MagnéticosMateriales

Todo material existente en el mundo responde a la presencia de un campo magnético. Los materiales magnéticos se utilizan para operar motores eléctricos, generadores y transformadores.

Gran parte de la tecnología de almacenamiento de datos (discos duros de computadora, discos flexibles, casetes de audio y de video) se basan en partículas magnéticas. Los materiales magnéticos también se utilizan en teléfonos, reproductores de discos compactos, televisores y reproductores de video.

Los materiales magnéticos de más amplio uso se basan en metales y aleaciones ferromagnéticas, como son el hierro, el níquel, y el cobalto, o bien de materiales cerámicos ferrimagnéticos, incluyendo varias ferritas y granates. Las aleaciones de Fe-Nd-B así como Sm-Co producen materiales magnéticos “permanentes” muy poderosos, que se utilizan en sensores y accionadores.

Clasificación de los materiales magnéticos

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Todos los materiales están formados por átomos; los átomos, a su vez, están formados por electrones que giran a su alrededor. La escala con la cual se presenta esta respuesta de electrones y de átomos en un material determina si éste será muy magnético o poco magnético. Los materiales como el Fe, Ni, Co y algunas de sus aleaciones son ejemplos de materiales ferromagnéticos.

Muchos materiales cerámicos, como la ferrita de níquel zinc y la ferrita de manganeso zinc, son ejemplos de materiales ferrimagnéticos. Si alguien en algún momento utiliza el término “no magnético”, significa que el material no es ferromagnético ni ferrimagnéticos. Estos materiales “no magnéticos” se clasifican como diamagnéticos o paramagnéticos.

En algunos casos, también encontraremos materiales que son antiferromagneticos o superparamagneticos.

Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos suelen subclasificarse en materiales magnéticos suaves o duros.

Los imanes permanentes o los materiales magnéticos duros conservan su magnetización. Se trata de “imanes” puros. Muchas ferritas cerámicas se utilizan para fabricar imanes económicos para refrigeradores.

Dipolos y momentos magnéticos

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Los electrones en los átomos tienen un movimiento planetario, ya que giran alrededor del núcleo. El movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo, así como el giro del electrón en su propio eje, causan momentos magnéticos diferentes. Estos 2 movimientos (giro y orbital) contribuyen al comportamiento magnético de los materiales. Cuando un electrón gira, se presenta un momento magnético asociado con dicho movimiento.

Podemos considerar los electrones entre los materiales como pequeños imanes elementales. Si los momentos magnéticos debidos a los electrones en los materiales se pudieran alinear en una misma dirección, ¡el mundo sería un sitio magnético!, Sin embargo, como ustedes saben, éste no es el caso. Entonces, debe existir algún mecanismo mediante el cual los momentos magnéticos asociados con el giro de los electrones y su movimiento orbital se cancelan en la mayoría de los materiales, y sólo quedan unos cuantos que son “magnéticos”. Existen 2 efectos que, afortunadamente, hacen que la mayoría de los materiales de este mundo no sean “magnéticos”.

Primero, debemos tomar en consideración el momento magnético de los átomos. De acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, 2 electrones con el mismo nivel de energía deben tener giros opuestos. Esto significa que sus momentos magnéticos debidos al giro de los electrones son opuestos (uno puede considerarse hacia arriba y otro hacia abajo), y se cancelan. El segundo efecto es que también se cancelan entre si los momentos orbitales de los electrones. Es por eso que, en una capa completamente llena, todos los momentos de giro y orbitales de los electrones se cancelan.

Aquellos materiales en los que los momentos magnéticos de los átomos se orientan en una sola dirección; estos materiales se conocen como materiales ferromagnéticos.

Aquellos materiales en los que existe una totalidad cancelación de los momentos magnéticos en átomos o en iones se conocen como materiales antiferromagnéticos.

Aquellos materiales en los cuales los momentos magnéticos de los distintos átomos o iones no se cancelan en su totalidad se conocen como materiales ferrimagnéticos.

Magnetización, permeabilidad y el campo magnético

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Cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de la bobina, se produce un campo magnético H, la intensidad del campo está dada por.H = nІ / LDonde n es el número de espiras o vueltas, L es la longitud de la bobina (m), e I es la corriente (A). Por lo tanto, las unidades de H son entonces Amper. Vueltas/m o simplemente A/m.

Cuando un campo magnético se aplica en un vacío, se inducen líneas de flujo magnético. El número de líneas de flujo, conocidas como densidad de flujo o inductancia , está relacionado con el campo aplicado medianteB= μ0H

Donde B es la inductancia, H es el campo magnético y μ0 es una constante conocida como permeabilidad magnética del vacío.

Cuando colocamos un material dentro del campo magnético, la densidad de flujo magnético queda determinada por la forma en que los dipolos magnéticos interactúan en el campo. La densidad de flujo es ahora

B= µHDonde µ es la permeabilidad (capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de sí los campos magnéticos) del material dentro del campo. Si los momentos magnéticos refuerzan el campo aplicado, entonces µ > μ0, y se crea un número mayor de líneas de flujo, y se amplifica el campo magnético. Sin embargo, si los momentos magnéticos se oponen al campo, entontes µ < μ0.

Podemos describir la influencia del material magnético mediante la permeabilidad relativa µ, donde:

µr = µ/ μ0

Una permeabilidad relativa grande significa que el material amplifica el efecto del campo magnético. Un material con una permeabilidad magnética más elevada (por ejemplo, el hierro) acepta el flujo magnético más fácilmente.

La magnetización M representa el incremento en la inductancia debido al material del núcleo, por lo que podemos volver a escribir la ecuación para la inductancia como:

B= μ0H + μ0M

La primera parte de la ecuación es simplemente el efecto del campo magnético aplicado; la segunda parte es el efecto del material magnético presente.

Materiales diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, ferrimagnéticos y superparamagneticos.

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Estructura del dominio y el ciclo de histéresis.

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Desde un punto de vista fenomenológico, los materiales ferromagnéticos son similares a los ferroeléctricos. Un cristal de hierro o una pieza policristalina de acero al bajo carbono son ferromagnéticos; sin embargo normalmente no muestran una magnetización neta. Dentro del cristal único o de la estructura policristalina de un material ferromagnético o ferrimagnético, se produce una subestructura compuesta de dominios magnéticos, incluso en ausencia de un campo externo.

Esto ocurre porque la presencia de numerosos dominios en el material, organizados de manera que la magnetización neta sea cero, minimiza la energía magnetoestática.

Los dominios son regiones dentro del material en las cuales todos los dipolos están alineados en cierta dirección. En un material que jamás haya sido expuesto a un campo magnético, los dominios individuales tienen orientaciones al azar. La magnetización neta en un material ferromagnético virgen en su totalidad es igual a cero.

Las fronteras conocidas como paredes de bloch, separan los dominios magnéticos individuales. Las paredes de bloch son zonas muy angostas en las cuales la dirección del momento magnético cambia gradual y continuamente, desde el correspondiente a un dominio hasta el siguiente. Los dominios son muy pequeños, de aproximadamente .005 cm o menos, en tanto que las paredes de bloch son de aproximadamente 100 nm de espesor.

Cuando se impone un campo magnético sobre el material, los dominios que están prácticamente alineados en relación con el campo crecen a expensas de los alineados. A fin de que crezcan los dominios, las paredes de bloch deben moverse; el campo proporciona la fuerza requerida para este movimiento. Inicialmente los dominios crecen con dificultad y se requieren grandes incrementos en el campo para producir un poco de magnetización.Con forme aumenta la intensidad del campo, los dominios con orientación favorable crecen con mayor facilidad y al mismo tiempo se incrementa también la permeabilidad.Eventualmente, los dominios con orientación desfavorable desaparecen y la rotación completa la alineación de los dominios en el campo.

Movimiento de los dominios en un campo magnético .

La magnetización de saturación, que se produce cuando todos los dominios están orientados en dirección al campo magnético, es la magnetización mas elevada que puede lograrse con el material.

Cuando se elimina el campo magnético , la resistencia que ofrecen las paredes de los dominios impide que los dominios vuelvan a crecer con orientaciones aleatorias. Como resultado, gran parte de los dominios quedan orientados cerca de la dirección del campo original

Efecto de la inversión de campo:

Si ahora aplicamos un campo en la dirección inversa, los dominios crecen con una alineación en la dirección opuesta. Se requiere un campo coercitivo para obligar a los dominios a una orientación aleatoria y que se cancelen entre si. Con incrementos adicionales en la intensidad del campo, los dominios finalmente se alinearan hasta la saturación en la dirección opuesta.

Efecto de la eliminación del campo

Como el campo continuamente se cambia de sentido, la relación entre magnetización y campo traza un ciclo de histéresis. El área contenida en el interior del ciclo de histerisis se relaciona con la energía consumida durante un ciclo del campo alternante.

La temperatura de Curie

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Cuando se incrementa la temperatura de un material ferromagnético, la energía térmica adicional incrementa la movilidad de los dominios, facilitándoles su alineación, pero también impidiendo que se conserven alineados cuando se elimina el campo, en consecuencia, tanto la magnetización de saturación como la remanencia y el campo coercitivo disminuyen en todos a temperaturas elevadas. Si la temperatura excede la temperatura de Curie, ya no se presenta comportamiento ferromagnético. En cambio el material se comporta como paramagnético.

La temperatura de Curie , que depende del material, puede modificarse utilizando elementos de aleación

Temperaturas de Curie para materiales seleccionados

Aplicaciones de los materiales magnéticos

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Los materiales ferromagnéticos se clasifican como magnéticamente suaves o duros, dependiendo de la forma de su ciclo de histéresis.

Generalmente, si el valor de coercitividad es ›10⁴ A m⁻¹, ̴� ∙consideremos al material como magnéticamente duro. Si los valores los valores de coercitividad son inferiores a 10³ A m⁻¹, ∙consideramos a los materiales como como magnéticamente suaves.

En la imagen se muestra la clasificación de distintos materiales magnéticos importantes desde un punto de vista comercial. Observen que la coercitividad es una propiedad muy sensible a la microestructura; sin embargo, para un material de una composición dada, la magnetización de saturación es constante.

Los materiales ferromagnéticos se utilizan a menudo para mejorar la densidad de flujo magnético producido cuando se hace pasar corriente eléctrica por un material.

Estos materiales tienen a menudo las siguientes características:

Magnetización de alta saturación. Alta permeabilidad. Pequeño campo coercitivo. Pequeña remanencia. Pequeño ciclo de histéresis. Respuesta rápida a campos magnéticos de alta frecuencia. Resistividad eléctrica elevada.

Materiales magnéticos suaves

Materiales magnéticos suaves

Los materiales magnéticos se utilizan para el almacenamiento de datos. Se almacena la memoria magnetizando un material en cierta dirección.

Por ejemplo, si el polo norte está activo, el bit de información almacenado es igual a 1. Si el polo norte no está activo, entonces lo que se almacena es un 0.

Para eliminar esta información es necesario un cambio abrupto y grande en la magnetización del ferroimán.

Para esta aplicación, son preferibles los materiales con un ciclo de histéresis cuadrado, una remanencia baja, una magnetización por saturación también baja y un campo coercitivo reducido.

Materiales para almacenamiento de datos

Finalmente, los materiales magnéticos se utilizan para la fabricación de imanes permanentes de gran potencia. Los imanes permanentes poderosos, que a menudo se les llama imanes duros, requieren lo siguiente:

Alta remanencia (dominios estables). Alta permeabilidad. Alto campo coercitivo. Gran ciclo de histéresis. Alta potencia.

Estos imanes están hechos en forma de polvos por la rápida solidificación de una aleación fundida. Estos polvos se enlazan en una matriz polimérica o se comprimen en caliente para producir la materia prima. La potencia se incrementa cuando el imán sinterizado se orienta o se polariza.

Imanes permanentes

Materiales magnéticos metálicos y cerámicos

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Metales magnéticos:

El hierro, el níquel y el cobalto puros no se utilizan normalmente en aplicaciones eléctricas, debido a sus conductividades eléctricas elevadas y a ciclos de histéresis relativamente grandes, lo que conduce a pérdidas de energía excesivas. Sin embargo, son imanes permanentes relativamente malos; los dominios son fáciles de reorientar y tanto la remanencia como el producto BH son reducidos en comparación con los correspondientes a aleaciones más complejas como las de hierro níquel o hierro silicio.

Imanes compuestos:

Para reducir las perdidas por corrientes parasitas, se utilizan materiales compuestos. Se montan laminas delgadas de hierro al silicio intercambiándolas con hojas de un material dieléctrico. Estas capas laminadas se apilan para obtener el espesor general deseado. El dieléctrico incluido aumenta la resistividad de los imanes compuestos, por lo que resultan apropiados a frecuencias bajas e intermedias.A frecuencias muy altas, las perdidas tienen mayor importancia, dado que los dominios no tienen tiempo para realinearse.

Los materiales cerámicos magnéticos de uso común son las ferritas, que tienen una estructura cristalina en espinel.Los polvos para las ferritas se elaboran utilizando técnicas de procesamiento de materiales cerámicos (como síntesis de polvos vía reacciones de estado solido, molinos de esferas, compactación y sectorización).

Podemos comprender el comportamiento de estos imanes cerámicos estudiando la magnetita, Fe₃O₄. La magnetita contiene dos iones de hierro diferentes, Fe²⁺ y Fe³⁺, por lo que podríamos reescribir la fórmula de la magnetita como Fe²⁺Fe₂³⁺O₄²⁻. La estructura cristalina de la magnetita o espinel se basa en un arreglo FCC de iones de oxígeno, donde los iones de hierro ocupan sitios intersticiales seleccionados.

Materiales cerámicos ferrimagnéticos