos magnéticos Durante varios años se han buscado materiales magnéticos con alta resistencia eléctrica. Como ejemplo de una utilización importante de dicho material, sabemos que un transformador se calienta debido a que un campo eléctrico alterno genera una corriente secundaria en el núcleo (corrientes en remolino). En equipos de alta frecuencia este calentamiento es muy fuerte, de manera que era necesario buscar un material magnético de alta resistencia. Se encontró que el mineral magnetita, Fe 3O4, es un imán cerámico natural de alta resistencia, por lo que la búsqueda se orientó a los imanes cerámicos sintéticos de
estructura semejante, generalmente denominados “ferritas”, aunque muchos de ellos no contienen hierro. (¡Es importante evitar la confusión en el empleo de la palabra “ferrita” para estos óxidos magnéticos y para el hierro !).
Como punto de partida de debe observar la estructura de la celda unitaria de la magnetita misma [Fe 2+Fe23+O42-]. Para explicar la posiciones importantes de los iones, es necesario tomar un múltiplo de 8 veces la fórmula química escrita en términos generales, representando los iones metálicos bivalentes y trivalentes como M 2+ y M3+: [M2+M23+O42-]8. Los 32 iones O 2- están distribuidos para formar ocho celdas cúbica centrada en las caras (CCCa). Existen el doble de sitios tetraédricos que átomos CCCa en una celda unitaria, mientras que el número de sitios octaédricos es igual al número de átomos CCCa (es decir cuatro por celda unitaria). En la figura 9 se muestran ejemplos de estos sitios. En el modelo hay 64 sitios tetraédricos y 32 octaédricos, pero sólo una porción de ellos está ocupada en la espinela. En las ferritas los iones de hierro están distribuidos, como sigue, en las denominadas estructuras espinelas
“inversas”:
Del mismo modo que en el hierro ferromagnético, el magnetismo de un imán cerámico se debe a los momentos magnéticos de los iones. Estos se calculan de la misma manera que los momentos magnéticos de los átomos, pero no son iguales si los electrones 3d se desprenden durante la ionización. Por ejemplo, el Fe 2+ se forma al desprender los dos electrones 4s, de modo que tiene el mismo momento que Fe 0. Pero, al formar Fe 3+ desarrollamos un momento magnético de 5 magnetones Bohr debido a que se desprende un electrón de spin opuesto. Los momentos magnéticos comunes se muestran en la tabla 2.
Iones de
Sitios
Sitios
hierro
tetraédricos
octaédricos
16 Fe3+ 8 Fe2+
8 0
8 8
Esto se denomina inverso por que en la espinela normal, MgAl 2O4 por ejemplo, los iones M 2+ estan en los sitios octaédricos y todos los M 3+ están en los octaédricos.
Los ocho iones Fe 3+ en los sitios tetraédricos están siempre opuestos en alineamiento magnético a los ocho iones Fe 3+ en los sitios octaédricos y, en consecuencia, no se produce momento magnético para los iones Fe 3+. Esto recibe el nombre de “anti ferromagnetismo” c omo en el manganeso metálico. Sin embargo, los momentos de los ocho iones Fe2+ que también ocupan sitios octaédricos, están alineados en la misma dirección en la celda unitaria y son los responsables del momento magnético neto (condición ferrimagnética) (figura 10). Los ocho iones Fe 3+ en los sitios tetraédricos están siempre opuestos en alineamiento magnético a los ocho iones Fe 3+ en los sitios octaédricos y, en consecuencia, no se produce momento magnético para los iones Fe 3+. Esto recibe el nombre de “anti -ferromagnetismo” como en el manganeso metálico. Sin embargo, los momentos de los ocho iones Fe 2+ que también ocupan sitios octaédricos, están alineados en la misma dirección en la celda unitaria y son los responsables del momento magnético neto (condición ferrimagnética) (fig 10).
TABLA 2. MOMENTOS MAGN TICOS PARA IONES QUE SE ENCUENTRAN EN ESPINELAS
Ion Fe3+ Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Cu2+ Zn2+
Total de electrones 23 23 24 25 26 27 28
Electrones 3d 3d5 3d5 3d6 3d7 3d8 3d9 3d10
Magnetones Bohr 5 5 4 3 2 1 0
En la mayoría de los casos los iones Fe 2+ son parcial o completamente reemplazados por otros iones. Puesto que los iones en estas posiciones son los responsables de la magnetización, un reemplazo parcial con un ion que tenga menor momento, reducirá la magnetización total. Otra técnica es la de agregar iones no magnéticos, los cuales reemplazan algunos de los iones Fe 3+ y los fuerzan a entrar a los sitios Fe 2+. 8
Propiedades magnéticas
Para los imanes blandos para comunicaciones de radio y electrónicas, se emplean las siguientes substituciones de los iones Fe 2+: Mn2+ + Zn2+, Ni2+ + Zn 2+, Ni2+ + Cu2+ + Zn2+, dando un ciclo de histéresis semejante al de la figura 3(a). Los iones Mn 2+, Ni 2+ y Cu2+ tienen momentos magnéticos, pero la función de los iones Zn 2+ es interesante porque estos no tienen momento magnético por si mismos, pero sí elevan el momento total en el siguiente conducto. En la estructura espinela normal los iones bivalentes ocupan los sitios tetraédricos. Los iones Zn 2+ continúan con esta tendencia cuando se agregan a la espinela inversa y, por ello, fuerzan a algunos Fe 3+ a salir de sus sitios tetraédricos “improductivos” hacia los sitios octaédricos, donde se alinean para aumentar el momento magnético. Es importante comprobar que así como mezclamos elementos aleantes en solución sólida para modificar propiedades mecánicas, en este caso mezclamos iones en solución sólida para modificar propiedades magnéticas. Para dar a los imanes con ciclos cuadrados (figura 3(b)), los iones de substitución son Mn 2+ + Mg 2+ y Co 2+. Estos son importantes para operaciones de cómputo. El campo de los imanes cerámicos permanentes o duros es especialmente interesante. Ya han encontrado estos materiales varios usos, tales como las inserciones magnéticas en puertas de refrigeradores y en motores pequeños. Anteriormente en estos motores se requería un electroimán, pero con la parición de imanes permanentes pequeños y potentes para dar un campo, el diseño se simplificó grandemente. Dichos motores accionan limpiaparabrisas, ventiladores de calentadores, acondicionadores de aire y elevadores de vidrios en automóviles modernos. En el acelerador de 30 mil millones de eV del Brookhaven National Laboratory se utilizan mas de siete toneladas de ferritas. Otro ejemplo para ilustrar su empleo, es el de un tren magnético suspendido, en el cual el vagón flotaría por repulsión magnética. La estructura de los cristales de estos imanes cerámicos permanentes es ligeramente diferente de la estructura espinela (ver los problemas), pero puesto que sigue los mismos principios, los materiales todavía se denominan “ferritas”. As í como las ferritas analizadas tienen la estructura de un mineral natural (espinela), también estas ferritas duras tienen la estructura hexagonal de un mineral conocido como “magneto -plumbita”, Pb(Fe,Mn) 12O19. La fuente del magnetismo es semejante: el alineamiento de iones tales como Fe 2+ y Mn2+ con momentos magnéticos y la formación de dominios. En los imanes cerámicos sintéticos se emplean fórmulas más sencillas, tales como PbFe12O19 o BaFe12O19. Uno de los modos de obtener un alineamiento inicial fuerte de los dominios es calentar el material por encima de su temperatura Curie y luego enfriarlo bajo la influencia de un campo magnético. Esto es análogo a la polarización de un material ferroeléctrico que se enfría bajo un campo eléctrico. Además de los tipos blando y duro hay dos subtipos de gran importancia. Los materiales con ciclo cuadrado retienen su magnetización total remanente mientras el campo se revierte hasta alcanzar un corte drástico. Por lo tanto, al utilizar el imán como un instrumento para dar información, podemos obtener la fuerza total sin que se debilite hasta llegar al punto de corte. Si queremos sacar la información ello se logra sin problema y el instrumento queda listo para magnetizarse otra vez. Para estos imanes se emplean óxidos de manganeso-magnesio-hierro y óxidos de cobalto-hierro. Para la comunicación por microondas es importante que haya pocas pérdidas en cada ciclo, debido a las altas frecuencias. En los transformadores con núcleos de hierro podemos tolerar las pérdidas por histéresis a 60 Hz, pero a 10 6 Hz serían prohibitivas. Aquí son muy importantes la alta resistencia y ciclos muy angostos de ciertas ferritas. Los óxidos típicos son del tipo del (Al, Ni, Zn)O. Otra familia de cerámicos magnéticos es el grupo de hierro granate. La fórmula general es 3M 2O3. 5Fe2O3. La celda unitaria es más compleja que la espinela y la ventaja principal es que los elementos con alto momento magnético como el samario y el itrio pueden reemplazar a M en la fórmula.
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Propiedades magnéticas
DEFINICIONES Permeabilidad ( ). Relación de la densidad de flujo B que se desarrolla cuando se aplica un campo magnético de intensidad H; = B/H. Es un concepto análogo al de que la conductividad es igual a la relación de la corriente I producida por un voltaje E en un alambre (para longitud y área unitarias del conductor). Permeabilidad relativa ( ). r Relación de permeabilidad de un material con respecto a la permeabilidad en el vacío;
r
=
/
0 .
Diamagnetismo, paramagnetismo. Desviaciones muy pequeñas de = 1. r
Ferromagnetismo. Valores altos de producidos por el alineamiento de ciertos átomos tales como hierro, cobalto, níquel dentro de los dominios. Dominio. Región de un metal o estructura cerámica en la cual los momentos magnéticos, debidos a los átomos individuales, se alinean en la misma dirección. Pared de dominio, pared de Bloch. Límite entre dos dominios. En ambos lados de la pared los momentos magnéticos se orientan a 90 o 1800 respecto al otro. Antiferromagnético. Material con átomos ferromagnéticos que están alineados en direcciones opuestas, de tal forma que no hay momento magnético neto. Ferrimagnético. Material con átomos ferromagnéticos que están alineados en direcciones opuestas en la celda unitaria pero con un momento neto. Magnetón Bohr. Momento magnético producido en un átomo ferromagnético por un electrón no pareado. 1 magnetón Bohr = 9.27x10-24 amp/m2 (0.927 erg/gauss). Inducción de saturación (Bs). Máximo flujo magnético obtenible en un material. Para un material ferromagnético B s se puede tomar como 0 M. Magnetización (M). La magnetización multiplicada por la permeabilidad de un vacío da el aumento en el flujo debido a la inserción de un material determinado en un campo de intensidad H. Puesto que 0 es una constante (4 x10-4 volt-seg/amp-m), la magnetización es una medida del incremento de la densidad de flujo producida por el material. Inducción remanente (Br ). Densidad de flujo remanente cuando se retira el campo magnético. Campo coercitivo (Hc). Campo necesario para reducir la densidad de flujo a cero después de la aplicación inicial de un campo magnético para obtener B s. Material magnético blando. Material fácilmente magnetizado y desmagnetizado con un área reducida en el ciclo B-H. Material magnético duro. Material que se magnetiza y desmagnetiza con dificultad y que tiene un área grande en el ciclo B-H. Espinela normal. Cerámico de la fórmula general M 2+M23+O4. Hay iones bivalentes en sitios tetraédricos e iones trivalentes en sitios octaédricos. Espinela invertida. Material con la misma fórmula general de la espinela normal pero los iones trivalentes ocupan sitios tetraédricos y octaédricos y los iones bivalentes ocupan únicamente los sitios octaédricos. r
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Ferrita. Espinela magnética invertida. No se debe confundir este término con la misma palabra empleada anteriormente que significa hierro .
