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Magnetismo Document Transcript

  • 1. CONTENIDO: 1. INTRODUCCIÓN. 2. MAGNITUDES MAGNÉTICAS. 3. MATERIALES FERROMAGNÉTICOS. 4. MATERIALES PARAMAGNÉTICOS . 5. MATERIALES DIAMAGNÉTICOS . 6. APLICACIONES DEL MAGNETISMO. 7. BIBLIOGRAFÍA.
  • 2. El magnetismo sobre la materia - Chaxiraxi María Calcines Padilla 2INTRODUCCIÓN. El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzasfundamentales de la naturaleza, es el medio por medio del cual los materiales ejercen fuerza de atracción ode repulsión sobre otros materiales. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículascobradas como los electrones, mientras indican la relación íntima entre electricidad y magnetismo. El marcounificado para estas dos fuerzas se llama la teoría electromagnética. Los fenómenos electromagnéticos hoy día nos han llevado a una revolución de técnicas las cualesaportan hoy las principales aplicaciones de la tecnología. Estos aportes son en gran parte debido a aquellosmateriales magnéticos que son importantes para la ingeniería. Podemos considerar elementos magnéticos a aquellos elementos de la tabla periódica que tienenelectrones desapareados, pero en realidad esto no sucede, ya que sólo existen 3 elementos que semagnetizan al aplicarles un campo magnético, son el Hierro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni).Estos materiales magnéticos se dividen en:• Materiales magnéticos blandos o dulces: Estos materiales no tienen nada que ver con su dureza mecánica, es muy sensible a la acción de los campos magnéticos o términos técnicos, posee una facilidad para imanarse y desimanarse.• Materiales magnéticos duros o imanes permanentes: Estos elementos son más conocidos comúnmente como imanes. Estos materiales se caracterizan por generar un campo magnético de mayor o menor intensidad. Ahora estamos en posición de entender algunascaracterísticas de los tres tipos de materiales magnéticos.Como lo veremos, estas clasificaciones dependen, en parte,de los momentos dipolares magnéticos de los átomos delmaterial y en parte de las interacciones entre los átomos.Los átomos tienen momentos dipolares magnéticos debidoal movimiento de los electrones y debido al momentodipolar magnético intrínseco asociado al espín de loselectrones. De acuerdo con el comportamiento de sus momentos magnéticos en un campo magnético externodistinguimos:• Diamagnéticos: Los materiales diamagnéticos son `débilmente repelidos por las zonas de campo magnético elevado.• Paramagnéticos: Débilmente atraído por las zonas de campo magnético intenso. Se observa frecuentemente en gases.• Ferromagnéticos: Fuertemente atraídos por las zonas de campo magnético intenso (presentan además fenómenos de histéresis y existen dominios ferromagnéticos). Se observa en fierro, niquel, cobalto y aleaciones.
  • 3. El magnetismo sobre la materia - Chaxiraxi María Calcines Padilla 3MAGNITUDES MAGNÉTICAS. Campo magnético: Región del espacio en que se crea un estado magnético susceptible deconvertirse en fuerzas de atracción o repulsión de cuerpos magnéticos. Un anillo de corriente eléctricagenera una región de atracción física, o campo magnético, el campo magnético no es más que la región delespacio en la que se manifiestan los fenómenos magnéticos. Estos actúan según unas imaginarias líneas defuerza: éstas son el camino que sigue la fuerza magnética conocidas también como líneas de flujo magnético(este campo se traduce en unas líneas de fuerza y dos polos de los que parten estas líneas conocidas comobipolar). Cuando los electrones se mueven en un hilo conductor se genera uncampo magnético alrededor del hilo. El magnetismo de los materiales también es debido al movimientode los electrones, pero en este caso los campos y fuerzas magnéticas soncausados por el espín de los electrones y su movimiento orbital alrededor delnúcleo. Cada electrón, que gira alrededor de su propio eje, se comporta como un dipolo magnético y poseeun momento dipolar denominado magnetón de Bohr µB. Este momento tiene el valor de: 𝜇𝐵 = 4𝜋𝜌𝑚 ℯ𝒽 En unidades del SI µB = 9.27·10-24 A·m Otra forma de generar campos magnéticos es haciendo pasar por una bobina una corriente deintensidad I. N×I A/ m H= l (Oersted en CGS). 1 A/m=4 π *10-3 Oersted. Si dentro de la bobina introducimos un material magnético, el campo magnético fuera del solenoidees ahora más fuerte, ya que es la suma del campo del propio solenoide y el campo magnético externo delmaterial introducido, esto se conoce como inducción magnética. El vector que define la inducción es:  B = µ 0 × H + µ 0 × M = µ 0 (H + M ) En los materiales magnéticos M>>H, por lo que B ≈ µ 0 × M y se mide en Tesla(T: unidad del campomagnético) o Weber (Wb/m2: unidad del flujo magnético). La permeabilidad magnética µ es característica de cada material, pero se suele utilizar la µ 0 quees la permeabilidad relativa en el vacío, cuyo valor es: µ 0 = 4π × 10 −7 Wb/A*m. µ La permeabilidad relativa vale : µ r = y es una medida de la intensidad de campo magnético µ0inducido. De todas formas, la permeabilidad magnética de un material ferromagnético no es una constante,y cambia dependiendo de cómo se magnetice el material.
  • 4. El magnetismo sobre la materia - Chaxiraxi María Calcines Padilla 4 Ya que la magnetización de un material magnético es proporcional al campo aplicado, se define un Mfactor de proporcionalidad llamado susceptibilidad magnética: χ m = HMATERIALES FERROMAGNÉTICOS. Los materiales ferromagnéticos producen campos magnéticos que pueden mantenerse o eliminarsea voluntad. Los elementos ferromagnéticos más importantes son el hierro (Fe), cobalto (Co) níquel (Ni) y acerosuave. Las propiedades ferromagnéticas son debidas al modo en el que los espines de los electronesinternos desapareados se alinean en la red cristalina. Las capas internas de átomos individuales se llenan conpares de electrones con espines opuestos, y de esta forma no queda ningún momento dipolar magnéticodebido a ellos. En los sólidos, los electrones externos de valencia se combinan unos con otros formandoenlaces químicos de forma que no queda ningún momento magnético significativo debido a estoselectrones. En el Fe, Co y Ni los electrones internos 3d son los responsables del ferromagnetismo quepresentan estos elementos. El átomo de hierro posee cuatro electrones 3d desapareados, el átomo decobalto tres y el átomo de níquel dos. En una muestra sólida de Fe, Co o Ni a temperatura ambiente los espines de los electrones 3d deátomos adyacentes se alinean en una dirección paralela por un fenómeno denominado imanaciónespontánea. Esta alineación paralela de dipolos magnéticos atómicos ocurre sólo en regiones microscópicasdenominadas dominios magnéticos. Si los dominios están aleatoriamente orientados, entonces no segenerará imanación neta en una muestra masiva. La alineación paralela de los dipolos magnéticos en losátomos de Fe, Co y Ni es debido a la formación de un intercambio positivo de energía entre ellos. Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios tienden aalinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos están orientados con el mismosentido y dirección que el campo magnético inductor aumentan su tamaño. Este aumento de tamaño seexplica por las características de las paredes de Bloch, que avanzan en dirección a los dominios cuyadirección de los dipolos no coincide; dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominiopermanece durante cierto tiempo. La magnetización en los ferromagnéticos se debe a la curva de histéresis. Una vez producida lamagnetización se intenta eliminar el campo magnético, pero para valor de campo magnético cero el materialsigue magnetizado, y para poder desmagnetizarlo es necesaria la aplicación de un campo negativo o fuerzacoercitiva.
  • 5. El magnetismo sobre la materia - Chaxiraxi María Calcines Padilla 5 Las curvas de histéresis varían a medida que varía la temperatura, a Material Temp. Curie (K)medida que aumenta la temperatura la magnetización disminuye, hasta llegar a la Fe 1043temperatura de Curie, en la que el material deja de comportarse como Co 1388ferromagnético y pasa a comportarse como paramagnético. En la tabla de la Ni 627 Gd 292derecha se muestra una selección representativa de ellos. Dy 88 MnAs 318 Los materiales ferromagnéticos llegan a un momento en que aunque se MnBi 630siga aplicando el campo magnético no se magnetizan más y alcanza la inducción de MnSb 587saturación, y una vez retirado el campo no pierde toda la magnetización sino que CrO2 386la guarda en lo que se conoce como inducción remanente. MnOFe2O3 573 Fe3O4 858Algunas de las aplicaciones de los materiales ferromagnéticos son: NiO2Fe3 858 CuOFe2O3 728 1. Transformadores eléctricos MgO2Fe3 713 EuO 69 2. Núcleos de generadores y motores eléctricos Y3Fe5O12 560 3. Sistemas de suspensión eléctrica 4. Baterías de inducción 5. Soportes de informaciónMATERIALES PARAMAGNÉTICOS . Los materiales que presentan una pequeña susceptibilidad magnética positivapor la presencia de un campo magnético se denominan paramagnéticos y al efectomagnético se denomina paramagnetismo. Se produce por alineación individual de losmomentos dipolares magnéticos de los átomos o moléculas bajo la acción de uncampo magnético aplicado. El paramagnetismo produce susceptibilidades magnéticasen los materiales en un rango de 10-6 hasta 10-2 y se produce en muchos materiales. El Disposición de losefecto paramagnético en los materiales desaparece cuando se elimina el campo momentos magnéticos enmagnético aplicado. Puesto que la agitación térmica distribuye aleatoriamente la un material paramagnético.dirección de los dipolos magnéticos, un incremento en la temperatura disminuye elefecto paramagnético. Los átomos de algunos elementos de transición y tierras raras poseen capas internasparcialmente llenos con electrones desapareados. Estos electrones internos desapareados en los átomos,como no se están oponiéndose a otros electrones ligados, causan fuertes efectos paramagnéticos y, enalgunos casos, producen efectos ferromagnéticos y ferrimagnéticos muy fuertes. En el paramagnetismo puro, el campo actúa de forma independiente sobre cada momentomagnético, y no hay interacción entre ellos. En los materiales ferromagnéticos, este comportamientotambién puede observarse, pero sólo por encima de su temperatura de Curie (se define como latemperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagnético pierde su magnetismo, comportándose comoun material puramente paramagnético).
  • 6. El magnetismo sobre la materia - Chaxiraxi María Calcines Padilla 6 Se denomina materiales paramagnéticos a los materiales o medioscuya permeabilidad magnética es similar a la del vacío. Estos materiales omedios no presentan en ninguna medida el fenómeno deferromagnetismo. En términos físicos, se dice que su permeabilidadmagnética relativa tiene valor aproximadamente igual a 1. Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y Permeabilidad magnética de los distintosrepulsión que los imanes normales, cuando están sujetos a un campo materiales en relación a la del vacío.magnético. Sin embargo, al retirar el campo magnético, la entropía destruye el alineamiento magnético, queya no está favorecido energéticamente. Es decir, los materiales paramagnéticos son materiales atraídos porimanes, pero no se convierten en materiales permanentemente magnetizados. Algunos materialesparamagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio y wolframio. Ley de Curie: Esta ley indica que los materiales paramagnéticos tienden a volverse cada vez másmagnéticos al aumentar el campo aplicado, y cada vez menos magnéticos al elevarse la temperatura. La leyde Curie sólo es aplicable a campos bajos o temperaturas elevadas, ya que falla en la descripción delfenómeno cuando la mayoría de los momentos magnéticos se hallan alineados (cuando nos acercamos a lasaturación magnética). 𝑴 = 𝑿𝑯 = 𝑪 𝑯 𝑻 De donde, • es la magnetización resultante, • X es la susceptibilidad magnética relativa = 1+Xm • es la densidad de flujo magnético del campo aplicado, • es la temperatura absoluta (en Kelvin) y • es una constante específica de cada material (su constante de Curie).Los materiales empleados para aplicaciones prácticas están hechos de sales de hierro o de tierras raras. Teoría cuántica del paramagnetismo: La energía de los electrones está determinada principalmentepor el número cuántico principal n (n es entero, n = 1 es el valor más bajo de energía). El momento angularorbital de un electrón está determinado por el número cuántico del momento angular orbital l que puedetomar valores enteros de 0 a (n - 1). El momento angular L de un electrón toma los valores permitidos dadospor:
  • 7. El magnetismo sobre la materia - Chaxiraxi María Calcines Padilla 7MATERIALES DIAMAGNÉTICOS . Un campo magnético externo actuando sobre los átomos de un material desequilibra ligeramentelos electrones de los orbitales y crea pequeños dipolos magnéticos en los átomos que se oponen al campoaplicado. Esta acción produce un efecto magnético negativo conocido como diamagnetismo. Eldiamagnetismo produce una susceptibilidad magnética negativa muy débil, del orden de χM =10-6 El diamagnetismo ocurre en todos los materiales, pero en muchos el efecto magnético negativoqueda cancelado por efectos magnéticos positivos. Algunos ejemplos de materiales diamagnéticos son: el bismuto metálico, el hidrógeno, el helio y losdemás gases nobles, el cloruro de sodio, el cobre, el oro, el silicio, el germanio, el grafito, el bronce yel azufre. Nótese que no todos los citados tienen número par de electrones. El grafito pirolítico, que tiene un diamagnetismo especialmente alto, se hausado como demostración visual, ya que una capa fina de este material levita (porrepulsión) sobre un campo magnético lo suficientemente intenso (a temperaturaambiente).Experimentalmente, se verifica que los materiales diamagnéticos tienen una permeabilidadmagnética inferior a la unidad, y una susceptibilidad magnética negativa, prácticamente independiente dela temperatura, y generalmente del orden (en unidades cegesimales) de e.m.u./mol, donde M esla masa molecular. En muchos compuestos de coordinación se obtiene una estimación más exacta utilizandolas tablas de Pascal. En los materiales diamagnéticos, el flujo magnético disminuye y en los paramagnéticos el flujomagnético aumenta.APLICACIONES DEL MAGNETISMO. Numerosas aplicaciones de magnetismo y de materiales magnéticos se ha levantado en los últimosaños. A continuación presentaremos en forma selectiva algunos de los usos del magnetismo en diversasáreas: Motor eléctrico: Un motor eléctrico sirve para transformar electricidad en movimiento. Consta de dos partes básicas: un rotor y un estator. El rotor es la parte móvil y está formado por varias bobinas. El estator es un imán fijo entre cuyos polos se ubica la bobina. Su funcionamiento se basa en que al pasar la corriente por las bobinas, ubicadas entre los polos del imán, se produce un movimiento de giro que se mantiene constante, mediante un conmutador, generándose una corriente alterna. El electroimán es la base del motor eléctrico y el transformador. Es posible fabricar memorias de computadora utilizando dominios burbuja. Estos dominios sonpequeñas regiones de magnetización, paralelas o antiparalelas a la magnetización global del material. Segúnque el sentido sea uno u otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como dígito en el sistemabinario empleado por los ordenadores.
  • 8. El magnetismo sobre la materia - Chaxiraxi María Calcines Padilla 8 Los materiales magnéticos también son componentes importantes de las cintas y discos paraalmacenar datos: cuando usted o el software indica al sistema operativo aque deba leer o escribir a un archivo, el sistema operativo solicita que elcontrolador del disco duro traslade los cabezales de lectura/escritura a latabla de asignación de archivos (FAT). El sistema operativo lee la FAT paradeterminar en qué punto comienza un archivo en el disco, o qué partesdel disco están disponibles para guardar un nuevo archivo. Los cabezalesescriben datos en los platos al alinear partículas magnéticas sobre lassuperficies de éstos. Los cabezales leen datos al detectar las polaridadesde las partículas que ya se han alineado. Es posible guardar un solo archivo en racimos diferentes sobrevarios platos, comenzando con el primer racimo disponible que se encuentra. Después de que el sistemaoperativo escribe un nuevo archivo en el disco, se graba una lista de todos los racimos del archivo en la FAT. Otra aplicación podría ser a los timbres: al pulsar el interruptor de un timbre, una corriente eléctricacircula por un electroimán creado por un campo magnético que atrae a un pequeño martillo golpea unacampanilla interrumpiendo el circuito, lo que hace que el campo magnético desaparezca y la barra vuelva asu posición. Este proceso se repite rápidamente y se produce el sonido característico del timbre. Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas. Los imanes superconductores se emplean en los aceleradores de partículas más potentes para mantener las partículas aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas. El transporte de levitación magnética, o maglev, es un sistema de transporte que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos, principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión a base de la levitación magnética. ausencia de contacto físico entre el raíl y el tren hace que la única fricción sea con el aire, y ésta se reduce almínimo por su forma aerodinámica. Los trenes maglev pueden viajar a muy altas velocidades, con unconsumo de energía elevado para mantener y controlar la polaridad de los imanes y con un bajo nivel deruido (una ventaja sobre el sistema competidor llamado aerotrén), pudiéndose llegar a alcanzar 650 km/h,aunque el máximo testeado en este tren es de 584 km/h. Nanoimanes y Magnetismo para el tratamiento del cáncer: un paciente con un tumor cancerígenoincipiente recibirá un nuevo tratamiento. Así, se le inyectan minúsculos imanes que, a través de técnicasquímicas, se han camuflado como si fueran eritrocitos (glóbulos rojos) para engañar al sistemainmunológico. Además, la superficie de estos nano-imanes contiene moléculas específicas que tienenafinidad con las células tumorales. Como el tamaño de estos objetos es menor que 50 nanómetros (50millonésimas partes de un milímetro), podrán atravesar las paredes de los vasos capilares y llegaránesencialmente a cualquier órgano interno, fijándose en aquellos que estuvieran comprometidos con célulastumorales. Una vez fijas sobre las superficies de las células malignes, la simple aplicación de un campomagnético externo oscilante (de modo análogo a como es hecho en una Resonancia Magnética)por latécnica denominada Hipertermia Magnética elevará, en algunos grados la temperatura de estas partículas yde las células adheridas, matándolas y dejando intacto el tejido normal circundante.
  • 9. El magnetismo sobre la materia - Chaxiraxi María Calcines Padilla 9 La producción de grandes campos magnéticos: Un ejemplo de laaplicación de estos grandes campos magnéticos son los equipos de resonanciamagnética que se utilizan en investigación y los comúnmente utilizados en loshospitales. Conducir corriente eléctrica sin pérdidas: Los superconductores permiten conducir la corriente eléctrica sin pérdidas, por lo que pueden transportar densidades de corriente por encima de 2000 veces lo que transporta un cable de cobre. Si contásemos con generadores, líneas de transmisión y transformadores basados en superconductores, obtendríamos un gran aumento de la eficiencia, con el consecuente beneficio medioambiental que supondría el ahorro de combustible, así como su capacidad para ser utilizadojunto con energías alternativas. También se puede encontrar materiales superconductores endispositivos electrónicos. Entre ellos destacan los llamados SQUIDS(dispositivos superconductores de interferencia cuántica), con los quepodemos detectar campos magnéticos inferiores a una mil millonésima partedel campo magnético terrestre. Entre otras aplicaciones, se estándesarrollando con ellos estudios geológicos, o incluso encefalogramas sinnecesidad de tocar la cabeza del enfermo.
  • 10. El magnetismo sobre la materia - Chaxiraxi María Calcines Padilla 10BIBLIOGRAFÍA: • http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetismo • http://es.wikipedia.org/wiki/Paramagnetismo • http://es.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetismo http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica3/170308/teo/teo6.pdf • http://es.wikipedia.org/wiki/Diamagnetismo http://www.inf-cr.uclm.es/www/dptofisica/Tema10.pdf • http://materias.fi.uba.ar/6209/download/4-Materiales%20Magneticos.pdf • • • http://www.fisicanet.com.ar/fisica/magnetismo/ap03_magnetismo.php • http://es.wikipedia.org/wiki/Tren_de_levitaci%C3%B3n_magn%C3%A9tica Libro: Física para la ciencia y la tecnología: Electricidad y magnetismo , Escrito por Paul A. • http://es.scribd.com/doc/61579445/20100426-Magnetismo-y-Aplicaciones Tipler, Gene Mosca. •