Propiedades magnéticas de los materiales

PRACTICA DE LABORATORIO: PROPIEDADES MAGNETICAS DE LOS MATERIALES
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES
MATERIALES EN INGENIERÍA
YARUMAL
2012
INTRODUCCION
Los materiales pueden alterar sus propiedades por diversos factores externos como por
ejemplo los campos eléctricos y magnéticos; para los campos eléctricos los materiales se
pueden comportar como aislantes, semiconductores o conductores, este comportamiento
se debe a la composición de los materiales, como están distribuidos los átomos y a su vez
los electrones que los componen. Para describir estos fenómenos es utiliza la mecánica
cuántica y de igual modo que en los fenómenos eléctricos es de esperarse que para el
campo magnético también aparezcan relaciones con fenómenos cuánticos, una de estas
propiedades cuánticas es el espín.
Algunas de las caracterizaciones de los materiales se da por su comportamiento ante un
campo magnético, con el fin de estudiar las propiedades del paladio se sometió una
muestra a un campo con un barrido desde -5000oe hasta 5000oe, a partir de los datos
obtenidos se podrá entender como se comporta la muestra ante el campo aplicado. Para
ello se empleó un magnetómetro de muestra vibrante (VSM), El principio de
funcionamiento del VSM es la Ley Inducción de Faraday, la cual nos dice que un campo
magnético variable producirá un campo eléctrico. Este campo eléctrico puede ser medido
y por ende nos brinda información acerca del campo magnético.
En realidad en el experimento se busca la susceptibilidad magnética que es la respuesta
del material al campo, dependiendo de este valor el material se puede clasificar en 3
categorías.
Materiales diamagnéticos (X<0): La susceptibilidad magnética es menor que cero,
negativa, esto provoca que la respuesta ante el campo magnético externa se oponga a
este, generando que las líneas de campo magnético se les dificulte entrar al material, es
decir el materia excluye las líneas del campo externo.
Materiales Paramagnéticos (X>0): La susceptibilidad es pequeña y mayor que uno, el
material en presencia de un campo lo suficientemente fuerte hace que los dipolos se
alinean en la dirección del campo, haciendo que las líneas de campo penetren en el
material generando una magnetización del mismo. Al quitar el campo externo los dipolos
se desalinean y la magnetización desaparece.
Materiales Ferromagnéticos (X>0): Los dipolos están alineados sin necesidad de un
campo externo entonces cuando se aplica un campo el material no se altera pues los
dipolos ya están alineados.
Paladio
Elemento químico, símbolo Pd, número atómico 46 y peso atómico 106.4. Es un metal
blanco y muy dúctil semejante al platino, al que sigue en abundancia e importancia.
El paladio soportado sobre carbono o alúmina se emplea como catalizador en ciertos
procesos químicos en que intervienen reacciones de hidrogenación en fase líquida y
gaseosa.
Quizá el uso más frecuente del paladio puro corresponda a los contactos eléctricos para
bajo voltaje. El paladio sobresale por el número de metales con que forma aleaciones y
generalmente produce soluciones sólidas dúctiles.
El paladio es blando y dúctil y puede fabricarse como alambres finos y placas delgadas.
Calentado a temperaturas superiores a 80ºC (1472ºF), se forma un óxido opaco, PdO,
ligero y adherente, que no tiende a descarapelarse ni a desprenderse1.
Figura 1: Cristal de paladio
Procedimiento
Para lograr describir las propiedades magnéticas del paladio vasta encontrar la función
respuesta (X) de este, pues según esta se puede clasificar el material en una de las 3
categorías mencionadas anteriormente. Se sabe por el teorema de Bohr-van Leeuwen que
el magnetismo es un fenómeno cuántico, aunque aquí se va a hacer un tratamiento
experimental, es importante remarca la procedencia de la descripción de este fenómeno
pues la mayoría de las veces se conoce solamente la explicación clásica.
1
Para leer mas ir a : http://www.lenntech.es/periodica/elementos/pd.htm#ixzz2EVdRvJ2v
Para lograr una aproximación de la función respuesta (x) se sometió una muestra de
paladio de 0.2823 mg a la acción de una campo magnético, para esto se uso un
magnetómetro de muestra vibrante (VSM por sus siglas en ingles). El sistema consta de un
motor que hace que la muestra oscile a una frecuencia de 40 Hz en un tanque con unas
bobinas encargadas de generar el campo magnético, el tanque es enfriado por helio
líquido que se obtiene después de un proceso de licuado en un compresor. La muestra
esta sostenida por un pequeño cilindro de oro; esta echo de oro para que no afecte
demasiado los resultados del experimento. Antes de activar de ingresar la muestra se
debe equilibrar la temperatura del VSM para evitar que se generen condensaciones
internas y el experimento resulte erróneo; cuando el ordenador indica que la temperatura
esta equilibrada se ingresa la muestra al motor para luego ser introducida dentro del
cilindro, en el paso siguiente se aplica un campo de 500 Oe para encontrar en que
posición se da la respuesta optima de la muestra, para nuestro caso se dio que la
respuesta adecuada se da en la posición de 35.25 mm. Logrado todo esto se procede a
hacer el barrido con el campo magnético con valores desde -5000 Oe a 5000 Oe, al final el
ordenador entrega una tabla de valores que por su gran tamaño no se incluirá aquí, pero
se incluye la grafica 2 que relaciona los valores entregados por el ordenador. La grafica se
obtiene al realizar una regresión lineal con los datos.
Moment (emu)
Moment (emu)
1.00E-02
8.00E-03
6.00E-03
4.00E-03
2.00E-03
-6000
-4000
0.00E+00
-2000
0
-2.00E-03
2000
4000
6000
H (Oe)
-4.00E-03
-6.00E-03
-8.00E-03
-1.00E-02
Grafica 1. Magnetización vs campo aplicado, resulta de la regresión lineal
Si se observa la ecuación 1 se nota una relación lineal entre M y H y es exactamente lo que
muestra la grafica 1 obtenida con los resultados experimentales, es una primera
confirmación práctica de la parte teórica. Si se analiza un poco más la ecuación 1
𝑴 = 𝝌𝑯
Ecuación 1. Magnetización con dependencia de H
Se puede llegar a la ecuación dos que expresa la susceptibilidad como la derivada de la
magnetización con respecto al campo H.
𝝏𝑴
𝝏𝑯
Ecuación 2. Susceptibilidad magnética
𝝌=
Como la función respuesta es la derivada de la magnetización con respecto a H, y además
M tiene una respuesta lineal ante H, y la derivada de una función lineal es su pendiente,
vasta con encontrar la pendiente de la recta de la grafica 1 para encontrar el objetivo del
laboratorio la susceptibilidad. Esto lo conseguimos encontrando dos puntos de la recta y la
ecuación 3
𝑦 − 𝑦1
𝑥 − 𝑥1
Ecuación 2. Pendiente de una recta
𝑚=
Para calcular la pendiente se toman los puntos (3986.375, 5.92x10−3) y (891.8475,
1.32x10−3 ) y se ingresan a la ecuación 2. Después de realizar el calculo matemático
obtiene que el valor de la susceptibilidad magnética para el paladio es de 1.48x𝟏𝟎−𝟔
[Emu/Oe].
Análisis de los resultados:
Una susceptibilidad magnética positiva excluye la posibilidad de que el material se
diamagnético pues para estos X debe ser negativa, así pues queda solo la opción de que
sea paramagnético o ferromagnético, pero para el segundo caso se requiere que X sea
grande y es claro que en nuestro caso no pasa esto, por lo tanto se puede concluir que el
material es paramagnético. Esto indica que los dipolos del paladio se alinean con el campo
externo generando que el paladio se comporte como un estilo de imán, pero al
desaparecer el campo externo las propiedades magnéticas obtenidas también
desaparecen. Es de remarcar que las mediciones se hicieron después de lograr que SVM
estuviera a temperatura ambiente y la susceptibilidad varia con al temperatura.
El paladio es un material paramagnético aunque su uso mas amplio es por sus
propiedades eléctricas y químicas pues se usa mayormente para la fabricación de
contactos electrónicos y como catalizador de algunas reacciones químicas.
Conclusiones
El magnetismo es un fenómeno cuántico, depende tanto de L como de s.
El magnetismo es un fenómeno con mucho potencial, es mas en la actualidad es parte
importante en la ingeniería y por ende el diario vivir basta mirar los motores eléctricos,
los discos duros y cientos de artefactos que nos rodean.
Si conocemos bien como se comportan los materiales ante fenómenos naturales, como
por ejemplo los campos magnéticos es posible que en nuestra vida profesional puedan dar
solución a una problemática o evitar algunas.
El paladio es un material paramagnético lo que lo hace adquirir propiedades magnéticas
en presencia de un campo externo, pero estas propiedades desaparecen al desaparecer el
campo H, esto indica que el paladio no se puede usar para la producción de imanes
permanentes.
El proceso realizado fue muy importante pues da bases de como clasificar los materiales
dependiendo de sus propiedades magnéticas. Muestra que si se encuentra el valor de la
susceptibilidad se puede clasificar el material en paramagnéticos, diamagnéticos o
ferromagnéticos.