MATERIALES MAGNÉTICOS - Los avances de la química
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II Curso de divulgación: Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad. LA QUÍMICA Y LA FÍSICA TRABAJAN JUNTAS: MATERIALES CON PROPIEDADES MAGNÉTICAS EXPERIMENTACION EN 4 de noviembre de 2010 Josefa Isasi Marín Profesora Titular Departamento de Química Inorgánica I Facultad de CC. Químicas UCM 28040-MADRID J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MAGNETISMO Un imán es un material capaz de atraer… y de producir un campo magnético exterior de intensidad H N S J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad HISTORIA DEL MAGNETISMO J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Primeros fenómenos magnéticos en la ciudad de Magnesia Magnetismo Ciertas piedras (IMANES NATURALES) atraían trocitos de hierro y éstos atraían a su vez a otros J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad 600 a C. Filósofos griegos describieron las características de piedras de óxido de hierro. Siglo IV a. C. En China primera referencia al magnetismo manuscrito “Libro del amo del valle del diablo”: La magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por éste. Años 20 y 100 de nuestra era. Primera mención en un trabajo: La magnetita atrae a la aguja. En 1187 A. Neckham primer europeo que consigue desarrollar desarrollar la técnica de la navegación empleando la brújula. El conocimiento del magnetismo limitado a los imanes J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad En 1820, Øersted, profesor de la Universidad de Copenhague. Campo magnético producido por un hilo conductor de corriente. Otros muchos experimentos siguieron con Ampère, Gauss, Faraday, Maxwell. Maxwell, encontró vínculos entre el magnetismo y la electricidad, reflejados en sus ecuaciones o Electromagnetismo. En 1905, Einstein usó estas ecuaciones para comprobar su teoría de la relatividad especial. Desde el siglo XX, el electromagnetismo ha continuado desarrollándose siendo incorporado en las teorías fundamentales…. J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE Es un fenómeno natural originado por los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta Polo Norte EQUIVALENTE A UN DIPOLO MAGNÉTICO Polo Sur Los dipolos magnéticos se orientan según las líneas de campo. Las cargas eléctricas viajan a lo largo de las líneas de campo en trayectorias espirales J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR UN HILO CONDUCTOR DE CORRIENTE J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad M. Faraday 1831 Ensayó el campo magnético de Oersted Voltaje aplicado a un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético, H. La magnitud del voltaje inducido D a la variación del flujo magnético Concepto de líneas de fuerza J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Solenoide o bobina de hilo de Cu enrollada de n espiras y de longitud l INTENSIDAD DEL CAMPO N S H H = 0.4ʌn i/l i El campo H produce líneas de fuerza La densidad de estas líneas DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO O INDUCCIÓN MAGNÉTICA B = PH P = permeabilidad magnética J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR UN HILO CONDUCTOR DE CORRIENTE + BARRA DE HIERRO J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Barra de hierro dentro de un solenoide = ELECTROIMÁN Corriente imanadora H dentro H fuera B = PH = Po H + Po M (Campo externo + Campo inducido) MAGNETIZACIÓN, IMANTACIÓN Ó IMANACIÓN , M J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Unidades de magnitudes magnéticas Magnitud magnética B (inducción magnética) Unidades de SI Weber/metro2 (Wb/m2) o tesla (T) H (campo aplicado) Amperio/metro (A/m) M (imanación) Amperio/metro (A/m) Unidades CGS Gauss (G) Oersted (Oe) J. J.Isasi Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR MATERIALES NATURALES O SINTÉTICOS J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad LA MAGNETIZACIÓN SE ANALIZA USUALMENTE EN TÉRMINOS DE LA SUSCEPTIBILIDAD MAGNÉTICA F Métodos experimentales usados para determinar F F= M/H Balanza de Faraday Balanza de Gouy Muestra de material Balanza Muestra patrón Electroimán Parámetro que se mide La modificación del peso aparente de la muestra al aplicar un campo H J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Fv = Susceptibilidad magnética por unidad de volumen. Fv= M/H Sensibilidad a la magnetización Susceptibilidad por gramo. Fg= Fv/d d = densidad de la muestra Relación de propiedades magnéticas con las atómicas. FM = F g x M M = peso molecular + ó - negativo si la imanación de la muestra refuerza o si se opone al campo. J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad B DH+M La imanación se opone a H La imanación refuerza a H M>0 Muestras paramagnéticas M<0 Muestras diamagnéticas Densidad de flujo en una muestra diamagnética Densidad de flujo en una muestra paramagnética H H N S N S J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MATERIALES MAGNÉTICOS Se caracterizan por su permeabilidad: P= B/H Medida del incremento del campo magnético debido a la presencia de un material imanado P= ȝ0(1+ Ȥm) P= permeabilidad magnética absoluta ȝo = permeabilidad magnética del vacío y Pr = P/ ȝ0 = (1+ Ȥm) Ȥm = susceptibilidad magnética del material J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MATERIAL PARAMAGNÉTICO MATERIAL NO MAGNÉTICO N S S N El vacío Aire, Al, Pd Paramagnéticos o no magnéticos, ȝ~1 MATERIAL DIAMAGNÉTICO O DÉBILMENTE MAGNÉTICO H N S Cu, He, Bi, Ag, Pb, agua ȝ<1 J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MAGNETISMO EN SÓLIDOS Enfísicadeestadosólidosedescribendiferentescomportamientosde materialessometidosauncampomagnéticoexterno. J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad FISICA CUANTICA: LOS ELECTRONES POSEEN PROPIEDADES MAGNETICAS Hinteractúaconloselectronesdel material: Ͳ Conelmomentoangularorbital Ͳ Conelmomentoangulardeespín S Momento angular de espín Lorb p+ e- ȝS = - e/mS eMomento angular orbital Momentos Magnéticos ȝorb = - e/2mLorb J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad COMPORTAMIENTOS MAGNÉTICOS DIAMAGNETISMO PARAMAGNETISMO J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad DIAMAGNETISMO Material H externo - Desequilibrio ligero de los electrones en movimiento - Pequeños dipolos magnéticos en los átomos que se oponen al H aplicado. F<0 Fdia = ¦ FAi (contrib diamágn de los átomos) + ¦ FBj (contrib diamágn de los enlaces) Determinada por la movilidad de los electrones >>> en átomos grandes con muchos electrones J. Isasi DIAMAGNETISMO Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad FAi (contrib diamágn de los átomos) FBj (contrib diamágn de los enlaces) Fenómeno que ocurre en todos los materiales, en muchos el efecto magnético negativo queda cancelado por efectos magnéticos positivos. J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Diamagnetismo en Ingeniería de transporte Trenes de levitación magnética usan poderosos electroimanes superconductores para flotar sin tocar la pista. Material con R = 0 Superconductor Diamagnético: repele el campo magnético Se produce el fenómeno de levitación Objeto de Investigación Pero se necesita enfriar … … J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad PARAMAGNETISMO. LEY DE CURIE Origen: momentos angulares de las partículas cargadas. El núcleo atómico es una partícula cargada y puede tener ȝS P (10-3) <<< que los generados por un electrón En un electrón, ȝL y ȝS contribuyen al paramagnetismo. Generalmente es más significativa. P= PL + PS El P del electrón desapareado tiende a alinearse con H reforzándolo. F>0 Fparamagnética =FM Ͳ Fdiamagnética externo J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad PARAMAGNETISMO. LEY DE CURIE Los momentos magnéticos individuales de los electrones, Pi, se orientan al azar anulándose mutuamente En ausencia de H, M = 0 Mayor estabilidad de los estados electrónicos que alinean el momento magnético con H En presencia del H, M = 0 A mayor I del H más poblados La diferencia de población entre estados y la F < al > T F-1 F Comportamiento que se resume en la Ley de Curie F = C /T C = constante de Curie PM.B = 8C Pte = 1/C T T J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad PARAMAGNETISMO. LEY DE CURIE-WEISS Mejor aproximación se obtiene Ley de Curie-Weiss F = F-1 FͲ1=1T T- C C (T- T ) C Y=AX+B constante de Weiss Pte =1/C C=ConstantedeCurie T PM.B.Experimental = 8C PM.B. teórico = P L + PS Ordenadaenelorigen=T /C Independiente de T = S(S+1/2) = n(n+2) En materiales constituidos por cationes de la primera serie de transición ya que PL= 0 J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad FENÓMENOS DE ORDEN COLECTIVO Los átomos de algunos metales de transición y de tierras raras poseen capas internas parcialmente llenas con electrones desapareados que causan fuertes efectos paramagneticos y en ocasiones producen efectos colectivos. J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad A bajas temperaturas los sistemas se apartan del comportamiento descrito por la Ley de Curie FERROMAGNETISMO ANTIFERROMAGNETISMO Con H F F FERROMAGNÉTICO F>>>0 Sin H ANTIFERROMAGNÉTICO PARAMAGNÉTICO TN PARAMAGNÉTICO TC T MnF FERRIMAGNÉTICO T D- Fe Pneto= 0 Fe3O4 J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad ANTIFERROMAGNETISMO Compuesto CoCl2 CoF2 CoO Cr Cr2O3 FeCl2 FeF2 FeO FeMn D-Fe2O3 MnF2 TN [K] Compuesto 25 38 291 475 307 70 79-90 198 490 953 72-75 MnO MnSe MnTe NiCl2 NiF2 NiFeO NiO TiCl3 UCu5 V2O3 Los materiales ferromagnéticos se magnetizan fuertemente en el mismo sentido que el H aplicado. F >>>0 y Pr >>>1 TN [K] 122 173 310-323 50 78-83 180 533-650 100 15 170 Material ºK = ºC + 273.16 FERROMAGNETISMO TC (K) Fe 1043 Co 1388 Ni 627 Gd 293 Dy 85 CrBr3 37 Au2MnAl 200 Cu2MnAl 630 Material Cu2MnIn EuO EuS MnAs MnBi GdCl Fe2B MnB TC (K) 500 77 16.5 318 670 32.2 1015 578 J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MAGNETIZACIÓN -No puede ser mayor de un determinado valor en M.B - Depende del nº total de e- desapareados por ion M COMPORTAMIENTO FERROMAGNÉTICO M s ó Bs COMPORTAMIENTO ANTIFERROMAGNÉTICO H J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad FERRO/FERRIMAGNETISMO J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Los materiales magnéticos interesantes para las aplicaciones son los que presentan imanación espontánea. Materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos con TC >> Propiedades ferromagnéticas Alineamiento en la red cristalina de electrones desapareados situados en los orbitales 3d Fe: d6 Orbitales 3d Loselectronesdelosorbitales4s,másexternos, quedanapareadosenlosenlaces J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad FERROMAGNETISMO HH Li Be Be Na Mg K He Observableenelementosdela1ª seriedetransición Al Ca Sc Ti Rb Sr V Cr C Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Si N O He FLi Ne P S Cl Ar As Se Br Kr I Xe Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te Cs Ba La Hf Ta W Pb Bi Fr Db Sg Bh Hs Mt UunUuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Y Zr Ra Ac Rf Re Os Ir Pt Au Hg Tl Po At Rn Además de la mayoría de los aceros y en aleaciones Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Th Pa U Tm Yb Lu Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Noobservableenelementosdela2ª y3ª seriedetransición. Losorbitales4dy5dsonmásdifusosydanorigenabandasmásanchas J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Enelementosdela1ª seriedetransición Electrones desapareados en orbitales 3d Configuración electrónica de los orbitales 3d Electrones 4s Átomo Número de electrones 2 Ti(3d2) 22 2 3 V(3d3) 23 2 5 Cr(4s13d5) 24 1 5 Mn(4s23d5) 25 2 4 Fe(3d6) 26 2 3 Co(3d7) 27 2 2 Ni(3d8) 28 2 0 Cu(4s13d10) 29 1 J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Electrones desapareados en orbitales 3d Átomo 2 Ti 2 Ni Número de electrones Configuración electrónica de los orbitales 3d 22 Electrones 4s 2 28 2 FERROMAGNETISMO Ocurre en bandas parcialmente llenas con alta densidad de estados cerca del nivel de Fermi Ti Bandas 4s y 4p Ni Fe:3d6, Co: 3d7, Ni: 3d8 Bandas 4s y 4p Banda 3d Energéticamente favorable tener electrones no apareados,a costa de poblar niveles de E más altos Banda 3d Fe (4 es-) TC = 1043 K Co (3 es-) Tc = 1388 K Ni (2 es-) TC = 627 K J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad FERROMAGNETISMO A temperatura T < Tc Alineamiento de los espines de los electrones en regiones microscópicas DOMINIOS MAGNÉTICOS Tamaños entre 10-12 y 10-8 m3 y contienen entre 1021 y 1027 átomos J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad En materiales constituidos por Fe, Co, Ni ó Gd Campo magnético externo, H Monodominios magnéticos orientados de forma aleatoria Se genera Mneta No se genera Mneta El material posee un H muy potente (~1000 Gauss, Tierra =0.5 Gauss) S N J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MATERIAL FERROMAGNÉTICO MAGNETIZACIÓN Y DESMAGNETIZACIÓN DESMAGNETIZAR UN MATERIAL FERROMAGNÉTICO CALENTARLO A T > TC ESTUDIO DE LA MAGNETIZACIÓN: CÓMO CAMBIA LA MAGNETIZACIÓN CUANDO EL CAMPO APLICADO VARÍA J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad B H aplicado Rotación de la magnetización de los dominios Bs Br Más crecimiento Crecimiento de dominios Distribución aleatoria -Hc H J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MATERIALES FERROMAGNÉTICOS BLANDOS Y DUROS B AltaBs Según sean fáciles o difíciles de magnetizar y desmagnetizar AltaBr BajoBs DURO BLANDO AltoHc BajoHc H Los blandos se emplean en electroimanes, como cintas de registro magnético, etc. Los duros se usan como imanes permanentes J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MAGNETIZACIÓN Y DESMAGNETIZACIÓN DE UN MATERIAL FERROMAGNÉTICO Magnetización remanente Br (H = 0) Indicativo de la habilidad del material para actuar como imán permanente. B Bs = Ms Br Campo coercitivo Hc Campo magnético necesario para anular el flujo magnético dentro del imán. Indicativo de la habilidad del imán para soportar factores desmagnetizantes. H Hc J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MAGNETIZACIÓN Y DESMAGNETIZACIÓN DE UN MATERIAL FERROMAGNÉTICO Potencia de un material magnético duro se mide por Emáximo = [B X H]max en el cuadrante desmagnetizador del ciclo de histéresis B-H B Br Hc H Imán = Material capaz de almacenar E E = (Br x Hc)max J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad TIPOS DE ENERGÍAS QUE DETERMINAN LA ESTRUCTURA DE LOS DOMINIOS FERROMAGNÉTICOS EN UN MATERIAL 1. E de cambio 2. E magnetostática 3. E de anisotropía magnetocristalina 4. Energía de las paredes del dominio 5. E de magnetoestricción Sealcanzalaestructuramagnéticamásestablecuandola Epotencial totaldelmaterialsereducealmínimo J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad 1.ENERGÍADECAMBIO/POSITIVA Energía asociada a la alineación de los dipolos atómicos en la misma dirección La formación de un solo dominio minimiza la E dentro de un material ferromagnético Fe 0 + Ni 1.5 - Energía de cambio Fe, Co, Ni, E de cambio positiva Ferromagnéticos Co 2.0 Mn a/d (Separación atómica/ Diámetro del orbital 3d) a/d Mn E de cambio negativa Antiferromagnetico J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad 2.ENERGÍAMAGNETOSTÁTICA Grancantidad deenergía magnetostática Energía magnética de un material ferromagnético producida por su propio campo Menorenergía Magnetostática queena) Menorenergía Magnetostática queenb) Paredes de los dominios magnéticos Undominio Dosdominios Cuatrodominios Laformacióndedominiosmúltiples reducelaEmagnetos./Vdelmaterial J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad 3.ENERGÍADEANISOTROPÍAMAGNETOCRISTALINA Gran anisotropía: Que haya una dirección preferente de imanación Esencial para la posterior aplicación de los materiales ferromagnéticos duros y blandos D-Fe MS Momentos magnéticos debidos al espín del Fe alineados y la orientación coincide con la red cristalográfica Ni (FCC) La dirección de magnetización no es una dirección simple H J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad 3.ENERGÍADEANISOTROPÍAMAGNETOCRISTALINA Referida al trabajo realizado para girar todos los dominios Inducción magnética B (T) Monocristales de Fe Granosquesaturana<<H (100) Direcciones de fácil magnetización (111) Direcciones de difícil magnetización 0 15 30 Campo magnético H (kA/m) Losgranosdebengirarsumomento resultanteenladireccióndelHaplicado paraalcanzaralcanzar laMs a>>H J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad 4.ENERGÍADELAPAREDDELDOMINIO Referida al cambio de 180º que experimenta el dominio en la dirección del H 300 300átomos átomos de deespesor espesor Anchura ideal de la pared Energía E pared E anisotropía magnetocristalina E cambio Espesor óptimo de la pared del dominio= 100 nm 100 nm Anchura de la pared J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad 5.ENERGÍAMAGNETOESTRICTIVA Debidaatensionesmecánicasgeneradas almagnetizarunmaterialferromagnético Fe positiva para campos pequeños Contracción o expansión en la dirección de magnetización Hierro Dominios de cierre Cobalto Níquel 0 10 20 30 40 50 Campo magnético H (kA/m) 60 Magnetoestricción positiva Dominios de cierre Disminución de la magnetoestricción por creación de dominios reducidos Magnetoestricción negativa J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad EJEMPLOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS BLANDOS Y SUS APLICACIONES J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Materiales magnéticos blandos. Propiedades deseables para su aplicación 1. Ciclo de histéresis lo más fino posible El material se magnetiza con H poco intenso y muestra alta P = B/H 2. Bajo campo coercitivo, Hc, para desimanar 3. Alta inducción de saturación, BS BB HH 4. Libre de defectos (monocristal) 5. Constituido por partículas pequeñas y alargadas de forma que cada una forme un monodominio J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Cuando un material ferromagnético blando es imanado y desimanado repetidas veces se producen pérdidas de energía J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad 1. Perdidas por histéresis magnética por disipación de E requerida para mover las paredes de los dominios durante la magnetización y la desmagnetización Influyen: - Presencia de impurezas - Precipitados El área encerrada por la curva de histéresis es una medida de la energía perdida - Imperfecciones cristalinas 2. Perdidas por corrientes parásitas o corrientes inducidas por variaciones en el flujo magnético Se pueden reducir >> la Meléctrica del material: - Añadiendo impurezas sustitucionales - Utilizando una estructura laminar o de hojas con intercalación de capas aislantes J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MATERIALES MAGNÉTICOS BLANDOS Y APLICACIONES FERRITAS BLANDAS Materiales cerámicos ferrimagnéticos ALEACIONES DE Fe CON 3-4% DE Si Materiales magnéticos blandos más utilizados ALEACIONES DE Fe Y Ni VIDRIOS METÁLICOS J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Ferritas blandas de composición MO x Fe2O3 (M = Fe2+, Mn2+, Zn2+, Ni2+) y estructura espinela inversa Muestran Meléctrica >> ~ aislantes Bajas pérdidas de energía por corrientes parásitas Presentan Bs > aunque menor que la mostrada por materiales ferromagnéticos Material y composición Inducción de saturación, Campo coercivo, Permeabilidad Hc, A/cm BS, T relativa inicial ȝi Hierro magnético, chapa de 0,2 cm 2,15 0,800 250 48% MnO- Fe2O3, 52% ZnO- Fe2O3 (ferrita suave) 0,36 1.000 0,29 650 36% NiO-Fe2O3, 64% ZnO-Fe2O3 (ferrita suave) J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Ferritas blandas de composición MO x Fe2O3 Bobinas de convergencia para televisión. Cabezas grabadoras Núcleos de memoria Tubo de rayos catódicos J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Ferritas blandas de composición Fe3O4 o J-Fe2O3 con tamaño de partícula nanométrico Sonicación + Filtración Secado en estufa Disolución de FeCl2 + NaOH pH = 12 Caracterización estructural y microestructural Comportamiento magnético J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Superparamagnetismo 20K Materiales constituidos por nanopartículas de magnetita, Fe3O4. Tamaño < 20 nm FORMAN MONODOMINIOS 10000 M (emu/mol) 5000 0 NO HAY HISTÉRESIS -5000 - Posibilidad de generar procesos reversibles o -10000 -60000 -40000 -20000 0 20000 Campoaplicado(Oe) 40000 60000 - De ser guiadas con un campo magnético externo J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Biomedicina y nanomagnetismo H externo Cáncer localizado Disolución de nanopartículas magnéticas RMI Hyperthermia Sistema de dosificación de fármacos J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Biología y nanomagnetismo Fe3O4 Magnetita Tamaño medio 100 nm Bacterias contienen dipolos magnéticos para su orientación J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Biología y nanomagnetismo Paloma mensajera se guía con ayuda de las líneas de campo magnético terrestre Fe3O4 Magnetita Corte histológico de nervio J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Tecnología y nanomagnetismo O Fe3O4 Fe J-Fe2O3 maghemita Fe Disquete: Granos de G-Fe2O3 de 8.5 nm dispersas en una matriz plástica J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Tecnología y nanomagnetismo FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS Amortiguador de suspensión semi-activa J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Tecnología y nanomagnetismo FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS EstabilidadymaniobrabilidaddeunamortiguadornoMRyotroMR J. J.Isasi Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Ferritas blandas de composición 3M2O3 x Fe2O3 (M = metal tierra rara) Se utilizan como guía de ondas para comunicaciones J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad ina ció n Procesado por laminado en frío de ión cc Di re Di r ec c ión lam de l am ina ció n Aleaciones de Fe con 3-4% de Si Materiales magnéticos blandos más utilizados Aleatoria Orientada J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Aleaciones de Fe con 3-4% de Si - Melectrica >> Efecto positivo de la adición de Si Pérdidas por corrientes parásitas << - Pérdidas de histéresis son << haciéndose magnéticamente más blando << intersticiales de oxígeno defectos que dificultan el movimiento de las paredes de los dominios Efecto negativo << la E anisotropía magnetocristalina y E magnetoestrictiva >> P - << Ms y la Tc de la aleación - << La ductilidad del Fe y para [Si]>> 4% no se puede laminar el material J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Aleaciones de Fe con 3-4% de Si Material y composición Inducción de saturación, BS, T Permeabilidad Campo relativa coercivo, Hc, inicial ȝr A/cm Hierro magnético, chapa de 0,2 cm 2,15 0,800 250 M36 Si-Fe laminado en frío (aleatorio) 2,04 0,360 500 M6 (110) [001], 3,2% Si-Fe (orientado) 2,03 0,060 1.500 Se utilizan en motores, transformadores ó generadores J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Aleaciones de Fe y Ni Materiales más conocidos: Permalloy (Fe + 45%Ni) y el Supermalloy (79% Ni) En relación a Aleaciones de Fe-Si < < Ea. magnetocristalina y Emagnetostrictiva A bajos H Material y composición Inducción de saturación, BS, T Campo coercivo, Hc, A/cm >> > P Permeabilidad relativa inicial ȝr 45 Ni-55 Fe (45 Permalloy) 1,60 0,024 2.700 75 Ni-5 Cu-2 Cr-18 Fe (Mumetal) 0,80 0,012 30.000 +79 Ni-5 Mo-15 Fe-0,5 Mn (Supermalloy) 0,78 0,004 100.000 Aplicación más importante es la comunicación de alta sensibilidad, en la que el equipo ha de recibir o transmitir pequeñas señales. J. Isasi Vidrios metálicos Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Combinaciones de los metales ferromagnéticos Fe, Co y Ni con los metaloides B y Si … Estructura amorfa que se forma por enfriamiento rápido del fundido Se producen cintas a una rapidez de un kilómetro por minuto - Son muy fuertes y muy duros aunque muestran alguna flexibilidad - Muy resistentes a la corrosión. - Magnéticamente son materiales muy blandos J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad - Melectrica >>> Pérdidas por corrientes parásitas <<< AMORFOS: No existen fronteras de grano. Las paredes de los dominios se mueven con facilidad Dominios magnéticos inducidos en un vidrio metálico Pmax - Eanisotropía ~ 0 >>> P - Pérdidas de histéresis son << Aleación (% atómico) Bs (T) Aplicaciones Fe78B13Si9 1.56 600.000 Transformadores de potencia con bajas pérdidas en el núcleo. Fe81B13.5Si3.5C2 1.61 300.000 Transformadores de pulso, interruptores magnéticos. Fe67Co18B14Si1 1.80 4000.000 Transformadores de pulso, interruptores magnéticos. Fe77Cr2B16Si5 1.41 35.000 Fe74Ni4Mo3B17Si2 1.28 100.000 Co66Fe4Ni1Mo2B12Si12 0.70 1.000.000 Sensores magnéticos, cabezales de grabación. Transformadores de corriente, núcleos sensores. Bajas pérdidas en el núcleo a altas frecuencias. J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad EJEMPLOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS DUROS Y SUS APLICACIONES Con el objeto de maximizar el producto E = [B x H]max J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Materiales magnéticos duros. Propiedades deseables para su aplicación 1. Baja permeabilidad magnética inicial, Pi 2. Alto campo coercitivo, Hc, para desimanar 3. Alta inducción de saturación, Bs BB 4. Alta remanencia, Br H J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad MATERIALES MAGNÉTICOS DUROS Y APLICACIONES FERRITAS DURAS ALEACIONES DE Alnico ALEACIONES DE TIERRAS RARAS ALEACIONES MAGNÉTICAS DE Nd-Fe-B ALEACIONES DE Co-Pt-Cr J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Curvas de desmagnetización de varios materiales magnéticos duros 4. Alnico 5. B(T) 1. Sm(Co, Cu)7.4 2. SmCo5 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Sm(Co, Cu)7.4 SmCo5 SmCo5 aglomerado Alnico 5 Mn-Al-C Alnico 8 Cr-Co-Fe Ferrita Ferrita aglomerada 3. SmCo5 aglo. -H(kA/m) En función de cual vaya a ser la aplicación se hará uso de uno u otro J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Ferritas hexagonales de composición MO × 6Fe2O3 (M = Ba2+ , Sr2+) Material y composición MO-6Fe2O3 (M = Ba, Sr) Inducción remanente, Br, T 0,38 Campo coercitivo Hc, kA/m 235-240 o Bajo coste y baja densidad oTienen alto Hc y >>Eanisotropia magnetocristalina o Se aplican en imanes para altavoces, timbres y receptores de telefono Hexaferrita de Ba pegado y cierre (nevera) J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Material base de la aleación: Al, Ni y Co + Fe Alnico (aleaciones de Al, Ni y Co) Muchas variantes en función de la proporción de sus elementos Mejores imanes permanente desde 1940-1967 Materiales magnéticos duros mas importantes a nivel comercial Buena resistencia a la T Alta inducción remanente, Br Moderada coercitividad, Hc Alto producto de E, (B x H)max Material y composición Inducción remanente. Campo coercitivo Hc. kA/m Br, T Alnico 1, 12 Al, 21 Ni, 5 Co, 2 Cu, Fe 0,72 37 Alnico 5, 8 Al, 14 Ni, 25 Co, 3 Cu, Fe 1,28 51 Alnico 8, 7 Al, 15 Ni, 24 Co, 3 Cu, Fe 0,72 150 J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Alnico (aleaciones de Al, Ni y Co) Aleaciones frágiles fabricadas en forma de polvo mediante fundición o procesos de metalurgia de polvos. Producción de grandes cantidades de pequeños artículos con formas complejas. J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Aleaciones de las Tierras Raras Los P de la mayoría de las tierras raras >>>> que los de los elementos de transición Fe, Co y Ni Valores altos de Br Las tierras raras poseen grandes constantes de anisotropía magnetocristalina Valores altos de Hc (Br x Hc)max altos Inconveniente: debido al carácter interno de los orbitales 4f permanecen paramagnéticos a T ambiente Excepción del Gd con TC = 293 K Limitación para su uso como imanes permanentes J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Aleaciones de las Tierras Raras Para solventarlos se fabrican imanes de tierras raras y metales de transición que poseen elevada Tc y Hc muy altos Aleaciones ferromagnéticas de Co y Fe con lantánidos SmCo5 y aleaciones endurecidas por precipitación de composición~Sm(Co,Cu)7.5 Inducción remanente. Campo coercitivo Br,T Hc. kA/m Material y composición 0,90 675-1200 Tierra rara-Co, 25,5 Sm, 8 Cu, 15 Fe, 1.5Zr. 50 Co 1,10 510-520 Tierra rara-Co, 35 Sm, 65 Co Se producen a gran escala Tc > > y (Brx Hc) tres veces superior al AlNiCo J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Aleaciones de las Tierras Raras - Se fabrican como partículas nanométricas mediante técnicas de metalurgia de polvos - Al aplicarles P durante alineadas con H. la compactación, las partículas son - La sinterización previene el crecimiento de las partículas prensadas. Se utilizan en en dispositivos médicos: motores ligeros en bombas implantables y en válvulas. J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Aleaciones magnéticas de Nd-Fe-B Descubiertas en 1984, encarecimiento del precio del Co Búsqueda de nuevos imanes Poseen Hc aunque Tc no sea elevada Nd2Fe14B (Brx Hc) >>> B, necesario para conseguir la anisotropía estructural, define un eje alargado Fases intergranulares ricas en Nd no ferromagnéticas, alineados en los granos constitutivos de la matriz Nd2Fe14 Debido a la reducción en peso y la posibilidad de fabricación compacta, se utilizan en motores eléctricos de arranque de automoción J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Aleaciones magnéticas de Co-Pt-Cr Aleaciones depositadas por sputtering sobre películas delgadas Fase magnética en el interior del grano/Co 10 nm Fase no magnética en junta de grano/Cr La adición de Pt reduce el tamaño de grano y ayuda a la formación de la fase no magnética que separa los granos magnéticos. Material y composición Fe-Cr-Co, 30 Cr, 10 Co, 1 Si, 59 Fe Inducción remanente. Campo coercitivo Hc. kA/m Br, T 1,17 46 J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Aleaciones magnéticas de Co-Pt-Cr Interacción débil entre granos permitiendo transiciones magnéticas bien definidas (bit de almacenamiento). + Pequeño tamaño de grano Aumento de la densidad de integración de información Soporte magnético para almacenamiento de alta densidad de datos, discos duro de ordenadores Antiguo disco duro de IBM (modelo 62PC, «Piccolo»), de 64,5 MB, fabricado en 1979 J. Isasi Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad Almacenamiento magnético de alta densidad Sistemas magnéticos granulares 1990: 20Gb/ 2003: 100Gb/ 500 Gb 2010: teras- Discos de aluminio + sistemas granulares de aleaciones ferromagnéticas separados por cabezales de lecto-escritura Generan señales eléctricas que alteran los campos magnéticos del disco o información 0 o 1 en función de la dirección de orientación Grabación magnética
