Definición de un metal

Definición química

Definición metalúrgica

Definición química (solo incluye elementos)

Definición metalúrgica (Incluye a elementos y aleaciones)

Agregados de átomos (elementos, aleaciones) que poseen propiedades metálicas

Aleación

Sistema de dos o mas elementos (de los cuales uno por lo menos es un metal)

con propiedades metálicas

Listado de propiedades metálicas:

Resistencia mecánica

Ductilidad

Maleabilidad

Dureza

Tenacidad

Fragilidad

+ O2 == +

Definicion química de un elemento

Elemento metal

Óxido básico (Na2O, CaO)

ORÍGEN DEL MOMENTO MAGNÉTICO m⃑

En un átomo aislado a cada electrón se le asocia una masa m, una carga e, una

velocidad variable v⃑, una órbita en torno al núcleo de radio r⃑ y a un giro sobre su

propio eje (spin).

Se define el momentum (cantidad de movimiento o momento lineal) p⃑

p⃑ = mv⃑

Momento cinético orbital L⃑

L⃑ = r⃑ x p⃑

y un momento cinético spin S⃑

El momento cinético total de un átomo es J

J = L + S

A la corriente que origina el electrón existe asociado un momento magnético

orbital m⃑o :

m⃑o=−e2mc

L⃑

Asociado a S⃑ existe un momento magnético spin m⃑s :

m⃑s=−emc

S⃑

El momento magnético total m⃑ es igual a

m⃑=m⃑o+m⃑s

Los valores de L⃑ y S⃑ están cuantizados y dependen de los números cuánticos l y

s . Pueden señalarse las siguientes consecuencias:

1. Dentro de una capa completamente llena L⃑ y S⃑ son nulas y la capa no es

magnética

2. Los valores no nulos de L⃑ y S⃑ provienen de capas incompletas y son las

responsables del magnetismo de los átomos como sucede con los elementos

de transición

3. Los vectores L⃑ y S⃑ de los electrones se combinan para dar el mayor valor

posible de L⃑ y S⃑ en concordancia con el Principio de Pauli y las reglas de

Hund

4. Los momentos L y S se combinan de modo que la resultante J adopta los

siguientes valores

J=L-S si la capa electrónica está ocupada hasta menos de la mitad

J=L+S si la capa electrónica está ocupada hasta mas de la mitad

MAGNETIZACIÓN INDUCIDA M⃑

Si un material no magnético se le aplica un campo magnético, éste sufre una

imantación que puede actuar:

Oponiéndose al campo magnético externo (diamagnetismo)

Ayudando al campo magnético externo (paramagnetismo)

La magnetización total inducida M⃑ definida (Alonso 623) como el momento

magnético total por unidad de volumen, es proporcional a la intensidad del campo

magnético H⃑

M⃑= χ m H⃑

χm es la susceptibilidad magnética del material

m < 0 corresponden a materiales diamagnéticos, m m(T)

m > 0 corresponden a materiales paramagnéticos m = m(T)

Este proceso se explica básicamente por el alineamiento de los momentos

magnéticos internos del material con el campo aplicado. El momento magnético

de un átomo libre se le asocia a tres efectos

1 El cambio del momento angular orbital por la aplicación de un campo

magnético

2 El momento angular orbital de los electrones alrededor del núcleo

3 El spin de los electrones.

DiamagnetismoEl efecto 1 es la causante del diamagnetismo. Cuando un átomo tiene sus

orbitales llenos con un número par de electrones, sus momentos magnéticos spin

y orbital son nulos; solo posee momento magnético inducido por la presencia de

un campo magnético. Este campo magnético imprime una rotación de precesión

(precesión de Larmor) sobre el electrón en torno a la dirección del campo

magnético lo que origina un momento magnético en oposición al campo aplicado,

lo que origina ser rechazado por el campo magnético.

El diamagnetismo es un efecto débil, no son atraídos por los imanes y tampoco

se convierten en imanes permanentes.

Muchos átomos aislados con orbitales incompletos cuando forman moléculas o

estructuras iónicas forman capas electrónicas completas y por lo tanto tienen

momento magnético nulo, comportándose como materiales diamagnéticos. Por

eso los cristales iónicos o los covalentes en los que cada orbital contiene

electrones con spin opuestos no pueden ser paramagnéticos

Paramagnetismo

Los efectos 2 y 3 dan lugar al paramagnetismo. Bajo un campo magnético los

átomos con capas electrónicas incompletas los spines desapareados se alinean

paralelamente al campo aplicado produciéndose un momento magnético que

refuerza ligeramente al campo aplicado. Este efecto se conoce como

paramagnetismo.Los materiales paramagnéticos son atraídos por los imanes y no

se convierten en imanes permanentes.

Este efecto es contrarrestado por la temperatura, razón por la cual la imantación

disminuye con la temperatura

Existe cinco grupos de elementos donde ocurre esto.

Grupo del Fe ==> capa 3d incompleta

Grupo del Pd ==> capa 4d incompleta

Lantánidos ==> capa 4f incompleta

Grupo del Pt ==> capa 5d incompleta

Resumiendo

Un material diamagnético no tiene polarización permanente pero puede

inducírsele a través del mecanismo de precesión de Larmor.

La polarización inducida tiende a reducir el campo interno por lo que D < 0

por que se genera un momento dipolar magnético que se opone al campo

externo.

PARAMAGNERISMO. DIAMAGNETISMO

Los compuestos moleculares iónicos son diamagnéticos porque sus electrones

están apareados.

Los materiales diamagnéticos más comunes son: bismuto metálico, hidrógeno,

helio y los demás gases nobles, cloruro de sodio, cobre, oro, silicio, germanio,

grafito, bronce y azufre. El Sb y el Bi son fuertemente diamagnéticos

Los metales muestran paramagnetismo debido a los electrones de conducción.

Los metales de tierras raras son fuertemente paramagnéticos.

Los metales o los elementos del grupo de transición conteniendo Pd y Pt son

bastantes paramagnéticos.

La mayoría de los buenos conductores de electricidad son débilmente

paramagnéticos lo que implica que los electrones de conducción son

paramagnéticos.

Ferromagnetismo

Existe una tercera clase de sustancia magnética llamada ferromagnéticas, cuya

característica es que presenta una magnetización permanente que sugiere una

tendencia natural a los momentos magnéticos de sus átomos a alinearse debido a

sus interacciones mutuas. Ejemplo de estas sustancias: Magnetita y otros imanes

naturales así como el Fe, Co, Mn y sus correspondientes compuestos.

Puede considerarse como un paramagnetismo enormemente elevado, en donde

la permeabilidad del medio ’ es ciento o miles de veces superior a la del vacío y

Clasificación

DiamagnéticosMateriales débilmente magnéticos

con la particularidad que no es constante sino que es función de los estados

magnéticos por lo que ha pasado previamente la sustancia (ver figura ’ - H).

El ferromagnetismo es el ordenamiento de todos los momentos magnéticos del

material en la misma dirección y sentido resultando que el magnetismo puede

llegar a ser hasta un millón de veces mas intensa que la de un material

paramagnético.

El ferromagnetismo está asociado con la interacción entre los spines S1 y S2 de

dos electrones expresada en la forma –JS1.S2, donde J: Integral de intercambio

que depende de la distancia entre los electrones

Si J > 0, el equilibrio se obtiene cuando S1 y S2 son paralelos

Si J < 0, el equilibrio se obtiene cuando S1 y S2 son antiparalelos

Caso J>0 (ferromagnetismo)

En el equilibrio S1 S2. Esto se cumple en regiones microscópicas denominadas

dominios (10-8 - 10-12 m3 con 1021 - 1017 átomos). Fig 16.47

La dirección de magnetización depende de la estructura cristalina. Ejemplo en el

Fe (BCC) las direcciones de fácil magnetización son a lo largo del eje a.

Dentro de una porción de material pueden existir dominios con distintas

orientaciones que pueden dar un efecto macroscópico nulo o despreciable. En

presencia de un campo sucede:

Los dominios orientados favorablemente al campo crecen a expensas de los

orientados menos favorablemente (ver Fig16.47b).

A medida que la intensidad del campo magnético externo aumenta, la

magnetización de los dominios tienden a alinearse en la dirección del campo,

convirtiendo esa porción del campo en un imán (Fig 16.47c)

Figura 16.47a

Figura 16.47b

Figura 16.47c

El ferromagnetismo depende de la temperatura y para cada sustancia existe la

denominada temperatura Curie Tc donde si

T > Tc, la sustancia se hace paramagnética

T < Tc, la sustancia es ferromagnética

A la temperatura Tc la agitación térmica vence las fuerzas de alineación

Elemento Tc(oC)

Fe 770

Ni 365

Co 1075

Gd 15

Ferromagnetismo según la teoría de bandas

Veamos ahora a nivel atómico las razones del momento magnético permanente

del Fe, Co y Ni. Cada átomo tiene 2 átomos en el nivel 4s y el nivel 3d incompleto

Si las interacciones favorecen los spin paralelos (Regla de Hund) las

configuraciones electrónicas serán

Fe 3d6 4s2

Co 3d7 4s2

Ni 3d8 4s2

Entonces los momentos atómicos expresados en magnetones Bohr serán

respectivamente 4, 3 y 2, pero

Elemento Fe Co Ni

Momento Atóm.esperado 4 3 2

Momento Atóm.medido 2.22 1.70 0.61

La teoría zonal da una explicación para la aparición de valores no enteros

medidos.

Dominios

Dentro de un cristal de Fe existen pequeñas regiones o dominios dentro del cual

los electrones desapareados tienen sus spines paralelos. Las direcciones de

estos spines varían de dominio a dominio. Este paralelismo de spin es causado

por una contribución pequeña pero finita de los momentos angulares orbitales de

estos electrones a la magnetización.

Cuando se aplica un campo externo los dominios que tiene sus momentos

paralelos al campo reducen su energía, en caso contrario la incrementan. La

energía del cristal puede reducirse si los dominios se alinean paralelamente al

campo lo que puede hacerse de dos maneras.

1. La dirección de todo el dominio cambia

2. Los dominios con direcciones favorables crecen a expensas de los que tienen

direcciones menos favorables.

Cuando el campo externo es invertido de dirección todos los dominios deberían

re-orientarse pero debido a varias causas se requiere de un campo adicional para

vencer los factores que se oponen a la re-orientación lo que se traduce en una

histéresis.

Magneto estricción, fenómeno por el que la magnetización de un cristal

ferromagnético depende del modo en que la estructura es deformada.

La magnetoestricción está relacionada con las propiedades elásticas del cristal y

puede usarse par explicar la formación de dominios.

En un cristal de Fe existen 6 direcciones 100 equivalentes de fácil

magnetización. Los momentos magnéticos se alinean paralelamente a estas 6

direcciones. Los dominios están separados por límites a través de los cuales se

produce el cambio gradual de dirección de los momentos magnéticos.

Materiales Ferromagnéticos

La fabricación de materiales ferromagnéticos es en base a materiales

policristalinos. La existencia de granos con orientaciones al azar impide la

magnetización del material. Dentro de un distribución aleatoria una pequeña

fracción de granos tiene una dirección de fácil magnetización paralela a la

dirección del campo. Mas aun la magnetoestricción en estos cristales producen

deformaciones en los granos vecinos lo que a su vez afecta la fácil magnetización

en una manera mas complicada.

En el caso de un imán para altoparlantes se requiere de un material de una gran

área de histéresis y extrema magnetoestricción. Una gran área de histéresis

indica que después que se alcanza la saturación de magnetización el campo

externo puede removerse sin pérdida apreciable en la magnetización inducida.

Una pronunciada magnetoestricción significa que es mas difícil cambiar la

dirección de magnetización de un grano una vez que ha alcanzado la saturación

para una dirección en particular. Un material típico con estas características es

Alnico (en % atómico 62Fe26Ni12Al). Tal material es recocido a temperatura

elevada y por un prolongado tiempo durante el cual una nueva fase precipita en

los b.g. endureciendo mecánicamente el material. El efecto magnético de este

endurecimiento por precipitación es que la fuerza coercitiva requerida para

remover una subsecuente magnetización inducida es muy grande. Este material

permite una saturación de magnetización por unidad de volumen razonablemente

alta, de manera que la fuerza deseada del campo magnético puede obtenerse sin

requerir imanes excesivamente grande.

Cuando un material ferromagnético es colocado en un campo magnético

alternante, el área encerrada por el lazo de histéresis mide la pérdidad de energía

por ciclo en invertir y re-invertir la dirección de magnetización.

En el diseño de transformadores se requiere de materiales ferromagnéticos con

pequeñas áreas de histéresis. Una mínima área de histéresis requiere a su vez

una mínima magneto-estricción por lo que debe usarse un material libre de

tensiones internas. Una manera de lograr ello es inducir una orientación preferida

en vez de granos aleatorizados para una placa de transformador. La orientación

preferida se puede obtener por laminación. Durante el subsecuente recocido,

minetras la lámina se encuentra en un fuerte campo magnético, se produce el

crecimiento de granos que tiene su dirección de fácil magnetización paralelo al

campo.

Ejemplo de este material es el Permalloy (Ni3Fe) tiende a semejarse a un

monocristal y puede alcanzar permeabilidades tan alta como 100 000 y tiene

campos coercitivos de valores muy pequeños.

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