Materiales Magnéticos Materiales Magnéticos
Son aquellos que pueden ser atraídos o repelidos por un imán y que, a su vez, pueden ser magnetizados. El hierro y el acero son los materiales magnéticos mas comunes. Los imanes permanentes se hacen con materiales magnéticos duros, que como el acero al cobalto, conservan su magnetismo al retirárseles el campo. Un imán temporal es el que no tiene la capacidad de conservarse magnetizado al retirarse el campo magnetizador. Se llama permeabilidad a la capacidad de conservacin del !lu"o magnético por un material. #odemos considerar elementos magnéticos a aquellos elementos de la tabla peridica que tienen electrones desapareados. El magnetismo es dipolar, es decir, e$isten dos polos magnéticos separados por una determinada distancia. Las propiedades magnéticas, son las determinadas respuestas de un material al campo magnético. Magnetismo en materiales
Las corrientes eléctricas crean campo magnético. %demás, %demás, e$isten materiales naturales o sint sintét étic icos os que que crea creann camp campoo magn magnét étic ico. o. Los Los camp campos os crea creado doss por por los los mate materia riale less magnéticos surgen de dos !uentes atmicas& los momentos angulares orbitales y de espín de los electrones, que al estar en movimiento continuo en el material e$perimentan !uerzas ante un campo magnético aplicado. #or lo tanto, las características magnéticas de un material pueden cambiar por aleacin aleacin con otros elementos, elementos, donde se modi!ican modi!ican por las interacciones atmicas. atmicas. #or e"emplo, un material material no magnético como el aluminio aluminio puede comportarse como un material magnético en materiales como alnico 'aluminio( níquel níquel(co (coba balto lto)) o manga manganes neso(al o(alum umini inio(c o(carb arbono ono.. *ambién mbién pue puede de adq adquir uirir ir estas estas propiedades mediante traba"o mecánico u otra !uente de tensiones que modi!ique a geometría de la red cristalina. *odo material está compuesto por átomos que contienen electrones mviles. Un camp campoo magn magnét étic icoo apli aplica cado do act+ act+aa siem siempr pree sobr sobree los los elec electr tron ones es cons consid ider erad ados os individualmente. Esto da origen al e!ecto universal llamado diamagnetismo. Este es un e!ecto clásico y depende solamente del movimiento de los electrones. % nivel atmico, la superposicin de los momentos magnéticos ' orbital, debido al movimiento del electrn alrededor del n+cleo, e intrínseco o de espín) aportados por los electrones al átomo o molécula del cual !orman parte da un momento magnético resultante o neto al átomo o molécula. uando hay un momento neto atmico o molecular los momentos magnéticos tienden a alinearse con el campo aplicado 'o con los campos campos creado creadoss por momen momentos tos magné magnétic ticos os vecino vecinos), s), dad dadoo lugar lugar al e!ecto e!ecto del paramagnetismo. Simultáneamente, la energía térmica omnipresente tiende a orientar al azar a los momentos magnéticos, de manera que la intensidad relativa de todos estos e!ecto e!ectoss determ determina inará rá en de!ini de!initiv tivaa el comp comporta ortamie miento nto del mater material ial.. En la !igura !igura se esquematiza un material no magnetizado& los momentos magnéticos están orientados al azar.
Los materiales magnéticos se caracterizan por su permeabilidad, que es la relacin entre el campo de induccin magnética y el campo magnético dentro del material&
% continuacin se presentan en más detalle las distintos comportamientos& Diamagnetismo
El diamagnetismo es un e!ecto universal porque se basa en la interaccin entre el campo aplicado y los electrones mviles del material. El diamagnetismo queda habitualmente enmascarado por el paramagnetismo, salvo en elementos !ormados por átomos o iones que se disponen en -capas electrnicas cerradas, ya que en estos casos la contribucin paramagnética se anula. Las características esenciales del diamagnetismo son& Los materiales diamagnéticos se magnetizan débilmente en el sentido opuesto al del campo magnético aplicado. /esulta así que aparece una !uerza de repulsin sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.
La susceptibilidad magnética es negativa y peque0a y la permeabilidad relativa es entonces ligeramente menor que 1. La intensidad de la respuesta es muy peque0a. Se puede modelar en !orma sencilla el comportamiento diamagnético mediante la aplicacin de la ley de Lenz al movimiento orbital de los electrones '%péndice 2). El diamagnetismo !ue descubierto por 3araday en 1456. E"emplos de materiales diamagnéticos son el cobre y el helio.
Paramagnetismo
Los materiales paramagnéticos se caracterizan por átomos con un momento magnético neto, que tienden a alinearse paralelo a un campo aplicado. Las características esenciales del paramagnetismo son& Los materiales paramagnéticos se magnetizan débilmente en el mismo sentido que el campo magnético aplicado. /esulta así que aparece una !uerza de atraccin sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.
La susceptibilidad magnética es positiva y peque0a y la permeabilidad relativa es entonces ligeramente mayor que 1. La intensidad de la respuesta es muy peque0a, y los e!ectos son prácticamente imposibles de detectar e$cepto a temperaturas e$tremadamente ba"as o campos aplicados muy intensos. 7ebido a la debilidad de la respuesta, a menudo los materiales paramagnéticos se asimilan al aire. E"emplos de materiales paramagnéticos son el aluminio y el sodio. 7istintas variantes del paramagnetismo se dan en !uncin de la estructura cristalina del material, que induce interacciones magnéticas entre átomos vecinos.
Ferromagnetismo
En los materiales !erromagnéticos los momentos magnéticos individuales de grandes grupos de átomos o moléculas se mantienen lineados entre sí debido a un !uerte acoplamiento, a+n en ausencia de campo e$terior. Estos grupos se denominan dominios, y act+an como un peque0o imán permanente. Los dominios tienen tama0os entre 10-12 y 10-8 m3 y contienen entre 1021 y 10 89 átomos. Los dominios se !orman para minimizar la energía magnética entre ellos. En ausencia de campo aplicado, los dominios tienen sus momentos magnéticos netos distribuidos al azar. uando se aplica un campo e$terior, los dominios tienden a alinearse con el campo.
Este alineamiento puede permanecer en algunos casos de muy !uerte acoplamiento cuando se retira el campo, creando un imán permanente. Las características esenciales del !erromagnetismo son& Los materiales !erromagnéticos se magnetizan !uertemente en el mismo sentido que el campo magnético aplicado. /esulta así que aparece una !uerza de atraccin sobre el cuerpo respecto del campo aplicado. La susceptibilidad magnética es positiva y grande y la permeabilidad relativa es entonces mucho mayor que 1. En la !igura se observa un esquema de la estructura 1 del hierro 'BCC ( c+bica de cuerpo centrado).
Los momentos magnéticos están alineados ya que e$isten !uertes interacciones entre ellos. La agitacin térmica tiende a desalinear los dominios. % temperatura normal, la energía térmica no es en general su!iciente para desmagnetizar un material magnetizado Sin embargo, por encima de una cierta temperatura, llamada temperatura de Curie, el material se vuelve paramagnético, debido a que los e!ectos térmicos de desorden son mayores que los e!ectos de alineamiento de la interaccin magnética entre dominios. Una !orma de desmagnetizar un material !erromagnético es entonces calentarlo por encima de esta temperatura. En la tabla se presentan las temperaturas de urie de algunos materiales !erromagnéticos elementales y aleaciones.
Se ve que estas temperaturas son en casos muy altas y cercanas a la temperaturas de !usin del elemento, por lo que en la práctica la desmagnetizacin por temperatura es en general un proceso parcial. E"emplos de materiales !erromagnéticos son el hierro, el cobalto, el níquel y la mayoría de los aceros. Antiferromagnetismo
Los materiales anti!erromagnéticos tienen un estado natural en el cual los espines atmicos de átomos adyacentes son opuestos, de manera que el momento magnético neto es nulo.
Este estado natural hace di!ícil que el material se magnetice, aunque de todas !ormas adopta una permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1. El !luoruro de manganeso ':n3), cuya estructura se esquematiza en la !igura de la derecha, es un e"emplo simple.
Los momentos de los átomos de :n en las esquinas del cubo apuntan en una direccin, y los que se hallan en el centro del cubo apuntan en la direccin opuesta. 7ado que hay igual n+mero de cada uno, cuando muchas de estas celdas unitarias de agrupan "untas, los momentos magnéticos se cancelan e$actamente. #or encima de una temperatura crítica, llamada temperatura de Neel, un material anti!erromagnético se vuelve paramagnético. La tabla muestra la temperatura de ;eel de varios compuestos.
Los materiales !errimagnéticos son similares a los anti!erromagnéticos, salvo que las especies de átomos alternados son di!erentes 'por e"emplo, por la e$istencia de dos subredes cristalinas entrelazadas) y tienen momentos magnéticos di!erentes. E$iste entonces una magnetizacin neta, que puede ser en casos muy intensa.
La magnetita se conoce como imán desde la antig=edad. Es uno de los $idos comunes del hierro '3e><5) y también es c+bico. La !igura ilustra la estructura. La !rmula podría ser escrita en !orma muy simplista como 3e<.3e 8<> con 3e?? como 3e< y 3e??? como 3e8<>. El 3e??? ocupa los huecos tetraédricos, y la mitad de los huecos octaédricos, y el 3e?? ocupa la otra mitad. Los momentos magnéticos en los sitios octaédricos son anti!erromagnéticos y se cancelan 'no se muestran), mientras que en los sitios tetraédricos están !erromagnéticamente alineados.
En la siguiente tabla se presentan valores de la susceptibilidad magnética para diversos materiales y sustancias paramagnéticos y diamagnéticos de interés&
Imanes
Suele llamarse imán a cualquier ob"eto que produce un campo magnético e$terno. Un imán permanente es un material que, cuando se lo coloca en un campo magnético su!icientemente intenso, no slo produce un campo magnético propio o inducido, sino que contin+a produciendo campo inducido a+n después de ser retirado del campo aplicado. Esta propiedad no se altera ni se debilita con el tiempo salvo cuando el imán se somete a cambios de temperatura, campos desmagnetizantes, tensiones mecánicas, etc. La habilidad del material para soportar sin cambios en sus propiedades magnéticos diversos tipos de ambientes y condiciones de traba"o de!ine los tipos de aplicaciones en que se lo puede usar.
Los materiales que pierden su magnetizacin cuando se retira el campo e$terior que la produ"o se llaman materiales magnéticos blandos. Estos materiales son +tiles para transportar, concentrar o con!ormar campos magnéticos . %quellos materiales que mantienen la magnetizacin al quitar el campo aplicado se denominan duros. Se utilizan para la !abricacin de imanes permanentes.
istéresis
uando un material !erromagnético originalmente desmagnetizado se coloca en una regin del espacio donde hay un campo magnético el material se magnetiza. Es de interés observar cmo cambia la magnetizacin cuando el campo aplicado varía. #ara ello se utiliza normalmente una disposicin denominada anillo de !o"land. onsiste en un anillo o toroide del material a ensayar sobre el cual se devana un bobinado primario al que se conecta una !uente de corriente variable.
La corriente que circula por este bobinado crea dentro del material un campo magnético 'llamado fuer#a magnetomotri# $ fmm).
Se llega a un momento donde ya todos los dominios del material se hallan alineados con el campo aplicado y la magnetizacin se satura. La no linealidad en esta curva se relaciona entonces con las características termodinámicas de la de!ormacin de los dominios magnéticos y las interacciones entre dominios. Esta curva se conoce como cur&a de magneti#aci'n inicial.
En la siguiente !igura se esquematiza una manipulacin más comple"a.
7esde el estado desmagneti#ado '(), a medida que aumenta la fmm H más y más dominios se van agregando a la alineacin paralela hasta que todos están alineados en el
estado de saturaci'n ')) donde hay un campo de induccin Bsat. Un aumento de la fmm no creará nuevas alineaciones. Si, en cambio, desde el estado de saturacin ' )) se disminu*e la intensidad de la fmm H , se observa que el sistema no sigue la trayectoria
previa, dado que los mecanismos de alineacin de dominios, los movimientos de las !ronteras de dominios y la agitacin térmica 'este +ltimo !actor tiende al desalineamiento) son mecanismos altamente no lineales. uando la fmm llega a cero ' +), el material queda magnetizado, creando un campo de induccin residual Br 'remanencia). Si se aumenta ahora la fmm en valores negativos 'o sea en el sentido opuesto de circulacin de corriente al de la magnetizacin inicial), el material queda e!ectivamente desmagnetizado al llegar al valor de coerciti&idad –H c ',). Si se contin+a aumentando la intensidad de la fmm, se produce una nueva saturacin en el sentido opuesto '-) y si desde allí se disminuye la intensidad de la fmm, las situaciones anteriores se repiten sobre una curva simétrica en los puntos ' ) y ' /). Si se repite esta operacin, el sistema recorre siempre el mismo ciclo, conocido como ciclo de 0istéresis. La magnetizacin de un material que presenta histéresis se realiza a e$pensas de energía, que se disipa en !orma de calor debido a las alteraciones en las !ronteras de dominios. Se puede demostrar que al recorrer un ciclo de histéresis, se entrega al material una energía por unidad de volumen en !orma de calor igual al área del ciclo de histéresis& Estas pérdidas de energía tienen m+ltiples in!luencias sobre los dispositivos que usan materiales !erromagnéticos. Materiales magnéticos modernos
En esta seccin presentamos algunos materiales magnéticos de importancia tecnolgica en la !abricacin de imanes permanentes. Alnico
La aleacin de aluminio, níquel, cobalto y hierro conocida como %lnico se desarroll en la década de 1@5A y represent el primer paso para crear imanes más potentes y de me"ores propiedades metal+rgicas que el hierro y las variantes de aceros usadas hasta entonces. La proporcin de sus elementos y el agregado de otros elementos para me"orar las propiedades magnéticas hacen que e$istan muchas variantes comerciales de %lnico. Los imanes de %lnico se !abrican habitualmente por con!ormado con moldes desde la aleacin !undida o por técnicas metal+rgicas cerámicas que parten de la aleacin en polvo !ino y construyen la pieza por con!ormado a presin y sinterizado. El producto de la energía para imanes de %lnico varía entre 1.2 y 9.2 :B
Ferritas
cerámicas
:uchos imanes permanentes está hechos mediante técnicas metal+rgicas que muelen el material hasta convertirlo en un polvo de peque0as partículas. #ara ma$imizar la magnetizacin de saturacin M sat del con"unto del material es conveniente que los momentos magnéticos en cada partícula estén alineados y que los momentos magnéticos de las partículas mismas también lo estén. Esto +ltimo se consigue aplicando un campo orientador durante el proceso de consolidar el polvo en un aglomerado slido.
Los momentos dentro de cada partícula se alinearán espontáneamente como se muestra en el diagrama 'a) siempre que el polvo sea molido hasta un tama0o cercano al de un 1nico dominio magnético. Si el tama0o de la partícula es mucho mayor, será energéticamente más !avorable la e$istencia de una frontera de dominio como se muestra en el diagrama 'b), llevando a una magnetizacin nula para la partícula. Estos dominios se generan espontáneamente en el material. Se puede calcular por consideraciones energéticas el tama0o má$imo de las partículas a obtener para lograr partículas mono(dominio. Este tama0o es alrededor de 1 µm para !erritas cerámicas. Las !erritas cerámicas se !abrican usando polvo de $ido de hierro, al que se agrega bario o estroncio para me"orar el alineamiento de la estructura cristalina. La !rmula es Dn'3e8<>) donde D Fa Sr y 5.8 G n G 6.0. 7espués del molido, el polvo se comprime en una matriz, con un campo magnético aplicado si así se desea. Si no se aplica campo en este proceso, se obtendrá un imán is'tropo con iguales propiedades
magnéticas en todas direcciones, mientras que si se aplica un campo e$terior, se obtiene un imán anis'tropo con propiedades magnéticas pre!erenciales sobre un cierto e"e. El polvo compactado entonces se sinteriza a una temperatura de 11AA o H 1>AA 'de donde el nombre cerámico) para obtener un material compacto y se maquina hasta su !orma y tama0o !inales. %lternativamente, el polvo puede mezclarse con un aglutinante de polímeros y luego se e$trusiona o con!orma en una matriz por compresin o moldeo por inyeccin, produciendo un imán de !errita moldeada ' bonded ferrite) de !orma cualquiera. #ueden obtenerse propiedades anistropas aplicando un campo de orientacin durante el moldeo. omo las !erritas cerámicas usan partículas mono(dominio, su magnetismo permanente se basa en la anisotropía magnetocristalina. omo e"emplo, el diagrama muestra las curvas características de desmagnetizacin de varios compuestos de !errita cerámica. <
2amario3Cobalto
Itomos de los elementos llamados tierras raras tienden a !ormar compuestos intermetálicos con metales de transicin como 3e, ;i o o, y en la primera época del desarrollo de los imanes de estos materiales la teoría predecía que los elementos más livianos H en particular el samario H se combinaría de la !orma más !avorable con el cobalto para producir una alta anisotropía cristalina. La e$periencia con!irm la !actibilidad de varios compuestos intermetálicos, y el primer imán práctico se construy con el compuesto Smo 2, seguido más tarde por Sm 8o19. Los imanes de samario(cobalto se !abrican seg+n las mismas líneas que las !erritas. 7ado que tanto el samario como el cobalto son elementos relativamente caros, se !abrican imanes anistropos con propiedades pre!erenciales a lo largo de un e"e.
Los imanes de tierras raras tienen un mecanismo de !ronteras de dominio mucho más complicado que el derivado de la pura anisotropía magnetocristalina, lo que lleva a que las me"ores propiedades magnéticas se obtienen con un tama0o de grano mayor que el correspondiente a partí culas mono(dominio. Esto signi!ica que no slo las !ronteras de dominio pueden e$istir, sino que se mueven con relativa !acilidad dentro del grano. :ientras que esta característica permite que se alcance la magnetizacin de saturacin a+n con un modesto campo aplicado, una alta coercividad 'o coercitividad) intrínseca dependerá de la habilidad del grano para resistir la !ormacin de un dominio invertido cuando se aplica un campo de desmagnetizacin. Esta propiedad vital se controla por las !ronteras de grano, que están compuestas de desviaciones de la composicin primaria del material que proveen una !uerte !i"acin de las !ronteras de dominios en estos lugares. Este mecanismo, conocido como nucleaci'n, se da en imanes de Smo 2. Un grano en proceso de nucleacin se muestra en el diagrama 'a) de la !igura.
Sm8o19 di!iere de Smo 2 en que sus granos contienen una estructura de peque0as celdas como se ilustra en el diagrama 'b). El tratamiento térmico de este compuesto promueve la !ormacin de estas celdas de Sm 8o19, separadas por delgadas paredes de Smo2 que son las que proveen la !i"acin de las paredes de dominio 'en lugar de las !ronteras de grano). La fi%aci'n, en lugar de la nucleacin, es entonces el mecanismo de control en imanes de Sm 8o19, y mientras que este mecanismo provee una mayor coercividad intrínseca, debe aplicarse un campo mucho mayor para llevar inicialmente este material a su magnetizacin de saturacin. Ja sea un imán de tipo(nucleacin Smo 2 o de tipo(!i"acin Sm 8o19, es decir, ya sea que las paredes de dominio estén !i"as a las !ronteras de grano o de celda, se moverán bastante libremente una vez superadas estas !uerzas de !i"acin, y M sat se invertirá en !orma abrupta al alcanzar el campo aplicado el valor ( H ci, en una !orma similar al comportamiento terico derivado de la anisotropía magnetocristalina. omo e"emplo, en la !igura se muestran curvas de desmagnetizacin para diversos compuestos de Smo. Los imanes de Smo son generalmente muy caros para aplicaciones masivas. Se suelen utilizar en instrumental de laboratorio o especiales debido a sus e$celentes propiedades de directividad.
Neodimio30ierro3boro
Luego del e$itoso desarrollo de imanes de samario(cobalto, se trat de desarrollar imanes de tierras raras de menor costo. El hierro es un metal de transicin mucho más barato que el cobalto, y el neodimio es una tierra rara liviana mucho más abundante que el samario. 7iversas tierras raras D se combinaron con hierro en compuestos D 83e19, pero todos presentaron temperaturas de operacin muy ba"as para propsitos prácticos. Una me"ora signi!icativa ocurri con el descubrimiento de que el agregado de boro !ormaba un compuesto ternario con !uerte anisotropía tocristalina unia$ial, y una mayor temperatura de operacin. Un compuesto de neodimio(hierro(boro de !rmula apro$imada a ;d 83e15F present la me"or combinacin de propiedades magnéticas y térmicas. La estructura de la celda unitaria de este material se muestra en la !igura y consiste de 64 átomos. 26 son de 3e, que ocupan sitios cristalográ!icamente no equivalentes denominados 16K 1, 16K 8, 4"1, 4"8, 5e y 5c. Los imanes comerciales de ;d(3e(F vienen en muchas combinaciones de proporciones de ;d y 3e, lo que produce un amplio rango de propiedades disponibles.
Materiales magnéticos blandos
Los materiales magnéticos blandos son !ácilmente imanables y desimanables presentando curvas de histéresis de apariencia estrecha con ba"os campos coercitivos y alta saturacin, 'ver !igura) y teniendo por tanto altas permeabilidades magnéticas m. Este hecho es debido a la presencia de pocas imper!ecciones y de!ectos que constituyen obstáculos al movimiento de paredes de los dominios magnéticos al giro de la imanacin dentro de un dominio. gualmente, y para !avorecer estos movimientos, se requieren ba"as constantes de anisotropía y de magnetostriccin. El uso de estos materiales está centrado en n+cleos para trans!ormadores, motores, generadores, equipos de comunicacin de alta sensibilidad, etc.