Ferromagneticos

NTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS MATERIALES

Índice

Introducción

Campos Magnéticos y Magnitudes

Sustancias magnéticas

Dominios, ciclos de histéresis y condicionantes sobre los rendimientos de los materiales magnéticos

Materiales Ferromagnéticos

Materiales Ferrimagnéticos

Bibliografía

Introducción

Los materiales magnéticos son importantes materiales industriales necesarios para muchos diseños en ingeniería. Primeramente penetraremos en el origen del magnetismo de los materiales ferromagnéticos y examinaremos brevemente algunas de las unidades básicas y relaciones asociadas con el magnetismo y con los materiales magnéticos. Posteriormente investigaremos algunas de las propiedades más importantes de los campos magnéticos y estudiaremos la formación y movimiento de los dominios en los materiales ferromagnéticos. A continuación discutiremos algunos aspectos de la estructura y propiedades de algunos materiales ferromagnéticos industriales, tanto blandos como duros. Finalmente describiremos brevemente el ferrimagnetismo y la estructura y propiedades de las ferritas, que son materiales magnéticos cerámicos.

Campos Magnéticos y Magnitudes

Fuentes del magnetismo natural

Un imán es un cuerpo capaz de atraer fuertemente los objetos de hierro. También sabemos que las corrientes eléctricas presentan propiedades magnéticas como los imanes. Como veremos, las propiedades magnéticas de los imanes y de las corrientes eléctricas tienen un origen común: el movimiento de cargas eléctricas.

En 1823, Ampère sugirió que el magnetismo natural era debido a pequeñas corrientes cerradas en el interior de la materia. En la actualidad, identificamos esas pequeñas corrientes con el movimiento de los electrones en el interior de los átomos. Un electrón que gira alrededor del núcleo equivale a una corriente que produce los mismos efectos magnéticos que un pequeño imán. Por otro lado, los electrones giran sobre sí mismos produciendo efectos magnéticos adicionales.

Podemos imaginar que en cualquier material existen muchos imanes de tamaño atómico. En la mayoría de los casos, estos pequeños imanes o dipolos magnéticos están orientados al azar y sus efectos se cancelan. Sin embargo, en ciertas sustancias, estos dipolos magnéticos están orientados en el mismo sentido. En tal caso, los efectos de cada dipolo magnético se suman formando un imán natural.

Campos magnéticos

Comencemos nuestro estudio sobre los materiales magnéticos revisando algunas de las propiedades fundamentales del magnetismo y de los campos magnéticos. Los metales hierro, cobalto y níquel son los tres únicos elementos metálicos que una vez imanados a temperatura ambiente pueden generar un fuerte campo magnético a su alrededor diciéndose que son ferromagnéticos. La presencia de un campo magnético rodeando una barra imanada de hierro puede observarse por la dispersión de pequeñas partículas de hierro espolvoreadas sobre una hoja de papel localizada encima de la barra de hierro. Como se observa en la figura 1, la barra imanada posee dos polos magnéticos, y las líneas de campo magnético salen de un polo y entran en el otro.

En general, el magnetismo presenta una naturaleza dipolar, no habiéndose descubierto ningún monopolo magnético. Siempre hay dos polos magnéticos o centros del campo magnético, separados una distancia determinada, y este comportamiento dipolar se extiende hasta los pequeños dipolos magnéticos encontrados en algunos átomos.

Los campos magnéticos también son producidos por conductores portadores de corriente. La figura 2 ilustra la formación de un campo magnético alrededor de una larga bobina de hilo de cobre, llamada solenoide, cuya longitud es mucho mayor que su radio. Para una solenoide de n vueltas y longitud l, la intensidad del campo magnético H es

donde i es la corriente. La intensidad del campo magnético H tiene, en el SI, unidades de amperios por metro (A/m) y, en el sistema cgs, unidades de oersted (Oe). La relación de conversión entre las unidades del SI y cgs para H es 1 A/m = 4 x 10-3 Oe.

Inducción magnética

Situemos una barra de hierro desimanada dentro de un solenoide y apliquemos una corriente imanadora al solenoide, tal y como se muestra en la figura 2b. Se obtiene que el campo magnético exterior al solenoide es mayor con la barra imanada dentro del solenoide. El aumento del campo magnético fuera de la solenoide es debido a la suma del campo generado por el solenoide y el campo magnético externo a la barra imanada. El nuevo campo magnético resultante se denomina inducción magnética, o densidad de flujo, o simplemente inducción y se denota por el símbolo B.

La inducción magnética B es la suma del campo aplicado H y el campo externo proveniente de la imanación de la solenoide. El momento magnético inducido por unidad de volumen debido a la barra se denomina intensidad de imanación o simplemente imanación, y se denota por el símbolo M. En el SI de unidades

donde 0 es la permeabilidad en el espacio libre = 4 x 10-7 tesla-metro por amperio (T·m/A). 0 no tiene significado físico y únicamente es necesario en la Ecuación anterior por la elección del SI de unidades. La unidad en el SI para B es el weber (1 Wb = 1 V·s) por metro cuadrado (Wb/m2), o el tesla (T), y la unidad del SI para H y M es el amperio por metro (A/m). La unidad cgs para B es el gauss (G) y para H, el oersted (Oe). Un punto importante a resaltar es que para los materiales ferromagnéticos, en muchos casos, la imanación 0M es generalmente mucho mayor que el campo aplicado 0H, de forma que podemos utilizar la relación B " 0M. Por consiguiente, para materiales ferromagnéticos, algunas veces las cantidades B (inducción magnética) y M (imanación) pueden intercambiarse.

Permeabilidad magnética

Como hemos señalado antes, cuando se coloca un material ferromagnético dentro de un campo magnético, aumenta la intensidad del campo magnético. Este incremento en la imanación se mide mediante una cantidad llamada permeabilidad magnética , definida como el cociente de la inducción magnética B respecto al campo aplicado H, es decir,

Si el campo magnético se aplica al vacío resulta

donde 0 = 4 x 10-7 T·m/A = permeabilidad del vacío, como definimos anteriormente.

Una forma alternativa de definir la permeabilidad magnética es a partir de la cantidad permeabilidad relativa , definida como el cociente /0. Entonces:

y

La permeabilidad relativa 0 es una cantidad adimensional.

La permeabilidad relativa es una medida de la intensidad del campo magnético inducido. En cierta forma, la permeabilidad magnética de los materiales magnéticos es análoga a la constante dieléctrica de los materiales dieléctricos. Sin embargo, la permeabilidad magnética de un material ferromagnético no es una constante, sino que varía cuando el material es imanado, tal como se muestra en la Figura 12.4. La permeabilidad magnética de un material magnético se mide generalmente como su permeabilidad inicial i o como su permeabilidad máxima máx. La Figura 12.4 muestra cómo se obtiene i y máx a partir de la pendiente de la curva de imanación inicial B-H para un material magnético. Los materiales magnéticos que son fácilmente imanados tienen alta permeabilidad magnética.

Susceptibilidad magnética

Dado que la imanación de un material magnético es proporcional al campo aplicado, el factor de proporcionalidad llamado susceptibilidad magnética m se define como

'Materiales eléctricos y magnéticos'

Sustancias magnéticas

Diamagnetismo

En 1847, Michael Faraday descubrió que una muestra de bismuto era repelida por un imán potente. A tales sustancias las llamó diamagnéticas. El diamagnetismo es una forma muy débil de campo magnético que no es permanente y persiste sólo mientras un campo externo está presente. Un campo magnético que actúa sobre un átomo, induce un dipolo magnético en todo el átomo, influyendo sobre el momento magnético a través de los electrones orbitales. Estos dipolos se oponen al campo magnético, causando que la magnetización sea menor que la unidad. Este comportamiento proporciona una permeabilidad relativa de aproximadamente 0,99995 y la susceptibilidad magnética es negativa. El comportamiento diamagnético no tiene aplicaciones importantes en materiales o dispositivos magnéticos. Cuando estos materiales se colocan entre los polos de un fuerte electroimán son atraídos hacia las regiones donde el campo es menor.

'Materiales eléctricos y magnéticos'

Paramagnetismo

Cuando los materiales tienen electrones no pareados, se les asocia un momento magnético neto debido al espín o giro electrónico. Cuando se aplica un campo magnético los dipolos se alinean con el mismo, lo aumentan, y dan origen a una permeabilidad relativa mayor que la unidad (1,01) y a una pequeña pero positiva susceptibilidad magnética. las susceptibilidades para los materiales paramagnéticos van desde 10-5 a 10-2. Sin embargo, debido a que los dipolos no interactúan, se requieren campos magnéticos extremadamente grandes para alinear a todos los dipolos. Este efecto es importante solamente a temperaturas

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