Propiedades Magnéticas1 [Modo de compatibilidad]

Universidad Autónoma de Nuevo León
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
El magnetismo es el fenómeno por el cual los materiales muestran una
fuerza atractiva/repulsiva ó influyen en otros materiales.
El hierro, algunos aceros y la magnetita son ejemplos bien conocidos de
materiales que exhiben propiedades magnéticas. Sin embargo, todas las
sustancias están influidas de una u otra forma por la presencia de un campo
magnético.
Las propiedades magnéticas intrínsecas de un material están determinadas
por la estructura electrónica, la estructura cristalina y la microestructura
La mayoría de las estructuras cristalinas tienen sus orbitales completos con
todos los electrones apareados y los momentos magnéticos se cancelan.
Estos materiales se denominan no magnéticos.
Algunos materiales contienen estructuras electrónicas con electrones
desapareados y tienden a ser magnéticos, éstos incluyen metales con
electrones de conducción y átomos y iones con capas parcialmente llenas
en donde podemos encontrar estructuras cerámicas magnéticas que
contienen elementos de transición, elementos de tierras raras y actínidos.
Tabla comparativa de configuraciones electrónicas de iones comunes en
estructuras cerámicas con electrones apareados y sin momento magnético.
Denominado (H), es una propiedad del espacio por la cual una carga
eléctrica puntual de valor q que se desplaza a una velocidad v, sufre los
efectos de una fuerza perpendicular y proporcional a la velocidad.
Y a una propiedad del campo, llamada inducción magnética (B), en ese
punto:
Quedando:
Cuando colocamos un material dentro de un campo magnético, puede o no
aumentar la intensidad del campo magnético. Este diferencial se mide
mediante una cantidad llamada permeabilidad magnética µ, definida como:
µ=B/H
Si el campo magnético se aplica al vacío,
µo = B / H donde µo = 4∏ x 10-7 weber/A m
Algunas veces es conveniente describir el comportamiento magnético de
un sólido en términos de su permeabilidad relativa µr, dada por:
µr = µ / µo y B = µr * µo * H.
Representa el incremento en la inducción magnética debida al material, de
modo que:
B = µ oH + µ oM
◦ M +, el campo magnético se refuerza en el interior del material.
◦ M -, el campo magnético se debilita en el interior del material.
◦ En los superconductores, la inducción magnética es nula, así que la
magnetización ha de ser siempre de la misma magnitud y dirección que
el campo magnético aplicado, pero en sentido inverso.
La Susceptibilidad X se relaciona con la µr de la siguiente manera:
µr = 1 + X
Actividad
Investigar los métodos que se utilizan para cuantificar X
Definir:
◦ Ferromagnético
◦ Ferrimagnético
◦ Paramagnético
◦ Diamagnético
Curvas de histéresis
µr ≈10
X >0
6
Fe, Co, Ni
FERRITAS
µr ≈ 10
X >0
2
Al, Ti
µr ≈ 1 a 1.01
X >0
Cu, Ag, Au,
A2O3
µr ≈ 0.99995
X < 0
Cuando se incrementa la temperatura de un material ferromagnético, la
energía térmica agregada aumenta la movilidad de los dominios facilitando
su alineación pero, al mismo tiempo, evita que se conserven alineados al
eliminar el campo. En consecuencia, la magnetización disminuye a altas
temperaturas.
Si la temperatura sobrepasa
la Temperatura de Curie,
ya no se observa un
Comportamiento
ferromagnético.
Algunas estructuras cerámicas contienen iones con un momento magnético
y retienen un momento magnético neto en su estructura, estos cerámicos
magnéticos se conocen como Ferritas
Ferritas Son los ferrimagnéticos más importantes tecnológicamente.
Son óxidos ferrimagnéticos y son eléctricamente aislantes. Y debido a ello
se utilizan en situaciones donde la conductividad eléctrica es perjudicial
como muestran la mayoría de los materiales ferromagnéticos.
Por ejemplo, se utilizan extensamente en alta frecuencia, porque un campo
de corriente alterna no induce corrientes parásitas indeseables en un
material aislante.
Existen dos tipos comunes de ferritas con simetrías estructurales diferentes:
Cúbicas (ferritas blandas: espinela y granate)
Hexagonales (ferritas duras)
Tienen fórmula general MO.Fe2O3, donde M es un
ion divalente, tales como Mn2+, Ni2+ ,Fe2+, Co2+,
Mg2+.
Son importantes materiales magnéticos por que
sumado a sus útiles propiedades magnéticas, son
aislantes y tienen grandes resistividades eléctricas.
Es importante una gran resistividad eléctrica en
aplicaciones magnéticas que requieren altas
frecuencias, ya que si el material magnético fuera
conductor, las perdidas de energía por corrientes
parásitas pueden ser grandes trabajando a altas
frecuencias
Estructura AB2O4 (MgAl2O4).
Anisotropía.
Materiales magnetoestrictivos (similar
a un piezoeléctrico), transductores,
mecanización por ultrasonidos.
Aplicación
Para las grabadoras de audio o video la
magnetostricción debe ser muy baja
Telecomunicaciones
Son las utilizadas en dispositivos de
hiperfrecuencia o para el tratamiento de la
señal, la conversión de energía o el uso en
filtros antiparasitarios.
Imanes temporales
Ejemplo: Fe3O4
Fe2+Fe3+O4
Otros iones pueden formar soluciones sólidas ocupando los sitios de Fe2+ y
Fe3+ en el espinel. Dichos iones pueden tener momentos magnéticos
diferentes de tal forma que con la sustitución se pueden llegar a tener
rangos más amplios de comportamiento magnético.
Y3Fe5O12 (YIG).
Estructura cúbica como el granate
(Ca3Al2(SiO4)3
Aplicaciones similares a las espinelas
Los granates naturales pertenecen a una amplia clase de minerales cuya
fórmula química ideal es M32+M23+Si34+O12 donde M representa a un catión
metálico divalente o trivalente según el caso. Su estructura proviene de una
piedra semipreciosa, el silicato de aluminio y manganeso:
Hasta 1956 fueron descubiertos los granates ferrimagnéticos cuya fórmula
química genérica viene dada por:
La estructura del granate no es compacta
como puedan ser las espinelas o ferritas
hexagonales, sino que es una estructura muy
abierta.
Desde el punto de vista tecnológico esta es
una de las grandes ventajas que representa los
granates, puesto que así tienen cabida en la red
cristalina una amplia variedad de diferentes
cationes que permiten la variación controlada
de las propiedades magnéticas del material y
con ello una posible optimización del mismo
de cara a una determinada aplicación deseada.
Los granates, y en particular los de ytrio, son materiales magnéticos blandos, con
resistividades eléctricas muy altas, por lo que representan muy pocas pérdidas por
corrientes inducidas. Gracias a esta propiedad se pueden utilizar en dispositivos que
trabajan a frecuencias muy elevadas, del orden de microondas, como pueden ser los
filtros y resonadores sintonizables.
Son usadas como imanes permanentes, tienen
la formula general MO.6Fe2O3, y tienen
estructura cristalina hexagonal.
La ferrita más importante de este grupo es la
ferrita de bario que fue introducida en Holanda
por la compañía Philips en 1952, bajo el
nombre comercial de Ferroxdure.
Tienen estructura similar a la de la
espinela inversa, con simetría
hexagonal en lugar de cúbica. La
formula química para estos materiales
puede representarse por AB12O19
donde A es un metal divalente tal como
bario, plomo o bien estroncio y B es un
metal trivalente tal como el aluminio,
galio, cromo o hierro.
Estructura de la magnetoplumbita
Los dos ejemplos mas comunes de
ferritas hexagonales son PbFe12O19 y
BaFe12O19
Estructura de la magnetoplumbita (PbFe7.5Mn3.5Al0.5Ti0.5O19).
Son muy anisótropos, imanes permanentes.
Aplicación Motores eléctricos, grandes altavoces, separadores magnéticos
Aplicación:
minería.
Dependiendo del valor de la
coercitividad,
los
Materiales
ferrimagnéticos se clasifican en
duros o blandos. Un material duro
necesita un campo intenso para
reducir su inducción a cero. Un
material blando es fácilmente
saturado pero también fácilmente
desmagnetizado.
La mayoría de los fenómenos magnéticos se asocian con los metales,
debido a la fácil percepción de ferromagnetismo, que como su nombre lo
indica se presenta en diversas aleaciones ferrosas y en varios metales de
transición de amplio uso.
Sin embargo, se debe prestar suma atención al ferrimagnetismo que se
presenta en compuestos cerámicos magnéticos. En estos sistemas, los iones
de metal de transición generan momentos magnéticos, como lo hacen los
átomos del metal de transición en el ferromagnetismo.
Actualmente existe un sustancial interés en los materiales magnéticos
cerámicos por sus mayores temperaturas de operación y mayor potencial de
aplicación, especialmente en el área de los dispositivos de película delgada
para computadoras compactas y detectores ultrasensibles de campo
magnético, además del desarrollo de cable para solenoides.