Tipos de materiales magnéticos: Existen diversos tipos de comportamiento de los materiales magnéticos: el diamagnetismo y el paramagnetismo. En los materiales diamagnéticos, la disposición de los electrones de cada átomo es tal que se produce una anulación global de los efectos magnéticos. Sin embargo, si el material se introduce en un campo inducido, la sustancia adquiere una imantación débily en el sentido opuesto al campo inductor. Los materiales paramagnéticos no presentan la anulación global de efectos magnéticos, por lo que cada átomo que los constituye actúa como un pequeño imán. Sin embargo, la orientación de dichos imanes es, en general arbitraria, y el efecto global se anula. El magnetismo inducido, aunque débil, es suficiente intenso como para imponer al efecto magnético. Para comparar los tres tipos de magnetismo se emplea la razón entre el campo magnético inducido y el inductor. Electro magnetos Un electroimán es un imán hecho de alambre eléctrico bobinado en torno a un material magnético, como el hierro. Este tipo de imán es útil en los casos en que un imán debe estar encendido o apagado, por ejemplo, las grandes grúas paralevantar chatarra de automóviles. Magnetos temporales y permanentes Imán permanente: conserva su magnetismo sin un campo magnéticoexterior, mientras que un imán temporal sólo es magnético, mientras que esté situado en otro campo magnético. Inducir el magnetismo del acero en los resultados en un imán permanente sino de hierro pierde su magnetismo cuando la inducción de campo se retira. Un imán permanente puede ser la remoción de los imanes de someter a la calefacción, fuertes golpes o, colocarlo dentro de un solenoide se suministra con una reducción de corriente alterna. Imán temporal : como el hierro es un material adecuado para los electroimanes. Magnetsson hechas por acariciar con otro imán, la grabación, mientras que fija en un campo magnético opuesta dentro de una solenoide bobina se suministra con una corriente directa.
. ATERIALESMAGNETICOS Magnetización Definición El campo magnético se ve afectado por la presencia de medios materiales, porque estos están constituidos por dipolos magnéticos, tanto orbitales como intrínsecos (el espín). Para describir
esta distribución de dipolos en forma macroscópica se define la magnetización o emanación de un material en un punto como la densidad
Siendo un pequeño elemento de volumen en torno al punto . -
Campo magnético debido a una magnetización
El potencial vector magnético debido a una magnetización es una extensión de la expresión correspondiente a un solo dipolo
Una vez que se tiene el potencial vector, puede hallarse el campo magnético
También puede calcularse a partir de la superposición del campo de dipolos magnéticos
No obstante, la complejidad de estas integrales aconseja el uso de métodos alternativos de cálculo. Corrientes de magnetización La expresión del potencial vector puede transformarse en suma de potenciales vectores debidos a densidades de corriente
Donde
son las llamadas densidades de corriente de magnetización, de volumen y de superficie, respectivamente. Existe en las interfaces entre dos materiales. En el caso particular de la frontera entre un medio magnetizado magnetizado y el exterior, esta densidad se reduce a . Ecuaciones de la magnetostática en medios materiales Empleando las densidades de corriente de magnetización las ecuaciones para el campo magnético quedan como
y las condiciones de salto en las interfaces
siendo y las {densidades de corriente libres, definidos como como aquellas que no son de magnetización.
esta distribución de dipolos en forma macroscópica se define la magnetización o emanación de un material en un punto como la densidad
Siendo un pequeño elemento de volumen en torno al punto . -
Campo magnético debido a una magnetización
El potencial vector magnético debido a una magnetización es una extensión de la expresión correspondiente a un solo dipolo
Una vez que se tiene el potencial vector, puede hallarse el campo magnético
También puede calcularse a partir de la superposición del campo de dipolos magnéticos
No obstante, la complejidad de estas integrales aconseja el uso de métodos alternativos de cálculo. Corrientes de magnetización La expresión del potencial vector puede transformarse en suma de potenciales vectores debidos a densidades de corriente
Donde
son las llamadas densidades de corriente de magnetización, de volumen y de superficie, respectivamente. Existe en las interfaces entre dos materiales. En el caso particular de la frontera entre un medio magnetizado magnetizado y el exterior, esta densidad se reduce a . Ecuaciones de la magnetostática en medios materiales Empleando las densidades de corriente de magnetización las ecuaciones para el campo magnético quedan como
y las condiciones de salto en las interfaces
siendo y las {densidades de corriente libres, definidos como como aquellas que no son de magnetización.
Campo magnético H A menudo las densidades de corriente de magnetización son cantidades desconocidas a priori, por lo que interesa eliminarlas de las ecuaciones. Esto se consigue definiendo un campo auxiliar denominado campo campo magnético (para evitar confusiones con , conviene acompañar el nombre por el vector que lo representa). El campo se define como como
El campo posee tanto fuentes escalares como vectoriales. Sin embargo, embargo, en problemas de materiales con magnetización permanente (imanes) las densidades de corrientes libres pueden anularse y el campo hacerse ir rotacional, lo que permite establecer un paralelismo con el campo electrostático, con las cargas magnéticas ocupando el lugar de las eléctricas. Materiales magnéticos Las relaciones constitutivas que caracterizan los distintos materiales presentan una gran diversidad, a diferencia de lo que ocurre con los dieléctricos o con los medios conductores. Entre los distintos tipos de materiales, los más importantes son los siguientes: Medios lineales Son aquellos en los que la magnetización es proporcional al campo magnético H M=Xm H siendom la susceptibilidad magnética. Para los medios lineales, el campo magnético B es también proporcional al campo magnético H
La cantidad r = 1 + m es la denominada permeabilidad relativa del medio, mientras que = 0r es la permeabilidad absoluta. Dependiendo del signo de m, los materiales lineales se dividen en dos grupos: diamagnéticos y paramagnéticos.
Diamagnéticos Poseen una susceptibilidad negativa. En estos materiales, el campo se ve reducido por efecto de la magnetización inducida, que se opone al campo externo. Para casi todos los diamagnéticos y puede aproximarse . Paramagnéticos Tienen una susceptibilidad positiva. En los materiales paramagnéticos la magnetización refuerza al campo externo. La mayoría de los medios paramagnéticos tienen una
susceptibilidad muy pequeña. No obstante, existen sustancias paramagnéticas con muy alta susceptibilidad; estas sustancias, a bajas temperaturas se transforman en ferromagnéticas. Ferromagnéticos Se caracterizan por ser capaces de presentar una magnetización remanente en ausencia de campo externo, pudiendo ser empleados como imanes permanentes. Ferritas También conocidos como ferrimagnéticos. Similares a los ferromagnéticos en su comportamiento frente a un campo magnético, con la diferencia de que su conductividad eléctrica es muy inferior, lo que reduce las pérdidas por efecto Joule. Suelen ser óxidos metálicos como la magnetita. Superconductores Además de por una resistividad eléctrica nula, los materiales superconductores se caracterizan porque el campo magnético en su interior es siempre nulo (efecto Mesmer). Se inducen corrientes en la superficie de los superconductores que provocan que. Alternativamente, puede decirse que un superconductor es un diamagnético perfecto (m = 1, = 0).
Circuitos magnéticos Los materiales ferro- y ferrimagnéticos son especialmente útiles como núcleos de diversos dispositivos, como electroimanes y transformadores. En estos dispositivos, suele estar presente un bobinado alrededor de un núcleo magnético, de gran permeabilidad. El paso de la corriente por la bobina induce la aparición de un gran campo magnético en el núcleo. El problema completo, no obstante, suele ser imposible de resolver analíticamente, por lo que es preciso realizar aproximaciones. Dispositivo en el que las líneas de fuerza del campo magnético están en un camino cerrado. A menudo se trata de modelar el sistema por un circuito magnético. El dato principal es que . En este caso, en una interfaz plana entre el núcleo y el vacío se verifica
El empleo de circuitos magnéticos permite resolver de forma sencilla, pero aproximada, numerosos problemas prácticos. . Pequeña explicación del magnetismo [editar]Cada electrón es por su naturaleza, un pequeño imán (véase Momento dipolar magnético electrónico). Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en
un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados.
Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula por una bobina (ver dipolo magnético). De nuevo, en general, el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones, los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total medible.
El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica.
Historia [editar]Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de "Magnesia" en Asia Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el hierro y que los trocitos de hierro atraídos, atraían a su vez a otros. Estas se denominaron imanes naturales.
El primer filósofo que estudió el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que vivió entre 625 a. C. y 545 a. C.[1] En China, la primera referencia a este fenómeno se encuentra en un manuscrito del siglo IV a. C. titulado Libro del amo del valle del diablo: «La magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por éste».[2] La primera mención sobre la atracción de una aguja aparece en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 de nuestra era: «La magnetita atrae a la aguja».
El científico ShenKua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética y mejoró la precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el siglo XII los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Alexander Neckham fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta técnica, en 1187.
El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que en 1820, Hans Christian Ørsted, profesor de la Universidad de Copenhague, descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja magnética situada en ese entorno.[3] Muchos otros experimentos siguieron, con André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday y
otros que encontraron vínculos entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y explicó estas observaciones en sus ecuaciones de Maxwell. Unificó el magnetismo y la electricidad en un solo campo, el electromagnetismo. En 1905, Einstein usó estas leyes para comprobar su teoría de la relatividad especial,[4] en el proceso mostró que la electricidad y el magnetismo estaban fundamentalmente vinculadas.
El electromagnetismo continuó desarrollándose en el siglo XX, siendo incorporado en las teorías más fundamentales, como la teoría de campo de gauge, electrodinámica cuántica, teoría electrodébil y, finalmente, en el modelo estándar.
La física del magnetismo [editar] Magnetismo, electricidad y relatividad especial [editar]Artículo principal: Electromagnetismo Como consecuencia de la teoría de la relatividad especial de Einstein, la electricidad y el magnetismo estaban comprendidas como vinculantes. Tantoel magnetismo sin la electricidad como la electricidad sin magnetismo serían incoherentes con la nueva teoría por los efectos como la contracción de la longitud, la dilatación del tiempo y la dependencia de la velocidad en el campo magnético. Sin embargo, cuando ambas fueron tomadas en cuenta, la reciente teoría del electromagnetismo fue totalmente coherente con la relatividad.[5] En particular, un fenómeno que parece como eléctrico para un observador puede parecer magnético para otro, o más generalmente las contribuciones generales de la electricidad y el magnetismo son dependientes del marco de referencia.
Entonces, la "mezcla" de la relatividad especial entre electricidad y magnetismo en una sola dio un fenómeno inseparable llamado electromagnetismo (análogo a lo que la misma teoría "mezcló" al tiempo con el espacio en el espacio-tiempo).
Campos y fuerzas magnéticas [editar]Artículo principal: campo magnético El fenómeno del magnetismo es ejercido por un campo magnético, p.e. una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, éste al girar imparte una fuerza magnética a otras partículas que están en el campo.
Para una aproximación excelente (pero ignorando algunos efectos cuánticos, véase electrodinámica cuántica) las ecuaciones de Maxwell (que simplifican la ley de Biot-Savart en el caso de corriente constante) describen el origen y el comportamiento de los campos que gobiernan esas fuerzas. Por lo tanto el magnetismo se observa siempre que partículas cargadas eléctricamente están en movimiento. Por ejemplo, del movimiento de electrones en una corriente eléctrica o en casos del movimiento orbital de los electrones alrededor del
núcleo atómico. Estas también aparecen de un dipolo magnético intrínseco que aparece de los efectos cuánticos, p.e. del spin de la mecánica cuántica.
La misma situación que crea campos magnéticos (carga en movimiento en una corriente o en un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son también situaciones en que el campo magnético causa sus efectos, creando una fuerza. Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B, se ejerce una fuerza F dado por el producto cruz:
donde es la carga eléctrica de la partícula, es el vector velocidad de la partícula y es el campo magnético. Debido a que esto es un producto cruz, la fuerza es perpendicular al movimiento de la partícula y al campo magnético.
La fuerza magnética no realiza trabajo mecánico en la partícula, esto cambiaría la dirección del movimiento de ésta, pero esto no causa su aumento o disminución de la velocidad. La magnitud de la fuerza es : donde es el ángulo entre los vectores y .`
Una herramienta para determinar la dirección del vector velocidad de una carga en movimiento, es siguiendo la ley de la mano derecha (véase Regla de la mano derecha).
El físico alemán Heinrich Lenz formuló lo que ahora se denomina la ley de Lenz, ésta da una dirección de la fuerza electromotriz (fem) y la corriente resultante de una inducción electromagnética.
Dipolos magnéticos [editar]Artículo principal: dipolo magnético Se puede ver una muy común fuente de campo magnético en la naturaleza, un dipolo. Éste tiene un "polo sur" y un "polo norte", sus nombres se deben a que antes se usaban los magnetos como brújulas, que interactuaban con el campo magnético terrestre, para indicar el norte y el sur del globo.
Un campo magnético contiene energía y sistemas físicos que se estabilizan con configuraciones de menor energía. Por lo tanto, cuando se encuentra en un campo magnético, un dipolo magnético tiende a alinearse solo con una polaridad diferente a la del campo, lo que cancela al campo lo máximo posible y disminuye la energía recolectada en el campo al mínimo. Por ejemplo, dos barras magnéticas idénticas pueden estar una a lado de otra normalmente alineadas de norte a sur, resultando en un campo magnético más pequeño y resiste cualquier
intento de reorientar todos sus puntos en una misma dirección. La energía requerida para reorientarlos en esa configuración es entonces recolectada en el campo magnético resultante, que es el doble de la magnitud del campo de un magneto individual. (Esto es porque un magneto usado como brújula interactúa con el campo magnético terrestre para indicar Norte y Sur)
Una alternativa formulada, equivalente, que es fácil de aplicar pero ofrece una menor visión, es que un dipolo magnético en un campo magnético experimenta un torque y una fuerza que puede ser expresada en términos de un campo y de la magnitud del dipolo (p.e. sería el momento magnético dipolar). Para ver estas ecuaciones véase dipolo magnético.
Dipolos magnéticos atómicos [editar]La causa física del magnetismo en los cuerpos, distinto a la corriente eléctrica, es por los dipolos atómicos magnéticos. Dipolos magnéticos o momentos magnéticos, en escala atómica resultan de dos tipos diferentes del movimiento de electrones. El primero es el movimiento orbital del electrón sobre su núcleo atómico; este movimiento puede ser considerado como una corriente de bucles, resultando en el momento dipolar magnético del orbital. La segunda, más fuerte, fuente de momento electrónico magnético es debido a las propiedades cuánticas llamadas momento de spin del dipolo magnético (aunque la teoría mecánica cuántica actual dice que los electrones no giran físicamente, ni orbitan el núcleo). .. MATERIALES MAGNETICOS DEFINICIÓN Para empezar a hablar de los materiales magnéticos, es importante traer a colación términos como magnetismo, campo magnético y dipolo magnético. Magnetismo El magnetismo se define como un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales, algunos materiales presentan propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones, que comúnmente se llaman imanes, sin embargo todos los materiales son influenciados, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica. Campo magnético El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor q que se desplaza a una velocidad, sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y
proporcional tanto a la velocidad como al campo. El campo magnético es de naturaleza dipolar. Dipolo magnético Un dipolo magnético es una aproximación que se hace al campo generado por un circuito cuando la distancia al circuito es mucho mayor a las dimensiones del mismo. Basados en los conceptos anteriores, podemos decir que un material magnético es aquel en el cual sus átomos o iones se comportan como si fuesen pequeños imanes que interactúan entre sí. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES MAGNETICOS Desde un punto de vista macroscópico, las propiedades magnéticas de los materiales son consecuencia de los momentos magnéticos asociados a los electrones individuales. Cada electrón en un átomo tiene momentos magnéticos que se originan de dos fuentes. Una está relacionada con su movimiento orbital alrededor del núcleo; siendo una carga en movimiento, un electrón se puede considerar como un pequeño circuitocerrado de corriente, generando un campo magnético muy pequeño y teniendo un momento magnético a lo largo de su eje de rotación. Cada electrón además se puede considerar rotando alrededor de su eje; el otro momento magnético se forma de la rotación (spin) del electrón el cual se dirige a lo largo del eje de rotación y puede estar hacia arriba ó hacia abajo, según sea la dirección de rotación del electrón. En cualquier caso, el dipolo magnético o momento magnético debido al spin del electrón es el magnetón de Bohr, mB = 9.27 x 10-24A.m2. El magnetón de Bohr puede ser positivo o negativo dependiendo del sentido de giro del electrón. En una capa atómica llena, los electrones están emparejados con electrones de spin opuesto, proporcionando un momento magnético neto nulo (+mB - mB =0) por esta, razón los materiales compuestos de átomos que tienen sus orbitales o capas totalmente llenas, no son capaces de ser permanentemente magnetizados. Aquí se incluyen los gases inertes así como algunos materiales iónicos.
FIGURA 1 Para continuar con el estudio de las propiedades macroscópicas de los materiales magnéticos, debemos hacer uso de tres términos importantes, que nos ayudan en la caracterización de los mismos, inducción, permeabilidad y susceptibilidad magnética. Inducción magnética La inducción magnética o densidad de flujo magnético, cuyo símbolo es B, es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo. La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el tesla. Está dado por:
Donde B es la densidad del flujo magnético generado por una carga que se mueve a una velocidad v a una distancia r de la carga, y ur es el vector unitario que une la carga con el punto donde se mide B (el punto r). Permeabilidad magnética En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de sí 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. La magnitud así definida, el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético, se denomina permeabilidad absoluta y se suele representar por el símbolo :
Donde B es la inducción magnética (también llamada densidad de flujo magnético) en el material, y H es intensidad de campo magnético. Permeabilidad magnética del vacío La permeabilidad del vacío, conocida también como constante magnética, se representa mediante el símbolo 0 y se define como:
La permitividad eléctrica - que aparece en la Ley de Coulomb - y la constante magnética del vacío están relacionadas por la fórmula:
Donde c representa velocidad de la luz en el espacio vacío. Permeabilidad relativa, comparación entre materiales Para comparar entre sí los materiales, se entiende la permeabilidad magnética absoluta () como el producto entre la permeabilidad magnética relativa (r) y la permeabilidad magnética de vacío (0): = r0 Los materiales se pueden clasificar según su permeabilidad magnética relativa en: * ferromagnéticos, cuyo valor de permeabilidad magnética relativa es muy superior a 1. * paramagnéticos o no magnéticos, cuya permeabilidad relativa es aproximadamente 1 (se comportan como el vacío). * diamagnéticos, de permeabilidad magnética relativa inferior a 1. INSERTAR TABLA
http://es.wikipedia.org/wiki/Permeabilidad_magn%C3%A9tica Susceptibilidad magnética La susceptibilidad magnética es el grado de magnetización de un material, en respuesta a un campo magnético. La susceptibilidad magnética se representa por el símbolo , y no tiene dimensiones.
Donde M es la magnetización del material (la intensidad del momento magnético por unidad de volumen) y H es la intensidad del campo magnético externo aplicado. Si es positivo, el material se llama paramagnético (o ferromagnético), y el campo magnético se fortalece por la presencia del material. Si es negativa, el material es diamagnético, y el campo magnético se debilita en presencia del material. La susceptibilidad magnética y la permeabilidad magnética () están relacionadas por la siguiente fórmula: = 0(1 + ) Donde 0 es la permeabilidad magnética del vacío. Diamagnetismo El diamagnetismo es un efecto universal porque se basa en la interacción entre el campo aplicado y los electrones móviles del material. El diamagnetismo queda habitualmente enmascarado por el paramagnetismo, salvo en elementos formados por átomos o iones que se disponen en capas electrónicas cerradas, ya que en estos casos la contribución paramagnética se anula. Las características esenciales del diamagnetismo son:
* Los materiales diamagnéticos se magnetizan débilmente en el sentido opuesto al del campo magnético aplicado. Resulta así que aparece una fuerza de repulsión sobre el cuerpo respecto del campo aplicado. * La susceptibilidad magnética es negativa y pequeña y la permeabilidad relativa es entonces ligeramente menor que 1. * La intensidad de la respuesta es muy pequeña.
Clasificación de los materiales de acuerdo a sus propiedades magnéticas Materiales diamagnéticos Un campo magnético externo actuando sobre los átomos de un material desequilibra ligeramente los electrones de los orbitales y crea pequeños dipolos magnéticos en los átomos
que se oponen al campo aplicado. Esta acción produce un efecto magnético negativo conocido como di a magnetismo. El diamagnetismo produce una susceptibilidad magnética negativa muy débil, del orden de M =10 -6. El diamagnetismo ocurre en todos los materiales, pero en muchos el efecto magnético negativo queda cancelado por efectos magnéticos positivos.
FIGURA 2: ilustración esquemática las configuraciones del dipolo magnético atómico para un material diamagnético con y sin campo externo; aquí las flechas representan momentos dipolares atómicos.
Materiales paramagnéticos Los materiales que presentan una pequeña susceptibilidad magnética positiva por la presencia de un campo magnético se denominan paramagnéticos y al efecto magnético se denomina paramagnetismo. Se produce por alineación individual de los momentos dipolares magnéticos de los átomos o moléculas bajo la acción de un campo magnético aplicado. El paramagnetismo produce susceptibilidades magnéticas en los materiales en un rango de 10-6 hasta 10-2 y se produce en muchos materiales. El efecto paramagnético en los materiales desaparece cuando se elimina el campo magnético aplicado. Puesto que la agitación térmica distribuye aleatoriamente la dirección de los dipolos magnéticos, un incremento en la temperatura disminuye el efecto paramagnético. FIGURA 3: Estos dipolos magnéticos actúan individualmente sin interacción mutua entre dipolos adyacentes. Como los dipolos se alinean con el campo externo, ellos se engrandecen, dando lugar a una permeabilidad relativa mr, mayor que la unidad y a una relativamente pequeña pero positiva susceptibilidad magnética. El efecto del paramagnetismo desaparece cuando se elimina el campo magnético aplicado.
Materiales ferromagnéticos El diamagnetismo y el paramagnetismo son inducidos por un campo magnético aplicado, y la imanación permanece sólo mientras se mantenga el campo. Un tercer tipo de magnetismo, denominado ferromagnetismo, es de gran importancia en ingeniería. Los materiales ferromagnéticos producen campos magnéticos que pueden mantenerse o eliminarse a voluntad.
Los elementos ferromagnéticos más importantes son el hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel (Ni). Las propiedades ferromagnéticas son debidas al modo en el que los espines de los electrones internos desapareados se alinean en la red cristalina. Las capas internas de átomos individuales se llenan con pares de electrones con espines opuestos, y de esta forma no queda ningún momento dipolar magnético debido a ellos. En los sólidos, los electrones externos de
valencia se combinan unos con otros formando enlaces químicos de forma que no queda ningún momento magnético significativo debido a estos electrones. En el Fe, Co y Ni los electrones internos 3d son los responsables del ferromagnetismo que presentan estos elementos. El átomo de hierro posee cuatro electrones 3d desapareados, el átomo de cobalto tres y el átomo de níquel dos.
En una muestra sólida de Fe, Co o Ni a temperatura ambiente los espines de los electrones 3d de átomos adyacentes se alinean en una dirección paralela por un fenómeno denominado imanación espontánea. Esta alineación paralela de dipolos magnéticos atómicos ocurre sólo en regiones microscópicas denominadas dominios magnéticos. Si los dominios están aleatoriamente orientados, entonces no se generará imanación neta en una muestra masiva. La alineación paralela de los dipolos magnéticos en los átomos de Fe, Co y Ni es debido a la formación de un intercambio positivo de energía entre ellos.
Efectos de la temperatura en el ferromagnetismo
La energía térmica hace que los dipolos magnéticos de un material ferromagnético se desvíen de su alineamiento. Al aumentar la temperatura, se alcanza una temperatura en la cual el ferromagnetismo de los materiales ferromagnéticos desaparece completamente, y el material se toma paramagnético. Esta temperatura se denomina temperatura de Curie. FIGURA4: Efecto de la temperatura sobre la imanación de saturación en un material ferromagnético.
Cuando una muestra de material ferromagnético es enfriada por debajo de su temperatura de Curie, se vuelven a formar los dominios ferromagnéticos y el material se vuelve ferromagnético de nuevo. Las temperaturas de Curie del Fe, Co y Ni son 770, 1123 y 358 °C, respectivamente.
Dominios ferromagnéticos
Por debajo de la temperatura de Cune, los momentos dipolares magnéticos de los átomos de materiales ferromagnéticos tienden a alinearse por sí mismos en una dirección paralela en pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos. Cuando un material ferromagnético es desimanado por enfriamiento lento desde encima de su temperatura de Curie, los dominios
magnéticos se alinean aleatoriamente de forma que no hay ningún momento magnético neto para una muestra masiva.
FIGURA 5: Dominios magnéticos en un metal ferromagnético. Todos los dipolos magnéticos en cada dominio están alineados, pero los dominios están alineados aleatoriamente de forma que no hay magnetización neta
Cuando se aplica un campo magnético externo a un material ferromagnético desimanado, los dominios magnéticos cuyos momentos están inicialmente paralelos al campo magnético aplicado crecen a expensas de los dominios menos favorablemente orientados; el crecimiento del dominio tiene lugar por el movimiento de las paredes del dominio
FIGURA 6: Crecimiento y rotación de los dominios magnéticos de un aplicado
Magnetización y desmagnetización de un metal ferromagnético
La figura representa el efecto de un campo aplicado H sobre la inducción magnética B de un metal ferromagnético durante la imanación y desimanación (llamada curva de histéresis).
FIGURA 7: Curva de histéresis
Hc : campo coercitivo definido como el campo necesario necesario para anular la inducción magnética en el material Br : inducción magnética remanente, valor de B para H = 0; en este punto todo el B presente es debido a la imanación remanente en el material BS : inducción de saturación que es valor límite de B m0H para valores grandes de campo magnético; este valor es suma de la imanación de saturación en el material más el campo aplicado MS : imanación de saturación = BS /m0. En este punto tenemos en el material un único dominio con su imanación apuntando en la dirección del
campo aplicado mr : permeabilidad relativa definida como la pendiente de la recta asociada al movimiento irreversible de paredes de dominio en el primer ciclo de aplicación de campo
Al comenzar a aumentar el campo magnético aplicado sobre una muestra ferromagnética, inicialmente no imanada, se observa un aumento de la inducción. Este aumento es inicialmente lento, debido al movimiento reversible de paredes de dominios, para luego acelerarse, movimiento irreversible de paredes de dominios, siguiendo una linea recta cuya pendiente define la permeabilidad magnética del material mr. En ambos casos de movimientos de paredes, crecen los dominios favorablemente orientados en la dirección del campo aplicado. Este proceso continúa hasta alcanzar un valor de saturación, único dominio con su imanación en la dirección del campo aplicado, por encima del cual B sigue una linea de crecimiento recta asociada únicamente al aumento de H. El corte de esta linea recta con el eje de la inducción señala el valor de la imanación de saturación MS dado por BS /m0. Si ahora reducimos el valor del campo magnético, la inducción no sigue el mismo camino sino que decrece más lentamente hasta alcanzar un valor remanente Br a campo magnético aplicado nulo. Esta inducción magnética es motivada por la imanación remanente que permanece en el material al eliminar el campo y asociada al movimiento irreversible de paredes al quedar éstas enganchadas en imperfecciones que impiden el retorno a su posición original. Es necesario aplicar un campo magnético coercitivo en sentido opuesto al primero y de valor Hc para anular esta imanación remanente. La reducción de este campo magnético y su posterior inversión en el mismo sentido que el campo primeramente aplicado cierran el ciclo de histéresis magnético. En este proceso de imanación se gasta energía empleada en desplazar las paredes de los dominios y en girar la imanación en el sentido del campo aplicado. Parte de esta energía queda almacenda en el material en forma de imanación remanente al hacer el campo aplicado igual a cero. La densidad de energía almacenada en el material al aumentar H de 0 a H es
0H´0H.dM
FIGURA 8-A: Curva de energía de imanación FIGURA 80
B: Curva de energía de desimanación
FIGURA 8-c: Curva de energía disipada n en el ciclo
La energía recuperada al reducir H a cero es el área sombreada en b). La energía disipada en un ciclo será la diferencia entre a) y b) es decir el área sombreada en c) y por tanto, la energía disipada en un ciclo y almacenada en el material ferromagnético es el área encerrada en la curva de histéresis.
Estructura de los dominios
La estructura de dominios de un material ferro-ferrimagnético está determinada por varios tipos de energía. La estructura más estable se alcanza cuando la energía potencial del conjunto es mínima. La energía magnética total del material es la suma de las siguientes contribuciones:
Ø Energía de canje Ø Energía de anisotropía Ø Energía de la pared el dominio Ø Energía magnetoestrictiva Ø Energía magnetoestática
Energía de anisotropía
En un cristal ferromagnético existe una energía denominada energía magneto-cristalina o de anisotropía que hace que la imanación se oriente preferentemente a lo largo de ciertos ejes cristalográficos definidos llamados direcciones de fácil imanación. Esta energía no proviene de la interacción de canje isótropa considerada hasta ahora si no que es debida a interacciones electrostáticas asociadas a distribuciones electrónicas. Las curvas presentadas en la figura posterior muestran las direcciones de fácil imanación para el Fe, Co y Ni.
Figura 9. Curvas de imanación para Fe, Ni y Co. En el Fe (BCC), las direcciones [100] son de fácil imanación y las [111] las desfavorables mientras que para el Ni (FCC) las direcciones [111] son de fácil imanación y las [100] las desfavorables. El Co es un cristal hexagonal en el que el eje hexagonal es la dirección de fácil imanación a temperatura ambiente.
Para materiales ferromagnéticos policristalinos, los granos a diferentes orientaciones alcanzarán imanación de saturación a diferentes intensidades de campo. Los granos cuyas orientaciones están en la dirección de fácil imanación se saturarán a bajos campos, mientras que los orientados en las direcciones difíciles, deberán rotar su momento resultante en la dirección del campo, de manera que alcanzarán la saturación a campos mucho más altos. El trabajo realizado para rotar los dominios debido a esta anisotropía se denomina energía de anisotropía magnetocristalina.
La energía de anisotropía tiene su origen en el hecho de que la distribución de cargas de iones próximos no es esférica sino esferoidal, debido a interacción spin-órbita. La asimetría en la distribución de carga está ligada a la dirección del spin provocando que la rotación de la dirección de los spins con respecto a los ejes cristalinos cambia la energía de canje y la energía de interacción electrostática entre átomos vecinos tal y como se esquematiza en la figura
Figura 4.4. La asimetría en el solape de las distribuciones electrónicas de iones próximos es un mecanismo de anosotropíamagnetocristalina dado que una rotación de las direcciones de spin con respecto a los ejes cristalinos cambia la energía de canje así como la energía de las interacciones electrostáticas de las cargas. La energía de a) no es la misma que la de b)
La densidad de energía de anisotropía depende del grado de desorientación de la imanación respecto a la dirección de fácil imanación. Como ejemplo, en el cobalto, siendo q el ángulo que forma la imanación con el eje hexagonal, y a temperatura ambiente, esta densidad de energía vale anis = K1sen2q + K2sen4q
conK1= 4,1x105 J/m3 y K2=1x105 J/m3
Para el Fe y el Ni que son cristales cúbicos la densidad de energía de anisotropía en función de la dirección de imanación (a1, a2, a3 cosenos directores) y a temperatura ambiente vale
Las constantes de anisotropía K tienden a cero cuando la temperatura se acerca a la temperatura de Curie.
Energía de pared de los dominios
Se denomina pared de dominio o pared de Bloch en un cristal a la zona de transición que separa dos dominios magnéticos adyacentes, imanados en direcciones diferentes. La variación completa de spin no ocurre de un salto discontinuo en un solo plano atómico, sino de forma gradual sobre un gran número de planos atómicos, ya que la energía de canje es menor cuando se reparte sobre un gran número de spins, figura Figura 10: Estructura de la pared de Bloch separando 2 dominios.
Energía magnetoestrictiva
Cuando un material se imana, sus dimensiones cambian ligeramente y la muestra se expandirá o contraerá en la dirección de imanación. Esta deformación elástica reversible inducida magnéticamente (Dl/l) se denomina magnetostricción y es del orden de 10-6. El Ni, por ejemplo, a la imanación de saturación se contrae unos 40 ppm en la dirección de imanación y se expande en la dirección transversal a la imanación. La energía debida a los esfuerzos mecánicos de la magnetoestricción se llama energía magnetoestrictiva. El origen de la magnetoestricción está relacionado con el cambio en la longitud de enlace entre átomos, cuando el momento dipolar de su spin electrónico está rotando para la alineación durante la imanación. Los dipolos pueden atraerse o repelerse uno a otro, dando lugar a la contracción o expansión del material durante la imanación. En una distribución de dominios, los cambios dimensionales de los respectivos dominios harán que éstos no encajen exactamente dando lugar a una energía elástica de elongación. Este aumento de energía del sistema es una limitación a la formación de dominios magnéticos.
Figura 11 Magnetoestricción en materiales cúbicos magnéticos. (a) Negativa. (b) Positiva. (c) Disminución de la magnetoestricción por la creación de dominios más estrechos
Energía magnetoestática
La energía magnetoestática es la energía potencial magnética de un material ferromagnético debida al campo magnético externo generado. El siguiente esquema muestra diferentes configuraciones de dominios y su energía magnetostática asociada.
FIGURA 12: Esquema de configuraciones de dominios y energías magnetoestáticas asociadas
a) la existencia de un dominio único implica la aparición de polos magnéticos sobre la superficie del cristal dando lugar a un valor elevado de la energía magnética almacenada en el campo exterior de la muestra y que es proporcional a MS 2/m0 » 0,01 J/cm3
b) la división del cristal en 2 dominios de imanación opuesta implica una reducción de la energía magnética a la mitad
c) la división en N dominios da lugar a una reducción de la energía magnética en ~1/N debido a la reducida extensión del campo
d y e) la energía magnética es igual a 0 debido a la aparición de los denominados dominios de cierre con ángulos de los límites triangulares con la imanación igual a 45°. No hay campo magnético externo asociado a la imanación.
Dominios magnéticos y ciclo de histéresis Hemos visto como la estructura de dominios es una consecuencia natural de las distintas contribuciones a la energía de un cuerpo ferromagnético (energía de canje, de anisotropía, magnetostática y magnetostrictiva). La configuración de dominios en equilibrio se alcanza cuando la suma de las energías magnetoestrictivas, magnetoestáticas y de las paredes de Bloch alcanza un mínimo. El aumento del número de dominios minimiza la energía asociada al campo magnético externo. Por otro lado, la energía magnetostrictiva puede ser grande si el volumen de los dominios de cierre es grande lo que implica que los dominios tienden a ser estrechos para reducir el volumen de dominios de cierre. Sin embargo, el material no se divide en un mosaico infinitamente fino de dominios debido a que la formación de paredes de Bloch precisa energía adicional.
El ciclo de histéresis magnético está íntimamente ligado a la estructura de dominios presente en el material. Así como la imanación de saturación queda determinada únicamente por el material magnético estudiado, parámetros tales como la imanación remanente ó el campo coercitivo dependen, no solo de material, sino también de su microestructura, tamaño de grano y presencia de defectos, y de su relación con los dominios magnéticos. La figura 13 muestra un esquema de la dependencia de la coercitividad con el tamaño de grano del material.
FIGURA 13: Diagrama Coercitividad Vs. Diámetro de la partícula.
Se distinguen básicamente dos zonas: la zona multidominio (MD) en donde cada grano presenta en su interior varios dominios magnéticos, y la zona de dominio único (SD) en donde cada grano está asociado a un único dominio. Los materiales magnéticosen la zona MD presenta campos coercitivos y remanencias bajas dado que la imanación está asociada a movimientos de paredes de dominios, proceso energéticamente sencillo y realizable a campos magnéticos bajos. En cambio en la zona SD, la imanación está asociada a rotaciones de la imanación en el dominio, proceso energéticamente costoso, dando lugar a remanencias y coercitividades altas. Para la magnétita, el tamaño de grano de transición entre la zona SD y MD está en torno a los 80 nm. Si dentro de la zona SD el tamaño de grano sigue disminuyendo, entramos en la zona superparamagnética (SPM) en donde tanto la coercitividad como la remanencia se hacen cero.
Materiales antiferromagnéticos
En presencia de un campo magnético, los dipolos magnéticos de los átomos de los materiales anti-ferromagnéticos se alinean por sí mismos en direcciones opuestas. Los elementos manganeso y cromo, en estado sólido y a temperatura ambiente, presentan anti-ferromagnetismo
FIGURA 14: Orientación de los dominios magnéticos en un material antiferromagnético
Materiales Ferrimagnéticos
En algunos materiales cerámicos, iones diferentes poseen distinta magnitud para sus momentos magnéticos y cuando estos momentos magnéticos se alinean de forma antiparalela, se produce un momento magnético neto en una dirección. Como grupo, los materiales ferrimagnéticos se denominan ferritas. Hay muchos tipos de ferritas. Un grupo se basa en la magnetita, Fe3O4, que es la antiguamente conocida piedra magnética. Las ferritas poseen baja conductividad, que la hacen útil para muchas aplicaciones electrónicas.
Ferritas
Son materiales cerámicos ferrimagnéticos que se preparan mezclando óxido de hierro (Fe2O3) con otros óxidos y carbonatos en forma de polvo. Los polvos son posteriormente prensados y sinterizados a elevadas temperaturas. Las imanaciones de las ferritas son lo suficientemente altas como para tener un valor comercial, pero su saturación magnética no es tan elevada como la producida por materiales ferromagnéticos. Las ferritas tienen estructura de dominios y las curvas de histéresis son parecidas a las de los materiales ferromagnéticos. Como éstos, las ferritas también se dividen en blandas y duras.
Ferritas magnéticamente blandas. Tienen la composición MO×Fe2O3 (M = Fe2+, Mn2+, Zn2+) con estructura de espinela inversa, variante de la estructura cristalina del mineral espinela (MgO×Al2O3). Presentan imanaciónes de saturación elevadas aunque menor que en los materiales ferromagnéticos. Cabe destacar su alta resistividad eléctrica siendo prácticamente aislantes. Esto motiva bajas pérdidas de energía porcorrientes parásitas, factor importante por ejemplo en aplicaciones a altas frecuencias. Sus aplicaciones más importantes son en baja señal transformadores e inductores de baja energía, núcleos de memoria, cabezas de grabación, por ejemplos espinelas Mn-Zn y Ni-Zn, aparatos audiovisuales, transformadores de líneas ó bobinas de convergencia para televisión.
Ferritas magnéticamente duras. Su fórmula general es MO×6Fe2O3 (M = Ba2+, Sr2+) con estructura cristalina hexagonal. Estos materiales presentan una gran coercitivadad y una elevada anisotropía magnetocristalina. Encuentra aplicaciones en generadores, servomotores y motores, aplicaciones electrónicas tales como imanes para auriculares y timbres de teléfonos y receptores, dispositivos de retención de puertas, precintos y pestillos ó en el diseños de juguetes.
Clasificación de los materiales magnéticos según su curva de histeresis MATERIALES MAGNÉTICAMENTE BLANDOS Un material magnético blando es aquel que es fácil de imanar y desimanar. La dureza física de un material magnético no necesariamente indica que sea magnéticamente blando o duro.
FIGURA 15: Ciclos de histéresis para un material magnético blando. El material magnético blando tiene un ciclo de histéresis estrecho lo que hace fácil su imanación y desimanación
Materiales blandos, tal como aleaciones de hierro con 3-4 % de silicio son utilizados en núcleos para transformadores, motores y generadores, poseen ciclos de histéresis estrechos con pequeñas fuerzas coercitivas.
COLOCAR TABLA DE MATERIALES BLANDOS
MATERIALES MAGNÉTICAMENTE DUROS Los materiales magnéticamente duros o permanentes se caracterizan por un alto campo coercitivo H, y una alta inducción magnética remanente Br, como se indica esquemáticamente. Por ello los ciclos de histéresis de los materiales magnéticamente duros son anchos y altos. Estos materiales se imanan en presencia de un campo magnético lo suficientemente intenso como para orientar sus dominios magnéticos en la dirección del campo aplicado. Los materiales magnéticamente duros son difíciles de desimanar una vez han sido imanados. FIGURA 16: Ciclos de histéresis para un material magnético duro.
USOS DE LOS MATERIALES MAGNETICOS Los materiales magnéticos constituyen unos de los grupos de materiales con diversas aplicaciones en el campo de las ciencias e ingenierías. Actualmente el uso de estos materiales es de sumo interés en todo tipo aplicaciones. A continuación vamos a mencionar algunas de las mas significativas:
Ejemplos de materiales magnéticos blandos y sus aplicaciones
Aleaciones de Fe y Si. Los materiales magnéticos blandos de más amplia utilización, por ejemplo en motores, tranformadoresó generadores, son las aleaciones de Fe con 3-4% en peso de Si. Al añadir Si en solución sólida al Fe, la aleación resultante presenta unas pérdidas de energía por histéresis menores, volviéndose más blando magnéticamente, como consecuencia de varios fenómenos. Primero disminuyen los intersticiales de oxígeno presentes atrapados por el Si; estos intersticiales son unos defectos que dificultan el movimiento de las paredes de los dominios. Además existe una reducción de la energía de anisotropía magnetocristalina y de la magnetostricción provocando un aumento de la permeabilidad magnética. Finalmente, la adicción de Si da lugar a un aumento en la resistividad eléctrica disminuyendo las perdidas por corrientes parásitas, hecho importante en transformadores y máquinas funcionando en corriente alterna. Como efectos negativos aparecen la disminución de la imanación de saturación y de la temperatura de Curie de la aleación. Ademas disminuye la ductilidad del Fe provocando que para contenidos de Si mayores del 4% no se puede laminar el material.
Otro mecanismo que reducen las pérdidas magnéticas en estas aleaciones es conseguir que en el proceso de laminación, la orientación de los granos sea tal que la dirección de fácil
imanación <100> quede en el plano de la lámina. Esta es la denominada tectura de Goss, figura en la que el plano del laminado es el Finalmente se suelen adoptar estructura laminares empleándose por ejemplo en núcleos de transformadores láminas de Fe-3%Si de 0,25 a 0.35 mm de espesor, con una capa aislante entre ellas con el objetivo de reducir las corrientes parásitas.
FIGURA 17:
Vidrios metálicos. Los vidrios metálicos son una clase relativamente nueva de materiales metálicos cuya característica dominante es una estructura no cristalina (amorfa). Se fabrican por un proceso de solidificación rápida (~106 °C/s). Los vidrios metálicos tienen una propiedades notables: son muy fuertes, muy duros con alguna flexibilidad, y muy resistentes a la corrosión. Magnéticamente son materiales muy blandos, y esa es una de las principales razones de su importancia. Consisten esencialmente en combinaciones de los metales ferromagnéticos Fe, Co y Ni con los metaloides B y Si. En los vidrios metálicos, al no haber fronteras de grano ni anisotropía cristalina de gran alcance, las paredes de los dominios se mueven con facilidad, la energía de anisotropía es practicamente 0, las pérdidas de histéresis son muy pequeñas y poseen una alta permeabilidad. Además, al ser materiales amorfos, su resistividad es alta, es decir, las pérdidas por corrientes parásitas serán muy pequeñas.
La tabla 4.2 muestra una recopilación de los vidrios metálicos más conocidos y de sus propiedades. El material más común se denomina Metglas (Fe80B20 ® Metglas 2605). Este tipo de materiales encuentra aplicaciones en transformadores de energía, sensores magnéticos de posición ó deformación y cabezas de grabación.
Aleaciones de Fe y Ni. Poseen energías magnetocristalina y magnetostrictiva muy bajas, y por eso tienen mayores permeabilidades a campos bajos que las aleaciones de Fe-Si, tabla 4.1. Los materiales más conocidos son el Permalloy (Fe + 45%Ni) y el Supermalloy (79% Ni). Su aplicación más importante es la comunicación de alta sensibilidad, en la que el equipo ha de recibir o transmitir pequeñas señales.
Ejemplos de materiales magnéticos duros y sus Aplicaciones Alnico (aleaciones de Al, Ni y Co). Las aleaciones alnico son aleaciones de Al, Ni y Co más Fe como material base, y son los más importantes materiales magnéticos duros que se utilizan hoy en día. En EEUU cuentan con un 35% del mercado de los materiales magnéticos. Estas aleaciones se caracterizan por un producto (BH)máx muy alto, una alta imanación remanente y
una fuerza coercitiva moderada. La figura 4.10 muestra las aleaciones alnico más importantes. Las aleaciones de alnico son frágiles y se fabrican mediante fundición o procesos de metalurgia de polvos. Los polvos de alnico se usan principalmente para producir grandes cantidades de pequeños artículos con formas complejas. En cuanto a su estructura, por encima de la temperatura de tratamiento térmico por solución (~1250°C), las aleaciones alnico son de fase sencilla, con estructura cristalina bcc. Durante el enfriamiento a 750-850°C se descomponen en otras dos fases bcc, a y a. La matriz de la fase a es rica en Ni y Al y poco magnética, mientras que el precipitado a es rico en Fe y Co y por lo tanto posee una imanación más alta que la fase a. La fase a se asemeja a una varilla alineada en las direcciones á100ñ, y tiene dimensiones aproximadas de unos 10 nm de diámetro y 100 nm de longitud. Si el tratamiento térmico se hace en presencia de un campo magnético, el precipitado a forma minúsculas partículas delgadas y alargadas en la dirección del campo magnético en una matriz de fase a. La alta coercitividad de los alnicos se atribuye a la dificultad de rotación de las particulas de dominio sencillo de la fase a, debido a su anisotropía geométrica. Cuanto mayor sea la relación de aspecto (longitud/anchura), mayor será la coercitividad de la aleación.
Figura 18 . Desarrollo de las composiciones químicas de las aleaciones Alnico. La aleación original fue descubierta por Mishima en Japón en 1931
Aleaciones de las Tierras Raras. Las aleaciones de tierras raras se están empezando a producir a gran escala y tienen propiedades magnéticas superiores a las de cualquier material magnético comercial. Presentan los mayores productos de energía, (BH)máx, y fuerzas coercitivas muy altas. El origen del magnetismo en los elementos de las tierras raras se debe casi completamente a sus electrones desapareados 4f. Hay dos grupos principales de materiales magnéticos basados en tierras raras: unos basados en una fase única de SmCo5, y otros basados en aleaciones endurecidas por precipitación, de composición aproximada Sm(Co,Cu)7,5. Los imanes basados en la fase simple SmCo5 son los de uso más común. El mecanismo de coercitividad se basa en la nucleación y fijación de las paredes de dominio de las superficies y fronteras de grano. Estos materiales se fabrican mediante técnicas de metalurgia de polvos usando partículas finas (1-10 mm). Al aplicarles presión durante la compactación, las partículas son alineadas en un campo magnético. Un posterior tratamiento de sinterización previene el crecimiento de las partículas prensadas.
Los imanes Sm-Co son usados en en dispositivos médicos tales como motores ligeros en bombas implantables y válvulas. También se utilizan para motores de paso de relojes electrónicos de pulso y tubos electrónicos que crean ondas de radiofrecuencia. Corriente continua, motores sincronizados y generadores son producidos a partir de imanes de tierras raras, obteniéndose una notable reducción de tamaño.
Aleaciones magnéticas de Nd-Fe-B. Estas aleaciones fueron descubiertas en 1984, y tienen los productos (BH)máx más altos que se conocen. Se pueden considerar como un caso extremo de las aleaciones anteriores. Su alta coercitividad y producto (BH)máx resultan de la dificultad de invertir los dominios magnéticos, que normalmente nuclean en las juntas de grano con fases intergranulares ricas en Nd no ferromagnéticas, formados y alineados en los granos constitutivos de la matriz Nd2Fe14. Este proceso maximiza tanto Hc como (BH)max para el conjunto de agregados del material. Las aplicaciones más habituales son todo tipo de motores eléctricos, especialmente los de arranque de automoción, debido a la reducción en peso y a la posibilidad de fabricación compacta.
Aleaciones magnéticas Co-Pt-Cr: El soporte magnético para almacenamiento de alta densidad de datos, discos duro de ordenadores, está basado en películas delgadas de este tipo de aleaciones depositadas por sputtering. La elección de este material está basada en la segregación química en dos fases, una magnética en el interior del grano, con un tamaño de grano alrededor de 10 nm, y otra no magnética en junta de grano que los separa. Este hecho permite una interacción entre granos débil permitiendo transiciones magnéticas bien definidas (bit de almacenamiento). Este hecho, unido a un pequeño tamaño de grano, posibilita aumentar la densidad de integración de información. En películas delgadas de CoPtCr, el Cr difunde hacia la junta de grano resultando en un grano magnético rico en Co rodeado de juntas de grano ricas en Cr y pobremente magnéticas. La adición de B reduce el tamaño de grano y ayuda a la formación de la fase no magnética que separa los granosmagnéticos. .
1. MATERIALES MAGNÉTICOS Para comprender mejor que es el magnetismo, debemos mirar su historia y definición. Hace miles de años, en un lugar de Asia Menor se encontraron algunas piedras que tenían la rara propiedad de atraer a otras. Se trataba de pequeños trozos de mineral de hierro, que se denominaron magnetos, ya que se hallaron en la ciudad de Magnesia. Hace ya hace 200 años se sabía en China que, con libertad de movimiento, un imán se coloca siempre en posición Norte-Sur. Suspendiendo de un hilo una aguja magnética o dejándola flotar sobre un trozo de madera, en una vasija con agua, con esto se obtuvo una brújula sencilla. El magnetismo es aquel fenómeno físico que se asocia con la atracción o repulsión de ciertos materiales sobre otros. En nuestros tiempos se ha podido determinar que el fenómeno magnético se produce cuando hay cargas eléctricas en movimiento. En sí, los átomos son pequeños imanes, ya que contienen partículas cargadas eléctricamente: electrones que giran alrededor de un núcleo. A pesar de este hecho, la mayoría de los materiales no ejercen ninguna fuerza magnética exterior. Esto se debe a que los pequeños imanes que forman parte
del material están orientados en diferentes sentidos, de modo que sus fuerzas se compensan entre sí. En materiales magnéticos como el hierro, níquel y cobalto los átomos están ordenados de manera que sus campos magnéticos cooperan entre sí para formar un imán permanente. El Campo magnético es aquella región de espacio en la que se manifiestan los fenómenos magnéticos, éstos actúan según unas imaginarias Líneas de fuerza, que se conocen como el flujo magnético. Los materiales magnéticos son aquellos que poseen una forma especializada de energía que está relacionada con la radiación electromagnética; sus propiedades y estructura se distinguen de los demás por las características magnéticas que poseen. Las propiedades son producto de la intensidad del campo magnético asociado con el electrón (momentos magnéticos). Cuando el electrón gira alrededor del núcleo, se convierte en una carga eléctrica en movimiento, por lo que se genera un momento magnético. Cada electrón gira alrededor de sí mismo creando un momento magnético. El momento magnético neto de un átomo es la suma de los momentos magnéticos generados por los electrones. Si incluyen los momentos orbítales, de rotación, y el hecho de que los momentos pueden cancelarse. En los átomos donde el nivel de energía de los electrones está completamente lleno, todos los momentos se cancelan. Estos materiales no puedes ser magnetizados permanentemente (Gases inertes y algunos materiales iónicos). De acuerdo a sus propiedades magnéticas y cuando los materiales se someten a un campo magnético, estos se pueden clasificar en: Diamagnéticos: Un campo magnético externo actúa sobre los átomos de un material, desequilibra ligeramente los electrones de los orbitales y crea pequeños dipolos magnéticos en los átomos que se oponen al campo aplicado. Esta acción produce un efecto magnético negativo conocido como diamagnetismo. El diamagnetismo produce una susceptibilidad magnética negativa muy débil. Paramagnéticos: Los materiales que presentan una pequeña susceptibilidad magnética positiva por la presencia de un campo magnético se denominan paramagnéticos y al efecto magnético se denomina paramagnetismo. Se produce por alineación individual de los momentos dipolares magnéticos de los átomos o moléculas bajo la acción de un campo magnético aplicado. El efecto paramagnético en los materiales desaparece cuando se elimina el campo magnético aplicado. Puesto que la agitación térmica distribuye aleatoriamente la dirección de los dipolos magnéticos, un incremento en la temperatura disminuye el efecto paramagnético. Ferromagnéticos: El diamagnetismo y el paramagnetismo son inducidos por un campo magnético aplicado, y la imanación permanece sólo mientras se mantenga el campo. Un tercer tipo de magnetismo, denominado ferromagnetismo, es de gran importancia en ingeniería. Los materiales ferromagnéticos producen campos magnéticos que pueden mantenerse o eliminarse a voluntad. Los elementos ferromagnéticos más importantes son el hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel
(Ni). Las propiedades ferromagnéticas son debidas al modo en el que los espines de los electrones internos desapareados se alinean en la red cristalina. Las capas internas de átomos individuales se llenan con pares de electrones con espines opuestos, y de esta forma no queda ningún momento dipolar magnético debido a ellos. En los sólidos, los electrones de valencia se combinan unos con otros formando enlaces químicos de forma que no queda ningún momento magnético significativo. Antiferromagnetismo: Otro tipo de magnetismo que se presenta en algunos materiales es el Antiferromagnetismo. En presencia de un campo magnético, los dipolos magnéticos de los átomos de los materiales anti-ferromagnéticos se alinean por sí mismos en direcciones opuestas. Los elementos manganeso y cromo, en estado sólido y a temperatura ambiente, presentan anti-ferromagnetismo. Ferrimagnetismo: En algunos materiales cerámicos, iones diferentes poseen distinta magnitud para sus momentos magnéticos y cuando estos momentos magnéticos se alinean de forma anti-paralela, se produce un momento magnético neto en una dirección. Como grupo, los materiales ferrimagnéticos se denominan ferritas. Hay muchos tipos de ferritas. Un grupo se basa en la magnetita, Fe3O4, que es la antiguamente conocida piedra magnética. Las ferritas poseen baja conductividad, que la hacen útil para muchas aplicaciones electrónicas. Los tipos de Materiales Magnéticos son dos: los materiales magnéticos metálicos y los materiales magnéticos cerámicos. Los materiales magnéticos metálicos son ferromagnéticos. En general, esos materiales se clasifican como blandos o duros. Los factores estructurales constitutivos que llevan a la dureza magnética son generalmente los mismos que los que provocan la dureza mecánica. Los materiales blandos son aquellos materiales ferromagnéticos con paredes de dominios magnéticos que se mueven fácilmente cuando se aplica un campo; es decir, que se pueden desmagnetizar. Por otro lado los materiales duros son aquellos con menor movilidad de las paredes de los dominios, lo que los hace ideales como imanes permanentes y usados raramente en aplicaciones de potencia de corriente alterna. Los materiales magnéticos cerámicos se dividen en dos categorías; los materiales magnéticos de baja conductividad son las ferritas, basadas en la estructura cristalina de la espinela inversa. En la otra mano tenemos los materiales magnéticos superconductores que son los más potentes pertenecientes a una familia de óxidos cerámicos, tradicionalmente incluidos en la categoría de aislante. Presentan superconductividad con valores de temperatura crítica sensiblemente mayores de los que era posible conseguir con los mejores superconductores metálicos. Las aplicaciones más relevantes son el electroimán es la base del motor eléctrico y el transformador. En los más recientes tiempos, el desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha sido también importante en la revolución de la computadora. Pueden fabricarse los recuerdos de la computadora usando los dominios de la burbuja. Estos dominios son regiones realmente más pequeñas de magnetización que o es paralelo o antiparalelo a la magnetización global del material. Los materiales magnéticos también son electores importantes de cintas y discos en que se guardan los datos. Además del atómico - clasificó según tamaño unidades magnéticas usadas en las computadoras-, los imanes grandes, poderosos son cruciales a una variedad de tecnologías modernas.
Otra aplicación es la levitación magnética que usa los imanes fuertes para permitir al tren flotar sobre la huella para que no haya fricción entre el vehículo y las huellas y reducir la velocidad el tren. Se usan los campos magnético poderosos en el imaging de resonancia magnético nuclear, una herramienta de diagnóstico importante usada por doctores. Histéresis Cuando un material ferromagnético originalmente desmagnetizado se coloca en una región del espacio donde hay un campo magnético el material se magnetiza. Es de interés observar cómo cambia la magnetización cuando el campo aplicado varía. Para ello se utiliza normalmente una disposición denominada anillo de Rowland. Consiste en un anillo del material a ensayar sobre el cual se devana un bobinado primario al que se conecta una fuente de corriente variable. La corriente que circula por este bobinado crea dentro del material un campo magnético H (llamado fuerza magnetomotriz = fmm). Otro bobinado secundario permite medir el flujo magnético dentro del anillo que es proporcional al campo de inducción magnética B. En el ensayo se va aumentando desde cero el valor de la corriente y se mide el valor de la densidad de flujo de B a medida que ocurre el proceso de magnetización del material. Este proceso comienza con la rotación de los dominios magnéticos más pequeños o inestables alineándose con el campo. A medida que giran, se produce coalescencia de dominios. Este proceso se lleva a cabo con poco cambio de energía y la curva M(H) o B(H) crece rápidamente. Si se sigue aumentando la fmm cuando la magnetización por coalescencia y absorción de dominios pequeños o inestables ha terminado, el siguiente mecanismo implica la orientación de los dominios que no están completamente alineados. Este proceso involucra un gran gasto de energía y entonces la curva crece cada vez más lentamente. Se llega a un momento donde ya todos los dominios del material se hallan alineados con el campo aplicado y la magnetización se satura. La no linealidad en esta curvase relaciona entonces con las características termodinámicas de la deformación de los dominios magnéticos y las interacciones entre dominios. Esta curva se conoce como curva de magnetización inicial. Si, en cambio, desde el estado de saturación se disminuye la intensidad de la fmm H, se observa que el sistema no sigue la trayectoria previa, dado que los mecanismos de alineación de dominios, los movimientos de las fronteras de dominios y la agitación térmica (este último factor tiende al desalineamiento) son mecanismos altamente no lineales. Cuando la fmm llega a cero, el material queda magnetizado, creando un campo de inducción residual Br (remanencia). Si se aumenta ahora la fmm en valores negativos (o sea en el sentido opuesto de circulación de corriente al de la magnetización inicial), el material queda efectivamente desmagnetizado al llegar al valor de coercividad Hc. Si se continúa aumentando la intensidad de la fmm, se produce una nueva saturación en el sentido opuesto y si desde allí se disminuye la intensidad de la fmm, las situaciones anteriores se repiten sobre una curva simétrica.
Si se repite esta operación, el sistema recorre siempre el mismo ciclo, conocido como ciclo de histéresis. La magnetización de un material que presenta histéresis se realiza a expensas de energía, que se disipa en forma de calor debido a las alteraciones en las fronteras de dominios.
Polaridad Magnética Cuando cualquier cuerpo material (ya sea una estrella, planeta; núcleo atómico, electrón, etc.) gira sobre sí mismo, esto hace también rotar (y deformarse en espiral) a los campos gravitatorios y magnéticos que produce ese cuerpo. Por esa razón, si acercamos dos cuerpos con spin (girando sobre si mismos) y deformación de sus campos de fuerza magnética y gravitatoria, estos campos de fuerza se repelaran entre ellos si no están alineados en el mismo sentido de giro. En cambio se atraerán y sumaran si están alineados en el mismo sentido de giro, es decir, con alineación N-S entre ellos. Cualquier bobina o imán tiene similar principio y funcionalidad que el anterior caso de cuerpos rotatorio, como por ejemplo los átomos. La polaridad magnética N-S consiste solo en un adecuado alineamiento de los campos de fuerza de un cuerpo en rotación, pero no una particularidad o dualidad de carácter de los campos magnéticos. Por tanto la polaridad magnética N-S no es una propiedad eléctrica sino una resultante mecánica de suma y superposición de campos de fuerza.
2. MÉTODOS DE REFRIGERACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES Los métodos con aceite y agua son muy utilizados, debido a que se considera que el aceite es uno de los mejores medios de refrigeración porque posee buenas propiedades dieléctricas y cumple como aislante eléctrico, actúa como refrigerante y protege los materiales aislantes de la humedad y el aire. Los transformadores de no más de 100k VA que funcionan a baja tensión pueden refrigerarse satisfactoriamente mediante una circulación natural de aire alrededor de los devanados y de la coraza exterior. En tamaños mayores, y muy frecuentemente en tamaños inferiores a los 10k VA, la coraza del transformador se llena de aceite, con lo que se proporciona refrigeración y se incrementa la rigidez dieléctrica. El aceite es tan eficaz en la extracción del calor de los devanados y núcleo que el principal problema térmico del transformador autorefrigerado por inmersión en aceite es el del paso del calor de la coraza exterior. Puede utilizase una coraza mayor, pero para transformadores de 30k VA en adelante suele aumentarse la superficie refrigeradora por corrugación, o por el uso de radiadores exteriores unidos al tanque y que transportan el aceite en circulación. En los transformadores muy grandes, a veces se hace circular agua por el interior del cobre sumergido en aceite. Este método de refrigeración requiere grandes cantidades de agua, pero el costo inicial suele ser inferior que el de los transformadores equipados con los grandes radiadores que, de otra manera, serían necesarios. Los transformadores generalmente son enfriados por aire o aceite. De acuerdo con las normas americanas (ASA C57-1948) se han normalizado o definido algunos métodos básicos de enfriamiento, mismos que se usan con la misma designación en algunos lugares de américa latina, son los siguientes:
Tipo AA Transformador tipo seco con enfriamiento propio. No contiene aceite ni otros líquidos para enfriamiento, el aire es también el medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas. Por lo general son fabricados con capacidades inferiores a 2000 kVA y voltajes menores de 15 kV. Tipo AFA Transformador tipo seco con enfriamiento por aire forzado. Se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipación de calor por medio de ventiladores o sopladores. Tipo AA/FA Transformador tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento por aire forzado. Es básicamente de tipo AA al que se le adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipación de calor. Tipo OA Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural. En éstos, el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque que tiene paredes lisas o corrugadas, o bien provistos con tubos radiadores. Esta solución se adopta para transformadores de más de 50 kVA con voltajes superiores a 15 kV. Tipo OA/FA Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio y con enfriamiento por aire forzado. Es básicamente un transformador OA con la adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor en las superficies de enfriamiento. Tipo OA/FOA/FOA Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio/con aceite forzado- aire forzado/con aceite forzado/aire forzado. Con este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el régimen de operación (carga) de transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores. El aumento de la capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas, con lo que se logra aumentar 1.33 veces la capacidad del tipo OA; con el segundo paso se hace trabajar la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces la capacidad del OA. Se fabrican en capacidades de 10 000 kVA monofásicos 15 000 kVA trifásicos. Tipo FOA Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y de aire forzado. Éste puede absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo tiempo.
