materiales magneticos

UNIVERSIDAD TECNOLGICA NACIONAL FACULTADA REGIONAL BAHA BLANCADepartamento de Ingeniera Elctrica - Ctedra: Tecnologas y Ensayos de Materiales Elctricos

MATERIALES MAGNETICOSMAGNETICOS


Las fuerzas magnticas se generan mediante el movimiento de partculas elctricamente cargadas, que existen junto a las fuerzas electrostticas, siendo stas ltimas las que prevalecen.

Lneas imaginarias representan la direccin de las fuerzas en las cercanas

Conceptos Bsicos

Lneas imaginarias representan la direccin de las fuerzas en las cercanas de los campos que las producen.

En los materiales magnticos existen dipolos magnticos de manera similar a los dipolos elctricos.

Los dipolos magnticos son pequeos imanes con un polo norte y un polo sur, representados por una flecha.


Lneas de fuerza de campo magntico

Momento magntico


Intensidad de campo magntico o campo externamente aplicado

Si el campo lo genera una bobina de N espiras de longitud l y por la cual circula una corriente I[ A/m ]


Induccin magntica o densidad de flujo, BRepresenta la magnitud de la intensidad de campo magntico dentro de una sustancia sometida a un campo H.

Tanto B como H son vectores y se relacionan por:

[ Wb/m2 ] [ Tesla ]

es la permeabilidad magntica y es una caracterstica del medio en el cual es aplicado el H y donde se mide el B, se mide en [ Wb/A.m ] [ Hy/m ]

En el vacio:0, es una constante universal que vale:

4 .10-7 Hy/m


Permeabilidad relativa

Describe las propiedades magnticas de los slidos

Determina el grado en que un material puede ser magnetizado, o sea la facilidad con que se puede inducir un B, ante un H aplicado.

Magnetizacin del slido, M

B = 0.H + 0.M

En presencia de un H, los momentos magnticos del material tienden a alinearse con el campo aplicado reforzndolo, el trmino 0.M, es una medida de sta contribucin.


La susceptibilidad magntica m determina la proporcionalidad entre el campo H y M

La susceptibilidad magntica y la permeabilidad relativa estn relacionas por:La susceptibilidad magntica y la permeabilidad relativa estn relacionas por:


Unidades


Orgenes de los dipolos magnticos

Movimiento del e- alrededor del ncleo, al ser un carga que se mueve, puede considerarse como un espira que genera un campo magntico, con un mto.

El e- gira sobre si mismo alrededor de un eje, un mto. magntico se origina del spin del e-, el cual est dirigido a

campo magntico, con un mto. a lo largo de su eje de rotacin lo largo de su eje de rotacin.


En cada tomo los momentos orbitales y de spin se cancelan unos con otros.

El momento de spin de un e- con spin hacia arriba se cancelar con un e-con spin hacia abajo.

El mto. magntico de un tomo es la suma de los mtos. de spin y orbitales de cada uno de los e- constituyentes, teniendo en cuenta la cancelacin que se produce.se produce.

Cuando un tomo tiene completamente llenos los niveles o subniveles electrnicos y todos los e- son considerados, se produce la cancelacin total de los mtos. de spin y orbitales.

Como consecuencia los materiales con todos los niveles electrnicos llenos no pueden ser magnetizados en forma permanente. ( Ej: He, Ne, Ar, etc.)


Distintos tipos de magnetismo

DIAMAGNETISMO PARAMAGNETISMO FERROMAGNETISMO

FERRIMAGNETISMO

ANTI -FERRIMAGNETISMO


Diamagnetismo

Es una forma dbil de magnetismo que solo persiste con un campo externo aplicado

Se produce cuando el campo externo induce un cambio en el movimiento orbital de los e-, provocando un mto. magntico pequeo y opuesto al campo aplicado.

r < 1 ( ligeramente )

m es negativa y del orden de -10-5

Cuando se colocan entre los polos de un imn los materiales damagnticos son atrados hacia las zonas donde el campo es ms dbil.


Material diamagntico con y sin campo externo aplicado.Representacin de los momentos atmicos dipolares


Paramagnetismo

En algunos materiales slidos cada tomo posee un mto. magntico permanente, debido a la cancelacin incompleta de los mtos. de spin y/o orbitales de sus e-.

En ausencia de un campo externo las direcciones de sus mtos. Atmicos son al azar, por lo que la pieza no posee un magnetismo permanente.por lo que la pieza no posee un magnetismo permanente.

Ante la presencia de un campo externo los dipolos se alinean en la direccin de dicho campo.

Los dipolos magnticos son influenciados individualmente sin que interacten unos con otros.


r > 1 ( ligeramente )

m es positiva y del orden de -10-5 a 10-2

Tanto los materiales diamagnticos como los paramagnticos se los considera materiales no magnticos.


Susceptibilidad magntica de materiales diamagnticos y paramagnticos


Ferromagnetismo

Algunos materiales presentan magnetismo permanente en ausencia de un campo externo, llegando a tener magnetizaciones muy grandes.

Fe (con estructura BCC, ferrita ), cobalto y nquel.

H


Alineacin mutua de dipolos atmicos, an en ausencia de un campo externoDominios

La mxima magnetizacin posible o magnetizacin de saturacin Ms se logra cuando todos los dipolos estn alineados con el campo externo.

Tambin existe una correspondiente densidad de flujo Bs de saturacin.


Antiferromagnetismo

Es el alineamiento de los mtos. de spines de tomos o iones vecinos en un material en direcciones totalmente opuestas.

Los mtos. magnticos opuestos se cancelan entre s, y en consecuencia el slido no presenta mto. magntico macroscpico.


Ferrimagnetismo

Algunos materiales cermicos presentan caractersticas similares al ferromagmetismo al poseer una magnetizacin permanente denominada ferrimagnetismo.A estos materiales se los conoce como ferritas cbicas, son de naturaleza inica y se representan mediante:

MFe OMFe2O4Donde M representa cualquiera de los elementos metlicos.

El prototipo de ferrita es el Fe3O4, el mineral magnetita, a veces denominado piedra imn.

Las magnetizaciones de saturacin de los ferrimagnticos no son tan altos como los ferromagnticos, adems al ser cermicos son aislantes elctricos. Ej transformadores de alta frecuencia.


Influencia de la temperatura en el comportamiento magntico.Con el aumento de temperatura aumentan las vibraciones atmicas y los mtos. magnticos al ser libres para girar pueden quedar desalineados.

La magnetizacin de saturacin es mxima a 0K, esta disminuye con la temperatura hasta caer bruscamente a cero en el punto de Curi.


Dominios

En un material ferromagntico, existen regiones cuyos mtos. magnticos estn todos alineados (flechas) en la misma direccin.

Cada dominio est magnetizado a la Cada dominio est magnetizado a la saturacin.

La magnetizacin del slido M es la suma vectorial de la magnetizacin de todos los dominios


Estructura de los Dominios

Se determina debido a varios tipos de energas: La estructura msestable se alcanza cuando la energa potencial del conjunto esmnima.

Energa de anisotropa

Energa de la pared del dominio

Energa magnetoestrictiva

Energa magnetoesttica


Energa de anisotropa

En un cristal ferromagntico existe una energa denominada magneto-cristalina o de anisotropa que hace que la imanacin se oriente preferentemente a lo largo de ciertos ejes cristalogrficos, llamados direcciones de fcil imanacin

Se debe a las interacciones electrostticas asociadas a distribuciones atmicasSe debe a las interacciones electrostticas asociadas a distribuciones atmicas

Direcciones de fcil imanacin para el Fe, Ni y Co


Energa de la pared de dominios

La pared de dominio o pared de Bloch es la zona de transicin entre dos dominios adyacentes, imanados en diferentes direcciones.

El cambio del spin no ocurre de un salto discontinuo en un solo plano atmico, sino en forma gradual


Energa Magnetoesttica

Es la energa potencial magntica de un material ferromagntico debida al campo magntico externo generado.

a) Energa elevada. b) y c) Reduccin de la energa d) y e) Energa igual a ceropor la creacin de los dominios de cierre, no hay campo magntico externoasociado a la imanacin.


Energa magnetoestrictiva

Cuando un material se imana, sus dimensiones cambian ligeramente y lamuestra se expandir o contraer en la direccin de imanacin.

Esta deformacin elstica reversible inducida magnticamente se denomina magnetostriccin .

La energa debida a los esfuerzos mecnicos de la magnetostriccin se la

El Ni, por ejemplo, a la imanacin de saturacin se contrae unos 40 ppm en la direccin de imanacin y se expande en la direccin transversal a la imanacin.

El origen de la magnetostriccin est relacionado con el cambio en la longitud de enlace entre tomos, cuando el momento dipolar de su spin electrnico est rotando para la alineacin durante la imanacin.

La energa debida a los esfuerzos mecnicos de la magnetostriccin se lallama energa magnetoestrictiva.


Los dipolos pueden atraerse o repelerse uno a otro, dando lugar a lacontraccin o expansin del material durante la imanacin.

Este aumento de energa del sistema es una limitacin a la formacin dedominios magnticos.


Materiales de este tipo incluyen combinaciones de elementos de tierras raras con hierro tal como TbFe (Terfenol) y TdDyFe (Terfenol-D). Son siempre activados por campos magnticos externos tales como una bobina arrollada sobre el ncleo que cambia de forma.

Su respuesta es muy rpida y siguen la presencia o ausencia del campo magntico. Su rendimiento decae con el aumento de temperatura.

Se necesitan grandes campos magnticos para su operacin, y pueden operar a bajos voltajes. La generacin actual de materiales exhiben pequeos desplazamientos (0.1 a 0.5 %)

Los materiales magnetoestrictivos son generalmente muy frgiles, difciles de maquinar y desarrollan calor durante la operacin el cual debe ser disipado para prevenir dao.


Dominios magnticos y ciclo de Histresis

La estructura de dominios es una consecuencia natural de las distintas contribuciones a la energa de un cuerpo ferromagntico.

La configuracin de dominios en equilibrio se alcanza cuando la suma de las energas magnetoestrictivas, magnetoestticas y de Bloch alcanza un mnimo.energas magnetoestrictivas, magnetoestticas y de Bloch alcanza un mnimo.

El ciclo de Histresis est intimamente ligado a la estructura de dominios en el material.

La imanacin de saturacin queda determinada nicamente por el material magntico.

La imanacin remanente, el campo coercitivo no solo dependen del material, si no tambin de la microestructura, tamao del grano y presencia de defectos.


Histresis


Materiales magnticos blandos y duros.

El rea dentro del ciclo representa las prdidas de energa magntica por unidad de volumen por ciclo de magnetizacin-desmagnetizacin.

Esta prdida se manifiesta en forma de calor en la muestra y es capaz de aumentar su temperatura


Blandos

Se utilizan en dispositivos sometidos a campos magnticos alternantes, en los cuales las prdidas de energa deben ser pequeas.

El rea relativa del ciclo debe ser pequea, deben tener una alta permeabilidad inicial y una fuerza coercitiva baja.

Deben alcanzar la saturacin con un pequeo campo aplicado y as ser fcilmente magnetizado y desmagnetizado.

Deben estar libres de defectos estructurales que tiendan a restringir el movimiento de los dominios y aumentar la coercitividad.

Se debe aumentar la resistividad elctrica para disminuir las prdidas por corrientes parsitas. Aleaciones hierro-silicio, hierro-nquel.


Durante el proceso de imanacin-desimanacin del material magntico aparecen prdidas energticas debidas a :

1- Prdidas por Histresis: debidas a la energa requerida para desplazar lasparedes de los dominios magnticos durante la imanacin.desimanacin delmaterial. Aumentan con la presencia de impurezas, imperfecciones,precipitados, dislocaciones, etc.precipitados, dislocaciones, etc.

2-Prdidas por corrientes parsitas: inducidas por variaciones del flujomagntico, y se pueden reducir con un aumento de la resistividad del material.Por ejemplo aadiendo impurezas sustitucionales. Otro mtodo es utilizar unaestructura de hojas en los ncleos de los transformadores, aplicando una capaaislante entre una hoja y la siguiente.


Ejemplos de materiales BlandosAleaciones de Fe y Si

La mayora de los materiales utilizados en motores y transformadores son aleaciones de Fe con un 3 4 % en peso de Si. El silicio baja las prdidas por Histresis.Disminuyen los intersticiales de oxgeno que son atrapados por el Si, estos intersticiales son defectos que dificultan el movimiento de las paredes de los dominios.

Aumenta la resistividad elctrica, disminuyendo las prdidas por corrientes parsitas.

Como desventaja disminuye la imanacin de saturacin y la temperatura de Curie.

Disminuye la ductilidad del Fe, con contenidos de Si mayores del 4% no se lo puede laminar.


Grano orientado

Otro mecanismo que reduce las prdidas magnticas en las aleaciones de Fe Si, es conseguir que en el proceso de laminacin, la orientacin de los granos sea tal que la direccin de fcil imanacin quede en el plano de la lmina.

Se suelen adoptar estructuras laminares en ncleos de transformadores con lminas de Fe-3%Si de 0,25 a 0,35 mm de espesor, con una capa aislante entre ellas con el objetivo de reducir las corrientes parsitas.


Vidrios metlicos

La caracterstica dominante es su estructura no cristalina (amorfa)

Se fabrican mediante solidificacin rpida.

Son muy fuertes, muy duros con alguna flexibilidad, y resistentes a la corrosin.

Magnticamente son muy blandos. Son combinaciones de metales ferromagnticos (Fe, Co, Ni) con metaloides B y Si.

Las paredes de los dominios se mueven con gran facilidad, las prdidas porHistresis son muy pequeas y tienen alta permeabilidad. Por ser amorfos suresistividad es alta.


El material ms comn se denomina Metglas


Aleaciones Fe y Ni

Poseen energas magnetocristalinas y magnetoestrictiva muy bajas, y tienen mayores permeabilidades a campos ms bajos que las aleaciones Fe-Si.

Los ms conocidos son el Permalloy (Fe + 45% Ni) y el Superpermalloy Los ms conocidos son el Permalloy (Fe + 45% Ni) y el Superpermalloy (79% Ni).


DurosEstos materiales se imanan en un campo magntico lo suficientemente fuerte como para orientar sus dominios en la direccin del campo aplicado.

Una parte de la energa aplicada del campo se convierte en energa potencial que se almacena en el imn permanente producido.

Son difciles de desimanar debido a sus altas constates de anisotropa Son difciles de desimanar debido a sus altas constates de anisotropa cristalina y a los defectos que imposibilitan el movimiento de las paredes de dominio.


Duros

Se utilizan en imanes permanentes, deben tener una resistencia a la desmagnetizacin alta.

Tienen una remanencia, coercitividad y densidad de flujo de saturacin alta, una permeabilidad inicial baja y altas prdidas de energa de Histresis.

W = Br Hc

W = B H = Mximo

ndice de energa o producto energtico de un material magntico


Ejemplos de materiales durosAlnico : son aleaciones de Al, Ni y Co con Fe como material base.

Se caracterizan por tener un producto (BH)mx muy alto.

Son frgiles y se fabrican mediante la fundicin o procesos de metalurgia Son frgiles y se fabrican mediante la fundicin o procesos de metalurgia de polvos.

Aleaciones de tierras raras: basados en una fase nica de SmCo5 y aleaciones endurecidas por precipitacin como por ej: Sm(Co,Cu)7,5 .

Tienen propiedades magnticas superiores, presentando mayores productos (BH)mx.Su gran magnetismo se debe casi completamente a sus electrones desapareados.


Aleaciones magnticas de Nd-Fe-B: tienen el producto (BH)mx ms alto que se conoce.

Las aplicaciones ms habituales sontodo tipo de motores elctricos,debido a la reduccin en peso y sufabricacin compacta.fabricacin compacta.

Aleaciones Co-Pt-Cr: utilizadopara almacenamiento de altadensidad de datos en discos decomputadoras. Pelculas delgadasdepositadas por sputtering.


Por su Composicin Metales PurosAleaciones

Por sus Propiedades Magnticas

Blandos Alta PermeabilidadPequea Fuerza Coercitiva

Clasificacin

CoercitivaPequeas Prdidas por Histresis

Duros Moderada o Baja PermeabilidadAlta Fuerza CoercitivaAltas Prdidas por Histresis


SuperconductoresFenmeno ligado al inters de los fsicos del siglo XIX en licuar gases.

En 1908 Onnes pudo licuar helio (4,22 K)

Observ que la resistividad del helio a menos de Observ que la resistividad del helio a menos de 4,22 K era menor por un factor de 10 Exp -11

A: resistividad dependiente de las vibraciones atmicasB: resistividad dependiente delas imperfecciones de la redC: resistividad dependiente de la movilidad de los electrones de conduccin


En ausencia de campo magntico y a una temperatura, caracterstica decada metal, la resistencia elctrica se reduce abruptamente hasta alcanzarvalores indetectables, del orden de 10-15 veces el valor de la resistencianormal

Superconductores

El material sufre una transicin de fase de conductor normal a superconductorEl material sufre una transicin de fase de conductor normal a superconductor

En un material superconductor, una corriente elctrica se mantiene una vez creada sin que necesite una diferencia de potencial.

La temperatura a la cual ocurre esta transicin de fase, Tc, depende del material; para que este efecto tenga utilidad prctica interesa que la Tc seaalta.


Cuando una muestra se encuentra en estado superconductor a una temperatura inferior a la crtica y se le aplica isotrmicamente un campomagntico creciente, se encuentra un valor del mismo, llamado campo crtico, a partir del cual la superconductividad desaparece. Si a la misma temperatura el campo se reduce, se recupera el estado superconductor.


Campo CrticoEl valor del campo crtico depende de la temperatura

Cae de un valor Ho a temperaturas muy bajas a cero a una Tc

Cada material se lo puede caracterizar por su valor de Ho y Tc


Sustancia Ho ( Gauss )

Ir 20 Cd 30 Ga 51 Zn 53 Os 65 Ru 66 Al 99 Th 168 Tl 171 Re 199 In 293 Sn 309 Hg ( fase b ) 340 Hg ( fase b ) 340 Hg ( fase a ) 411 Pb 803 Ta 830 W 1070 V 1370 Te 1410 La 1600 Nb 1944 U 2000 V3 Ga 20.8 x 104

V3 Si 17.10 x 104

Nb3 Sn 18.30 x 104

Nb3 Al 18.80 x 104

Nb3 Ge 36.0 x 104

Nb3 ( AlGe ) 41.0 x 104YBa2 Cu3 O7 90.0 x 104

Bi2 Sr2 Ca2 Cu3 O10 140.0 x 104

Tl2 Ba2 Ca2 Cu3 O10 220.0 x 104


En 1933, Meissner y Ochsenfeld descubrieron que cuando un material en estado superconductor se somete a un campo magntico, inferior a Hc, aparece una imanacin en sentido contrario al campo, que tiende a anular el campo magntico en el interior del material. Es decir se anula el campo de induccin magntica en el interior del material. Esto significa que se convierten en diamagnticos perfectos.

Cuando un Cuando un conductor dentro de un campo magntico se enfra por debajo de Tc, las lneas del CM se ven expulsadas del superconductor.


Levitacin de un imn por la presencia de un superconductor. Efecto Meissner

Al acercar un imn al material superconductor se genera magnticamente una imagen de el como si el superconductor fuera un espejosuperconductor fuera un espejo


TeoraEn 1957, Bardeen, Cooper y Schrieffer, publicaron una teora que se conoce como BCS.

Los e- estn acoplados por parejas a temperaturas bajas.

Un e- interacciona con la red del cristal y produce una perturbacin.

La red perturbada interacciona con otro e- de tal modo que existe una atraccin entre La red perturbada interacciona con otro e- de tal modo que existe una atraccin entre los dos e-, que a bajas T pueden vencer la repulsin de Coulomb entre ellos.

La energa de un campo elctrico puede ser absorbida por los e- en este estado colectivo produciendo una corriente superconductora. Sin embargo la energa no puede disiparse por choques individuales del e- y de la red, a no ser que la T sea lo suficiente para que los enlaces entre los e- se rompan.

El Cu o el Au, que son muy buenos conductores a T normales tienen unas interacciones e- - red dbiles, por lo que su interaccin e- - red e- es dbil y por lo tanto no son superconductores.


PropiedadesLa propiedad ms espectacular de esta transicin es la disminucin de laconductividad elctrica en unos 15 rdenes de magnitud.

Se pueden mantener corrientes tan grandes como varios kilo amperios sin temor a la disipacin por efecto Joule.

Adems las corrientes creadas en estos materiales son virtualmente Adems las corrientes creadas en estos materiales son virtualmente inagotables y se mantienen solas durante meses y aos.

Son muy interesantes como material para crear electroimanes, micro circuitos electrnicos y otras aplicaciones. Su gran problema es sin embargo el rango de temperaturas.


Los materiales superconductores se dividen en dos clases

Los superconductores tipo I, que son la mayora de los elementos metlicos presentan la transicin de fase por debajo de unos 20K. Son intiles puesto que mantener estas temperaturas es caro o peligroso.

Los superconductores tipo II son aleaciones cermicas complejas que tiene en su frmula varios metales de transicin y tierras raras. El ms famoso de todos es el YBaCuO. Tiene temperaturas de transicin alcanzables con nitrgeno lquido lo que hace que sean viables industrialmente. Su mecanismo de transicin es muy complejo.


La produccin de grandes campos magnticos:Un ejemplo de la aplicacin de estos grandes campos magnticos son los equipos de resonancia magntica que se utilizan en investigacin y loscomnmente utilizados en los hospitales.

Algunas aplicaciones

Los superconductores permiten conducir la corriente elctrica sin prdidas,por lo que pueden transportar densidades de corriente por encima de 2000veces lo que transporta un cable de cobre.


Tambin podemos encontrar materiales superconductores en dispositivos electrnicos. Entre ellos destacan los llamados SQUIDS, con los que podemos detectar campos magnticos inferiores a una mil millonsima parte del campo magntico terrestre. Entre otras aplicaciones, se estn desarrollando con ellosestudios geolgicos, o incluso encefalogramas sin necesidad de tocar la cabeza del enfermo.


Levitacin

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