materiales magneticos cotec

119DOCUMENTOSCOTEC SOBREOPOTUNIDADESTECNOLGICAS

MATERIALESMAGNTICOS

2Primera edicin:Marzo 2003

Depsito legal: M. 8708--2003

Imprime:Grficas Arias Montano, S.A.

3NDICE

Presentacin ........................................................ 5

1. Introduccin .................................................... 9

1.1. Presentacin de objetivos ........................ 101.2. Algunas definiciones magnticas .............. 121.3. Propiedades magnticas extremas y aplica-

bilidad tecnolgica ................................. 16

2. Grandes lneas de tecnologa magntica y sus tendencias innovadoras: Identificacin de materialespor sus aplicaciones tecnolgicas ...................... 19

2.1. Clasificacin de los materiales magnticosatendiendo a sus aplicaciones ................. 19

2.2. Ncleos de mquinas electromagnticas ... 222.2.1. Ncleos de grandes transformado-

res: Aceros al silicio ..................... 252.2.2. Ncleos y piezas en pequeos trans-

formadores y motores: Permalloysy otras aleaciones ........................ 26

2.2.3. Componentes electrnicos: Ferritasblandas ...................................... 27

2.2.4. Las ltimas tendencias: Aleacionesamorfas y nanocristalinas ............. 29

2.3. Imanes permanentes ............................... 302.4. Grabacin magntica: Medios, escritura y

lectura ................................................... 372.5. Automatizacin: Sensores, rels y actuado-

res magnticos ....................................... 462.6. Otras aplicaciones: Biomagnetismo y geo-

magnetismo, altas frecuencias .................. 522.6.1 Biomagnetismo ............................ 52

42.6.2. Geomagnetismo .......................... 542.6.3. Altas frecuencias y otras aplicaciones 54

2.7. Las ltimas tendencias. Nanotecnologas:Materiales y tcnicas de procesado y demedida .................................................. 552.7.1. ltimos materiales magnticos y ten-dencias de futuro .................................... 552.7.2. Nuevas tcnicas de observacin y

medicin a escala nanomtrica ..... 57

3. Capacidad tecnolgica de I+D en Espaa: Situa-cin actual y perspectivas ................................. 59

3.1. Aspectos en el desarrollo tecnolgico ....... 593.2. Panorama cientfico tecnolgico actual ..... 613.3. Identificacin de los centros de actividad

investigadora ......................................... 713.4. Identificacin de centros tecnolgicos e

industrias ............................................... 863.5. Identificacin de capacidades ................. 983.6. Objetivos razonables .............................. 993.7. Algunas perspectivas generales................ 104

5PRESENTACIN

La Fundacin Cotec para la Innovacin Tecnolgica mantie-ne, desde hace ms de diez aos, como una de sus activi-dades permanentes la bsqueda e identificacin de oportu-nidades tecnolgicas que permitan al tejido empresarial ysocial espaol incrementar su bagaje tcnico, su capacidady su competitividad.

Los Documentos Cotec sobre Oportunidades Tecnolgicasconforman una coleccin orientada al cumplimiento del obje-tivo estratgico de actuar como motor de sensibilizacin a laactitud innovadora, tanto en los mbitos empresarial y aca-dmico, como en la sociedad en general. Estos documentosse editan despus de un proceso de debate que tiene lugaren sesiones de identificacin de las oportunidades que ofreceuna determinada tecnologa o un grupo de tecnologas.

Estas sesiones tienen como finalidad conocer los retos yoportunidades de las tecnologas analizadas, as como lasprincipales lneas de I+D e infraestructuras que permitan fa-cilitar la transferencia a la industria y a los servicios. En ellasla Fundacin Cotec rene a un cualificado grupo de exper-tos empresariales y de investigadores de la universidad y decentros de I+D, para que analicen las posibilidades de apli-cacin de esas tecnologas y las oportunidades que ofrecenpara los distintos sectores.

Carlos AgeroResaltado


6La preocupacin de Cotec por el rea de los materiales esevidente, por cuanto dentro de la coleccin de Necesida-des Tecnolgicas edit el documento n. 3 sobre Materialesde automocin y, en esta misma coleccin de Oportunida-des tecnolgicas, el n. 6 vers sobre Tuberas de polietilenoy, ms recientemente, el n. 15 sobre Materiales innovadores.Superconductores y materiales de recubrimiento.

En esta ocasin, la Fundacin Cotec presenta el resultadode la sesin dedicada a los Materiales Magnticos, quetuvo lugar en Madrid el da 16 de octubre de 2002, en lasede de Cotec. El documento facilita una introduccin am-plia sobre los materiales magnticos, pero se detiene conms profundidad en la identificacin de los materiales paradistintas aplicaciones. La capacidad tecnolgica en Espaase analiza de forma exhaustiva.

La sesin cont con la colaboracin de un equipo de inves-tigadores, de expertos empresariales y de representantes dela Administracin, coordinados por el profesor ManuelVzquez, que prepar y coordin el material de esta publi-cacin.

La Fundacin Cotec quiere dejar constancia de su agradeci-miento a Manuel Vzquez y a los dems participantes en lasesin, sin cuyos comentarios y sugerencias este documentono hubiera sido posible.


7Participantes en la sesin Cotec sobre "Materia-les magnticos"

Jos Manuel Barandiarn Universidad del Pas Vasco

Antonio BasAmes

Carlos BoschDragados, Obras y Proyectos

Agustn del MoralUniversidad de Zaragoza

Elena GuijarroCDTI

Antonio HernandoInstituto de Magnetismo Aplicado, UCM-RENFE

Elosa LpezUniversidad Complutense de Madrid

Carmen MijangosMinisterio de Ciencia y Tecnologa

Manuel PozaFundacin Cotec

Jos RivasUniversidad de Santiago de Compostela

Marta San RomnHispano Ferritas

8 Juan Carlos SernaInstituto de Ciencia de Materiales de Madrid, CSIC

Javier TejadaUniversidad de Barcelona

Manuel ZaheraFundacin Cotec

Coordinador:

Manuel VzquezInstituto de Ciencia de Materiales de Madrid, CSIC

9Tarjetas de crdito o billetes de transporte, discos duros yflexibles en ordenadores, todo tipo de transformador o mo-tor, imanes (en todo vehculo se dispone de al menos veinteimanes distintos), sensores para la navegacin de satlitesartificiales de comunicacin, etc.

Despus de una breve reflexin, a nadie se le puede esca-par la importancia, las implicaciones econmicas o la varie-dad de aspectos, tanto en la vida cotidiana como en aspec-tos ms sofisticados, en donde se emplean materiales quepresentan determinadas propiedades "magnticas".

Pero qu entendemos por material magntico?, en dndese emplean?, en qu propiedades magnticas se basansus aplicaciones?, hasta qu punto son estas aplicacionestan relevantes? A la respuesta de estas y otras cuestionesnos referiremos a continuacin.

Asimismo analizaremos las repercusiones de esas tecnolo-gas en nuestro mbito ms cercano, las capacidades pre-sentes de los centros de investigacin y de la empresa, ysus posibilidades de desarrollo e innovacin.

1INTRODUCCIN

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1.1. PRESENTACIN DE OBJETIVOS

La utilidad de los materiales magnticos es ciertamente muyamplia y de particular trascendencia econmica por el volu-men de material utilizado y su coste de produccin; tambinlo es desde un punto de vista social por las implicaciones enlas mejoras de la calidad de vida. El objetivo perseguidocon este documento es doble: primero se presenta una revi-sin de los diferentes tipos de materiales magnticos queson de utilidad tecnolgica y, despus, se realiza una aproxi-macin a la capacidad tecnolgica que se posee actual-mente en Espaa, as como a sus perspectivas de futuro.

La aplicabilidad de los materiales se basa primordialmenteen dos fenmenos:1) La perturbacin que algunos materiales magnticos

generan en su entorno (descrita a partir del campomagntico generado).

2) La respuesta ante un campo magntico exterior (que seexpresa, por ejemplo, a travs de su imantacin, o sususceptibilidad o permeabilidad magntica). As, cabehablar de materiales magnticos duros, o simple-mente imanes o imanes permanentes, debido al inten-so campo magntico generado por ellos, y de mate-riales magnticos blandos o dulces, caracteriza-dos por su elevada susceptibilidad magntica. Desdeun punto de vista estrictamente comercial, el mercadomundial se reparte aproximadamente en partes igualesentre los materiales duros y los materiales dulces.

Los materiales magnticos han contribuido intensamente aldesarrollo de diversas tecnologas. As por ejemplo, es departicular relevancia su contribucin a dos "revoluciones"tecnolgicas: la primera se inici hace algo ms de un si-glo, derivada de la posibilidad de la conversin de diferen-tes tipos de energa en energa elctrica con elevado rendi-miento, utilizando hierro dulce (transformadores) y, la se-








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gunda, ms cercana en el tiempo, la tecnologa de la in-formacin basada en la "memoria" magntica. Estos sondos casos particularmente evidentes en los que el descubri-miento y/o la innovacin de materiales magnticos han ge-nerado, a travs de pasos tecnolgicos intermedios, avan-ces discontinuos en la calidad y forma de vida cotidianainsospechados en los primeros momentos de su desarrollocientfico-tecnolgico.En este documento, en primer lugar, y para facilitar la com-prensin de los aspectos considerados posteriormente, sepresenta este captulo de introduccin donde, despus derepasar algunas definiciones "magnticas", se discuten losdistintos factores que determinan las posibilidades tecnol-gicas de un material magntico, que por tanto permitirn el"diseo" de los materiales de inters. Esos factores son fun-damentalmente: la composicin que determina las caractersticas magn-

ticas intrnsecas, y el procesado estructural y la definicin de la forma

geomtrica que permiten modificar el comportamientomagntico macroscpico.

En el segundo captulo se repasan las distintas tecnologasque utilizan materiales magnticos, examinando en cadacaso cules son las tendencias y las previsiones, a escalamundial, relativas a los materiales magnticos avanzadosen un futuro prximo.En el captulo tercero se analizan aspectos relativos a lacapacidad tecnolgica actual en Espaa y sus perspectivas.Se ha realizado una prospeccin de los centros y empresasque de alguna manera estn involucradas en la tecnologaen materiales magnticos. Asimismo, se consideran las ex-pectativas de innovacin de la tecnologa propia que cabenesperar a corto y medio plazo. Este ltimo apartado parecede la mayor relevancia, especialmente si se tiene en cuentala potencialidad tecnolgico-cientfica existente en la actua-lidad.




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1.2. ALGUNAS DEFINICIONES MAGNTICAS

Se entiende que en una regin del espacio existe un campomagntico cuando, al colocar en ella un material magnti-co, ste sufre fuerzas que tratan de modificar su posicinespacial. Un campo magntico puede ser generado medianteuna corriente elctrica o bien por un imn.Por su parte, un material magntico est constituido pormomentos magnticos elementales (originados por sus elec-trones), que se acoplan mediante la denominada interaccinde canje, cuyo origen se explica mediante la fsica cuntica,dando as lugar a un momento magntico neto, que porunidad de volumen se denomina imantacin tambin seemplean los trminos imanacin y magnetizacin. Un ma-terial es tanto ms magntico y, por tanto, de mayor po-tencialidad para su utilizacin tecnolgica cuanto mayorsea su imantacin. Los mejores ejemplos son el hierro, elcobalto y el nquel, as como sus aleaciones.En ausencia de campo magntico aplicado, el material sepuede encontrar en estado desimanado, es decir, se subdi-vide espontneamente en regiones o dominios, en cada unode los cuales la imantacin sigue una orientacin particular,dando lugar a un valor macroscpico compensado o nulo.Al actuar un campo magntico, se origina el proceso deimanacin, segn el cual la imantacin macroscpica netaaumenta proporcionalmente al valor de dicho campo mag-ntico (vase la figura 1). Cuando el campo magntico va-ra en el tiempo de forma cclica, obtenemos un ciclo dehistresis.En esta figura hemos representado los parmetros mag-nticos tpicos de un ciclo de histresis. Estos parmetrosson: la imantacin de saturacin (Ms), que se alcanzapara un campo magntico suficientemente elevado; laremanencia o imantacin remanente (Mr), imantacin quepermanece una vez anulado el campo aplicado; y el cam-po coercitivo (Hc), o campo magntico que es necesarioaplicar para anular la imantacin. El rea encerrada den-



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tro de un ciclo de histresis corresponde a las prdidasmagnticas, y es proporcional a la energa gastada en elproceso cclico debido a la irreversibilidad del procesode imantacin. Se entiende por susceptibilidad magnti-ca () la variacin de imantacin cuando se incrementa

Figura 1Ciclos de histresis de un material magntico blando (hilo amorfo) (a), yde un imn permanente de la familia del NdFeB (b). Obsrvese la diferen-cia de los campos coercitivos de ambos ciclos y la similitud de los valoresde saturacin de la imantacin.

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el campo aplicado, y es por tanto variable en las distintaszonas del ciclo de histresis. As, se habla de susceptibi-lidad inicial o susceptibilidad mxima, respectivamente,para campos magnticos aplicados muy dbiles o biencampos prximos al campo coercitivo cuando la varia-cin de imantacin es mxima.1En la parte superior de la figura se observa un ciclo dehistresis de un material magntico blando, mientras que laparte derecha representa el ciclo de histresis caractersticode un imn permanente a partir del estado desimanado. Esde hacer notar que la principal diferencia entre ambos ci-clos radica en su campo coercitivo unos siete rdenesde magnitud!, mientras que otras caractersticas comoremanencia o imantacin de saturacin difieren relativamentepoco. Tambin es importante resaltar que el ciclo de histresisy sus parmetros caractersticos varan con la temperaturade medida. En particular, por encima de una cierta tempe-ratura de trabajo denominada temperatura de orden o tem-peratura de Curie, la antes citada interaccin de canje seanula y, con ella, desaparece el ciclo de histresis, perdin-dose todas las dems propiedades magnticas tecnolgi-cas.Adems de estar determinadas por la intensidad del mo-mento magntico neto y la interaccin de canje, que deter-minan esencialmente la imantacin de saturacin y la tem-peratura de Curie, las caractersticas tcnico-magnticas deun material lo estn por su anisotropa magntica. Un mate-rial ser magnticamente tanto ms duro cuanto mayor seasu anisotropa magntica total. Existen tres tipos fundamen-tales de anisotropa:

1 La induccin magntica (B) representa la suma de campo magntico(H), y de imantacin (M), a travs de la expresin B = o(H+M), siendo ola permeabilidad del vaco. La permeabilidad de un material magntico ()est relacionada con su susceptibilidad (), a travs de la expresin = o (1+), donde = M/H.






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1) La anisotropa magnetocristalina est originada por elparticular ordenamiento geomtrico de los tomos queconstituyen el material, de modo que la respuesta magn-tica, medida a travs de la imantacin, depende de ladireccin en que se aplique el campo magntico. Losmateriales cristalinos, en donde el ordenamiento de sustomos es de largo alcance el tamao de grano crista-lino es del orden de micras o superior, las redes crista-linas ms comunes poseen simetra cbica o hexagonal.Por el contrario, los materiales amorfos se definen preci-samente a partir de su desorden atmico o ausencia deorden cristalogrfico, ms all de unas pocas distanciasatmicas. Por ltimo, en las denominadas aleaciones na-nocristalinas, cuyos cristales tienen dimensiones nanom-tricas (del orden de centsimas de micra), la anisotropamagnetocristalina se promedia macroscpicamente dan-do lugar a una anisotropa efectiva casi nula.2

2) La anisotropa magnetoelstica aparece como consecuen-cia de que el material est sometido a tensiones mecni-cas. Esas tensiones, al modificar ligeramente las posicio-nes relativas de los tomos, inducen una cierta anisotro-pa, de modo que la imantacin se orienta segn direc-ciones preferentes determinadas por aquellas tensiones.Inversamente, al imantarse un material bajo la accin deun campo magntico, se produce simultneamente unamodificacin de sus dimensiones. De este modo, se defi-ne la constante de magnetostriccin () a partir de lavariacin relativa de sus dimensiones.3

2 Recordar que la distancia entre tomos es tpicamente de unos pocosAngstrom, unidad que equivale a una diezmilsima de micra.3 La constante de magnetostriccin es un parmetro muy importante a lahora de determinar el carcter magntico dulce o duro de un material.As, es del orden de 107 en los materiales ms dulces; y, por ejemplo,una varilla de 1 m de longitud sufrir un alargamientos del orden de unadcima de micra durante el proceso de imantacin. En los materiales msduros, es del orden de 103.




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3) La anisotropa de forma surge como consecuencia de laforma geomtrica del material o de las partculas que loconstituyen. As, en un material con forma alargada (porejemplo, una aguja), la imantacin tratar de disponerseparalela a su eje principal, mientras que en un materialbidimensional (un disco o una cinta), la imantacinpreferir disponerse en el plano. Cuando se aplica uncampo magntico segn una direccin no preferente, laimantacin del material responde con la generacin deun campo magntico interno o desimanador (Hdes), quese opone al proceso de imantacin.4

1.3. PROPIEDADES MAGNTICAS EXTREMAS YAPLICABILIDAD TECNOLGICA

Un material tecnolgico avanzado debe presentar preferen-temente un carcter extremo en alguna de sus propiedadesmagnticas. Cada aplicacin particular est relacionada conel carcter extremo de una propiedad o caracterstica deter-minada.As, dos magnitudes que en principio deben ser lo ms ele-vadas posible en todo material magntico tecnolgico sonla imantacin de saturacin y la temperatura crtica de or-den. La primera de ellas determina la intensidad de la res-puesta ante una excitacin magntica y, la segunda, el ran-go de temperatura de trabajo del material y su estabilidadtrmica.Particularizando, como materiales dulces ms adecuados,por ejemplo para chapa de transformador habr que em-plear, por definicin, aquellos que presenten mnimas prdi-

4 El campo desimanador se expresa como Hdes = NMs, donde el factordesimanador (N) depende de las dimensiones concretas de cada ma-terial.




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das por histresis, mnimo campo coercitivo y mximaremanencia. Cuando se requiera elevada respuesta relativaante dbiles excitaciones se emplearn materiales con altasusceptibilidad inicial y baja remanencia.Como imanes permanentes, es decir, materiales con eleva-da capacidad de crear campos magnticos en su entorno,se requerir mximos valores de remanencia y del campocoercitivo, lo que determina un mximo valor del llamadoproducto de energa.En muchos componentes electrnicos, cuando se requiereuna respuesta elevada ante excitaciones magnticas quevaren muy rpidamente con el tiempo (alta frecuencia), seemplearn materiales con mnimas corrientes parsitas oinducidas. Esto requiere una permeabilidad suficientementeelevada y una alta resistividad. Pero si la respuesta debe sermuy estable en el tiempo, entonces los fenmenos de relaja-cin y de desacomodacin o viscosidad magntica debenser mnimos.Cuando se pretende almacenar magnticamente una infor-macin (grabacin magntica), se deben emplear materia-les que posean alta coercitividad para que el estado magn-tico no sea borrado ante excitaciones magnticas indesea-das, aunque tampoco debe ser excesivamente extrema, parano dificultar as los propios procesos de grabacin y lecturade esa informacin. En este caso podramos hablar de ma-teriales semiduros como los ms adecuados para ser el me-dio de grabacin magntica.




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2.1. CLASIFICACIN DE MATERIALESMAGNTICOS ATENDIENDO A SUSAPLICACIONES

En este captulo se describen los distintos materiales magn-ticos segn las diferentes tecnologas en las que son emplea-dos. Como se ha mencionado antes, hay en principio dosfactores que determinan la aplicabilidad de un material: sucalidad magntica y el precio que representa su introduc-cin en el mercado. As pues, no en todas las aplicacionesse emplearn los materiales de mejores prestaciones mag-nticas, ni siempre los materiales ms baratos.Para comenzar y poder hacernos una idea global de todaslas familias de materiales magnticos y, al mismo tiempo,del factor econmico, se presenta en la figura 2 el precioestimado de las diversas familias de materiales dulces y du-

2GRANDESLNEAS DETECNOLOGAMAGNTICAY SUSTENDENCIASINNOVADORAS:

IDENTIFICACINDE MATERIALESPOR SUSAPLICACIONESTECNOLGICAS



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ros, as como su correlacin con una medida de una cuali-dad magntica especfica, como es el campo coercitivo, elcual, como ya se ha indicado, puede variar en muchos r-denes de magnitud. En general, se puede apreciar que losmateriales que se encuentran en la zona media de coerciti-vidad son los ms baratos, mientras que aquellos situadosen los extremos de coercitividad son los ms costosos. Estoimplica un primer compromiso entre precio y calidad mag-ntica.

Precioeuro/kg

102

101

100

2

Ms (T)

1

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

123

12345678

12345678

12345678

12345678

123456789

123456789

123456789

123456

123456

123456

123456

12345

12345

12345

12345

12345

12345

Componentes

Cinta, hilo

102 100 102 104

Ferritas blandas

Lminas

NcleosLminas

NcleosImanes

PiezasPiezas

Chapa

Hexa-ferritas

Hc (Oe)

FeSi

a-Fe

a-Co

Nanocrist.FeNi

FeCo

FeCoNi

Alnicos SmC

NdFeB

Figura 2Las distintas familias de materiales magnticos clasificados segn su cam-po coercitivo. Se incluye tambin una estimacin de su precio.


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Atendiendo entonces a estos parmetros tecnolgicos y eco-nmicos, podemos distinguir tres grandes familias de mate-riales magnticos: dulces o blandos, semiduros y duros. Demodo resumido, los materiales dulces se emplean en n-cleos de transformadores, los duros en imanes permanen-tes, y los semiduros en grabacin magntica.Ms an, podemos clasificar los materiales en funcin de suimportancia tanto por el volumen de material magnticoempleado como por el gasto econmico involucrado. En lafigura 3 se representa la distribucin del mercado mundialde materiales magnticos.

A continuacin pasamos a describir estas familias de mate-riales.

Figura 3Distribucin del mercado mundial de materiales magnticos. Se hace unaprimera clasificacin en materiales blandos, duros y semiduros, y se con-sideran las principales familias dentro de cada grupo.

Pelculasdelgadas

15% Aceros27%

Ferritas blandas 5%Particulados

15%

Otros 1%11%Hexaferritas

10%Imanes

metlicos

SEMIDUROS BLANDOS

DUROS


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2.2. NCLEOS DE MQUINASELECTROMAGNTICAS

En la figura 4 se indican las principales familias de materia-les magnticos dulces y alguna de sus caractersticas segnsus aplicaciones especficas. Los materiales para ncleos detransformadores y motores son con gran diferencia los msutilizados por volumen de materia prima y, por porcentajede mercado global, los de mayor importancia.Desde hace aproximadamente un siglo la energa se puedeutilizar a grandes distancias de sus centros de produccindebido a que se transmite fcilmente en forma de energaelctrica. La eficiencia a escala industrial de los mecanis-mos de conversin de la energa mecnica en elctrica yviceversa y de transporte de energa, se consigue gra-cias a los materiales magnticos adecuados que actancomo ncleos de grandes transformadores, generadores ymotores.En la actualidad, en Espaa se gastan al ao unos 1011kilowatios/hora de energa elctrica, con unas prdidas decarcter magntico de aproximadamente el 1,4%, que secede a la atmsfera en forma de calor. Esto significa que sedisipan anualmente unos mil cuatrocientos millones dekilowatios/hora. Las consiguientes prdidas de tipo econ-mico podran reducirse notablemente utilizando materialescon mejores prestaciones tcnicas. Estas cifras ilustran unprimer ejemplo de la incidencia econmica de la importan-cia en la bsqueda de materiales magnticos con propieda-des optimizadas.Los materiales que se utilizan como ncleos de las grandesmquinas de las compaas elctricas, buques, fbricas, etc.son materiales dulces, y su representante tpico es el aceroal silicio, que en forma de lminas constituye un 90% de losmencionados ncleos y un 60% del volumen total de merca-do de los materiales dulces. Dado el gran tonelaje de mate-rial magntico empleado, es de suma importancia la utiliza-cin de aquellos que representen costos lo ms reducidos




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posible. Adems, debido a las implicaciones sociales y eco-nmicas en todos los aspectos, se deben evitar otros tiposde problemas, como por ejemplo los que surgen con el su-ministro internacional de materia prima.

Evolucin de los materiales magnticos DULCES

Materiales magnticos dulces

Aceros al silicio (Chapas Magnticas) Bajo coste

Permalloys Aleaciones Fe-Ni Alta permeabilidad( = 105 106)

Permendur Aleaciones Fe-Co Alta saturacin(oMs = 2,5T

Ferritas blandas (Mn-Zn, Ni-Zn,...) Alta permeabilidaden frecuencias altas

Aleaciones amorfas (Fe-Si-B, Co-B, Alta permeabilidady nanocristalinas Fe-Si-B-Cu, Nb...) y bajas prdidas

Figura 4Materiales dulces: Materiales para chapa de transformador y su evolu-cin a la largo del siglo XX . En la parte inferior se indican las principalesfamilias y algunas de sus caractersticas.


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Empezaremos por los materiales empleados en esa grantecnologa, y para ello se indica en la figura 4 la evolucina lo largo del siglo XX de cules han sido los materialesmayormente empleados en chapa magntica. El materialprimordial estar basado en hierro por su carcter magnti-co intrnsecamente dulce. La inclusin de algunas impure-zas puede mejorar incluso ese comportamiento. Por ejem-plo, el hierro con el 6,5% de impurezas de silicio da lugar aun comportamiento muy razonable, ya que se mantiene unaelevada induccin magntica, consiguindose adems unareduccin notable de anisotropa magntica a resultas de lacompensacin tanto de la constante de magnetostriccincomo de la anisotropa magnetocristalina. La mejora delcomportamiento tecnolgico de este material bsico se con-sigue mediante una serie de tratamientos de procesado tr-mico, los cuales, induciendo determinadas texturas, redu-cen las prdidas histerticas (textura Gross). Asimismo, serealizan procesos de laminacin, de modo que se reducenlas prdidas a altas frecuencias.5Las ltimas generaciones de materiales dulces incluyen tam-bin las aleaciones estructuralmente amorfas y nanocristali-nas, que son realmente los materiales ms blandos al care-cer prcticamente de anisotropa magnetocristalina (o bien,estar macroscpicamente promediada). Desde un punto devista tecnolgico, tienen el problema de presentar restriccio-nes en cuanto a las dimensiones en que pueden ser fabrica-dos. El espesor mximo alcanzable para conseguir estado

5 Las prdidas de energa originadas por corrientes inducidas o de Foucaultpuede expresarse como: W 2B22 / , donde representa el espesor,B la induccin magntica, la frecuencia de trabajo y la resistividadelctrica de la chapa. Por tanto, habr de emplearse materiales con ele-vada imantacin aleaciones ricas en Fe-, con anchura de chapa lomenor posible de ah el inters del laminado, y con la mayorresistividad de aqu la conveniencia de utilizar ferritas en numerososcasos.





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amorfo en el proceso de fabricacin es de unos 0,06 mm, yla anchura alcanzada hasta el momento es de unos 30 cm;por lo que se vienen aplicando hasta el momento slo enpequeos transformadores y motores de dimensiones y po-tencia limitada.Los grandes mbitos de aplicacin de los materiales blan-dos o dulces en esta rea son los siguientes:

2.2.1. Ncleos de grandes transformadores:Aceros al silicio

En grandes transformadores, generadores y en grandesmquinas elctricas se requiere el paso de elevadas intensi-dades de corriente y alto voltaje. Este tipo de aplicacin esposiblemente la de mayor trascendencia, dado que permiteel "traslado" de la energa desde los centros donde se gene-ra (pantanos, centrales de energa, etc.) hasta los lugaresdonde se emplea (fbricas, ciudades, etc.). Los transforma-dores, generadores y motores en general pueden ser defini-dos a partir del concepto de multiplicador de flujo magnti-co. Una bobina que rodea un ncleo de material magnticoy por la que circula una corriente alterna, origina variacio-nes en el estado magntico de ese material. Estas variacio-nes producirn una corriente elctrica inducida en un bobi-nado secundario.6Las prdidas de energa magntica en el ncleo son de dostipos que ya han sido mencionados previamente: las aso-ciadas al proceso de imantacin, determinadas por lasanisotropas magnticas, y las debidas a las corrientes deFoucault, que surgen como consecuencia de emplear altasfrecuencias en la corriente excitadora.

6 El voltaje inducido o voltaje de salida en el secundario se puede expre-sar como: Vind NVesc, siendo N el nmero de vueltas del bobinadosecundario, la frecuencia de trabajo, la susceptibilidad de la chapamagntica, y Vesc el voltaje de entrada en el bobinado primario.




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Los materiales empleados son aleaciones muy ricas enhierro. La familia de materiales de mayor uso son los ace-ros al silicio, dadas las relativamente bajas prdidas quepresentan y el bajo coste de la materia prima y su acaba-do. La chapa de transformador ha ido mejorando su ren-dimiento mediante diversos tratamientos de procesado.As, cabe mencionar los aceros de bajo contenido encarbono, aceros de grano orientado, laminados, etc. Es-tos procesados mejoran el comportamiento a altas fre-cuencias y reducen especialmente las prdidas por co-rrientes de Foucault.

2.2.2. Ncleos y piezas en pequeostransformadores y motores: Permalloys y otrasaleaciones

En el caso de pequeos transformadores, motores y conver-tidores, as como en inductores y, en general, en equipa-mientos de telecomunicaciones, la intensidad y voltaje utili-zados son ms reducidos, y se requieren materiales dulcesespecialmente con una elevada susceptibilidad magntica.Se emplea con frecuencia otra familia de aleaciones cuyocarcter magntico es muy blando como son los denomina-dos permalloys. Son materiales de muy alta susceptibilidado permeabilidad magntica, cuya composicin contieneesencialmente hierro y nquel. Se caracterizan por poseermuy baja anisotropa magntica tanto de origen magneto-cristalino como magnetoelstico, lo que les confiere ademsmuy bajas prdidas magnticas. En este caso, el volumende material necesario es inferior al de los grandes transfor-madores, por lo que ahora importa menos el bajo coste dela materia prima.Dentro de esta apartado debemos considerar tambin otrasaleaciones de alto contenido en Fe, que, por sus aplicacio-nes particulares, requieren una forma especfica. Piezas dealeaciones magnticas blandas con forma muy diversa pue-





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den obtenerse mediante procesados y sinterizados especia-les. El campo de aplicaciones es muy amplio: en automocin(por ejemplo, en sistemas de frenado ABS), ordenadores(piezas en impresoras o freno de disco de ordenador),electromedicina (aleaciones Invar sinterizadas), etc.

2.2.3. Componentes electrnicos: Ferritasblandas

Otra familia de materiales blandos que se emplea con granprofusin son las ferritas con caractersticas magnticamen-te blandas y que poseen estructura cristalina cbica del tipoespinela (xido de magnesio y aluminio). Se caracterizanpor su bajo coste, alta capacidad de ser modeladas conformas adecuadas al problema concreto y por su elevadaresistividad elctrica del orden de un milln de veces su-perior al de otros materiales magnticos blandos con carc-ter metlico, lo cual implica una importante ventaja alreducir notablemente las prdidas energticas especialmen-te a frecuencias de trabajo elevadas. Por lo dems, esta altaresistividad hace innecesario el mencionado proceso de la-minado. Una desventaja genrica de las ferritas es, sin em-bargo, su reducida imantacin de saturacin, consecuenciade su naturaleza ferrimagntica.Las ferritas se utilizaron, en la dcada de los aos sesenta,como ncleos de memorias magnticas por su alta capaci-dad de saturacin (ciclos de histresis cuadrados), as comoen amplificadores magnticos. Actualmente, se emplean tam-bin en diversos dispositivos electrnicos de frecuencia enel rea de la industria del automvil en pequeos moto-res en ventanillas, limpiaparabrisas, etc., o como transpon-ders para sistemas antirrobo o monitorizacin de presin enneumticos, o en medicina, como transponders paramonitorizacin e identificacin de tumores, etc.En cuanto al tipo de ferritas, debemos citar especialmentelas de composicin manganeso-zinc y nquel-zinc. En la ta-


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bla 1 se indican algunas de las principales aplicaciones deestas ferritas en componentes electrnicos.

DISPOSITIVO FUNCIN FRECUENCIA PROPIEDADDE TRABAJO ESPECFICA

Inductores Circuitos filtrados, 1-100 MHz Alta , estabilidadresonantes con T y t

Transformadores Transformadores Hasta 500 MHz Alta , bajaV e I histresis

Antenas Recepcin Hasta 15 MHz Alta m, altaondas EM resistividad

Bobinas de Separacin Hasta 250 MHz Moderada/Alta ,encendido seales ac y dc alta prdidas por

histresis, alta B

Transformadores Convertidor Hasta 60 KHz Baja histresis, alta Bde potencia de potencia

Bobinas de carga Carga de Audio Alta , alta B,impedancia estabilidad con T, t

y dc bias

Transformadores Convertidor Hasta 100 kHz Alta , bajasflyback de potencia prdidas por

histresis, alta B

Siendo : permeabilidad del material magnticoB: induccin magntica

ac: corriente alternadc: corriente contnuaT: temperaturat: tiempo

Tabla 1Algunas aplicaciones de ferritas blandas.

29

2.2.4. Las ltimas tendencias: Aleacionesamorfas y nanocristalinas

Como se ha mencionado previamente, los materiales mag-nticos blandos deben presentar mnimas prdidas energ-ticas, lo cual requiere esencialmente valores lo ms reduci-dos posible de magnetostriccin, tensiones mecnicas yanisotropa cristalina. Es tambin deseable una alta resistivi-dad elctrica, y la disposicin en geometras especiales (la-minados). Las dos formas de conseguir esto son:a) empleo de materiales amorfos de magnetostriccin nula,

o bienb) uso de aleaciones nanocristalinas. En el primer caso y

por definicin, tanto la anisotropa magnetocristalinacomo la magnetoelsticas son mnimas y, adems, suresistividad es alta (aproximadamente un orden demagnitud ms elevada que la aleacin cristalizada deidntica composicin).

En el segundo caso, estos materiales nanocristalinos estnconstituidos por pequeos granos cuyo tamao es de unos10 nanmetros embebidos en una matriz con estructuraamorfa. Sucede aqu un efecto de compensacin de la cons-tante de magnetostricicn entre las dos fases cristalina yamorfa (de signos opuestos entre s) y, por otra parte, laanisotropa magnetocristalina se promedia macroscpica-mente.La obtencin de estos nuevos materiales con mnimasanisotropas magnticas de todo tipo se consigue, por unlado, ensayando nuevas composiciones y tratamientos deprocesado y, por otro, empleando tambin nuevas tcnicasde fabricacin. Brevemente, mencionaremos que la obten-cin a gran escala de vidrios metlicos se ha posibilitadomediante el desarrollo de tcnicas como el enfriamientoultrarrpido velocidad de enfriamiento de hasta un mi-lln de grados centgrados por segundo a partir de lasaleaciones en estado lquido. Por otra parte, mientras que





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los tratamientos trmicos posteriores dan lugar a la cristali-zacin del material y su prdida de propiedades tecnolgi-cas, en el caso de algunas aleaciones se puede retrasar elproceso de cristalizacin obteniendo la mencionada estruc-tura nanocristalina.

2.3. IMANES PERMANENTES

Los materiales magnticos duros poseen la cualidad de ge-nerar elevados campos magnticos en su entorno. Esto sedebe al elevado valor de su imanacin remanente o, msexactamente, al punto de trabajo del ciclo de histresis, quequeda definido por el campo desimanador y se encuentraen el segundo cuadrante del ciclo de histresis. La imanacinen el punto de trabajo genera campos magnticos intensosen sus proximidades. De alguna manera, la cualidad dedureza magntica se puede tambin medir a partir del cam-po coercitivo que indica el campo magntico externo nece-sario para anular aquella remanencia. Los materiales durosse emplean genricamente en dos amplios campos: comoimanes permanentes y como materiales para grabacinmagntica.En la figura 5 se presentan, respectivamente, las distribucio-nes de imanes permanentes segn las diversas familias y susaplicaciones tecnolgicas. Hay que hacer notar, en primerlugar, el gran volumen relativo de ferritas duras a pesar desus, comparativamente, inferiores prestaciones tcnicas. Enlos ltimos aos, y a pesar del incremento de los imanesbasados en familias de tierras raras, las ferritas mantienenuna importancia relativa muy alta (ver la figura 6). Otro as-pecto muy destacable es la enorme importancia de Japncomo pas que factura materiales de imanes permanentes.Esto es debido a su importante tecnologa y al liderazgo dealguna industria lder en el sector, a pesar de que las mate-rias primas, en particular las tierras raras, proceden en granmedida de otro importante pas como es China.

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Figura 5Clasificacin de materiales duros por sus composiciones (porcentaje envolumen) (a), por sus aplicaciones (b), y por los pases de facturacin deimanes de tierras raras (c).

El mercado de imanes permanentes

Aplicaciones de los imanes de tierras raras

Produccin de imanes de tierras raras

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Como decimos, las aplicaciones de los materiales duros ysemiduros pueden clasificarse en dos grandes grupos: ima-nes permanentes y memorias magnticas. Un 30% de losmateriales magnticamente duros se utilizan para la fabri-cacin de imanes permanentes. Las aplicaciones tecnolgi-cas de los imanes cubren un amplio espectro que incluyedesde la industria aeroespacial y la industria del autom-vil tngase en cuenta que cada coche lleva por trminomedio 20 imanes permanentes hasta la industria electro-tcnica que utiliza los imanes como elementos bsicos for-mando el estator de algunos motores o el rotor de magnetos.Altavoces, auriculares, marcadores telefnicos, separadoresde materiales utilizados en minera y selectores de monedason ejemplos de dispositivos basados en el funcionamientode imanes permanentes.

Figura 6Evolucin en los ltimos 10 aos del mercado de las familias de imanes.

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9

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El espectacular incremento de las propiedades magnticasduras de los compuestos hierro-tierra rara, obtenidos desdela dcada de los aos setenta, ha permitido incrementar elespectro de aplicaciones de los imanes, principalmente enel campo de los motores lineales. Tambin es cada da su-perior el nmero de dispositivos que utilizan imanes paraproducir campos magnticos que anteriormente solo podanconseguirse con electroimanes.

Entre las utilidades concretas de los imanes permanentespodemos citar las siguientes:1. En primer lugar para convertidores de energa elctrica

en mecnica. Entre ellos cabe citar los altavoces (enmultitud de equipos de radio, etc.), en pequeos moto-res como esttor (por ejemplo, en electrodomsticos comocuchillos o cepillos elctricos, y en vehculos como enlimpiaparabrisas o ventiladores), en instrumentos demedida (como galvanmetros, voltmetros, etc.) o en re-ceptores de telfono.

2. En convertidores de energa mecnica en elctrica. Porejemplo, en micrfonos o bien en magnetos que sonempleados para la ignicin de motores de todo tipo(cortacsped, fueraborda, etc.).

3. Para control de trayectoria de cargas elctricas enmovimiento. Para equipamiento de comunicaciones yradar (magnetrn y gua de ondas), tubos de televisin,etctera.

4. Como tpicos imanes: por ejemplo, en numerososjuguetes, en llaves magnticas, selectores de moneda,etctera.

5. Imanes para la sujecin de plataformas metlicas (sectorde la construccin) y posicionamiento de piezasmagnticas (en estructuras metlicas), para la selecciny clasificacin de residuos (por ejemplo, en plantas detratamientos de residuos y clasificadoras de escombros),y como piezas en electroimanes para el izado de cargas.

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6. Para procesos industriales de descalcificacin de tuberas,tratamientos inicos, etc.

Qu tipo de materiales se emplean para estas aplicacio-nes? En la figura 7 se ha representado la evolucin a lolargo de este siglo de las diferentes clases de materialesque han ido emplendose. En primer lugar, se debera ci-tar la piedra imn o magnetita y, tambin, a pesar de ha-ber quedado ciertamente obsoletos, los aceros duros (eltpico imn de herradura). Estos ltimos, al contener unalto porcentaje de carbono, eran tambin utilizados comoagujas de brjula.En el mbito industrial, debemos citar a las aleaciones de-nominadas genricamente alnicos, que contienen los treselementos ferromagnticos bsicos (hierro, cobalto y nquel),con la inclusin de aluminio y, en determinadas ocasiones,otros elementos, como cobre y titanio. Estas aleaciones, trasser sometidas a determinados procesados estn constitui-das por granos magnticos monodominio muy alargados,lo que les permite presentar una elevada anisotropa mag-ntica de forma (ver seccin 1.1).Otros materiales competitivos con los alnicos son las deno-minadas ferritas duras. Las ferritas duras son xidos magn-ticos al igual que las blandas y poseen estructura cris-talina con simetra hexagonal y una elevada anisotropamagnetocristalina. Las ferritas duras ms empleadas son lashexaferritas de bario y de estroncio.Por ltimo, los materiales duros ms avanzados estn cons-tituidos por aleaciones de tierra rara (Nd, Sm,...) y metalesde transicin (Fe o Co). Se pueden distinguir dos grandesfamilias: las basadas en imanes del tipo SmCo y aquellasotras basadas en NdFeB. En estos imanes, el elemento detierra rara (por ejemplo, Nd o Sm ) proporciona una fuerteanisotropa magntica, origen de la dureza del material,mientras que el elemento magnetgeno (Fe o Co) proporcio-na una elevada imantacin y, por tanto, respuesta magnti-ca. Estas aleaciones presentan una elevada anisotropa cris-talina y poseen las mejores prestaciones tcnicas, aunque

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con algunas desventajas en cuanto a precio y a estabilidadtrmica.A lo largo de los ltimos aos se ha venido investigando lainfluencia de incluir nuevos elementos en las aleaciones deimanes permanentes, o bien diferentes procesados con el

Figura 7Evolucin a lo largo del siglo XX de las familias de imanes permanentes.En la parte inferior se indica el origen de la dureza magntica de cadafamilia.

Evolucin de los materiales magnticos DUROS

Materiales magnticos duros

Aceros al cobalto Magnetoelstica (Dureza mecnica) AINiCo Anisotropa de forma Hexaferrita de bario Anisotropa magnetocristalina Aleaciones TR-MT Anisotropa magnetocristalina

(Tierra rara - Metal detransicin)

(B-H)max

KJ/m3

Ao

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objetivo de optimizar sus propiedades magnticas. En pri-mer lugar debemos mencionar los denominados springmagnets, en los que, al aadir una determinada cantidadde fase magntica blanda (esencialmente Fe) al materialbasado tpicamente en NdFeB, se induce un mayor acopla-miento magntico entre fases, lo que da lugar a un modera-do incremento del producto de energa del imn: se observaun apreciable incremento de la remanencia y una cierta re-duccin del campo coercitivo.Por otra parte, distintos procesados han sido desarrolladospara endurecer magnticamente el material: mediante suinhomogeneizacin estructural, obstaculizando mediantecentros de anclaje el desplazamiento de paredes magnti-cas, o dando lugar a nuevas fases estructurales conanisotropa magntica incrementada, dificultando el proce-so de rotacin de la imanacin. Entre estas tecnologas de-bemos citar:a) Procesos de sinterizado y de enfriamiento rpido que

dan lugar a dos tipos de imanes permanentes a pesar desu misma composicin, y a la consiguiente carrera tec-nolgico-comercial de empresas competidoras.

b) Procesados que permiten la inclusin de elementos demenor peso atmico fundamentalmente hidrgeno ynitrgeno en las fases aleadas, incrementando elcarcter inhomogneo estructural y facilitando la apari-cin de fases con mayor anisotropa.

c) El aleado mecnico, mediante el cual se muelen polvosde diferentes elementos, de modo que el calor generadoda lugar a la aparicin de la propia aleacin de la mezclaoriginal o de nuevas fases (compuestos tipo SmFeN).

d) Por ltimo, recientemente se han desarrollado tcnicasmuy complejas de procesados trmicos y mecnicosconducentes a la modificacin de su estructura porejemplo, el proceso por el que se obtiene polvo fino pordecrepitacin al absorber hidrogeno, seguido detratamiento trmico que origina la prdida del hidrgeno

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y la posterior cristalizacin (en ingls HDDR), tantopara los imanes basados en NdFeB como las familiasdel tipo SmCo.

Finalmente, existen otros factores que determinan el deterio-ro del carcter duro de los imanes. Entre ellos hay que con-siderar:1) La energa magnetosttica o acoplamiento magntico

dipolar entre granos o bien en los bordes del imn.2) El acoplamiento de canje entre distintas fases.3) El poseer una temperatura de Curie prxima a la

temperatura de trabajo, etc.

Estos problemas que incluyen aspectos tanto de simulacinmicromagntica como de bsqueda de nuevas fases, se es-tn llevando a cabo en numerosos centros tecnolgicos.

2.4. GRABACIN MAGNTICA: MEDIOS,ESCRITURA Y LECTURA

El proceso de grabacin y lectura magntica requiere treselementos magnticos: el medio o soporte en donde se al-macena la informacin magntica, la cabeza grabadorade dicha informacin, y la lectora. Cada uno de estos treselementos precisa de unas caractersticas magnticas pe-culiares. Pero antes de entrar en la materia, parece conve-niente recordar algunos fundamentos de la grabacin mag-ntica.El soporte o medio para el almacenamiento de informacindebe ser un material magntico subdividido en pequeasregiones o dominios en donde los momentos magnticosposeen la misma direccin. Cada uno de estos elementosconstituye una unidad de informacin o bit magntico. Engeneral, existen dos direcciones preferentes, de modo que,en esencia, el almacenamiento de informacin consiste endisponer segn un cdigo particular la imanacin en una

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secuencia de dominios. En la figura 8, cada dominio en elmedio soporte est representado por partculas elipsoidales.La cabeza grabadora se basa en el efecto inductivo paraescribir una informacin o secuencia de dominios particu-lar. Como se observa en esa figura, la cabeza genera un

Figura 8Grabacin magntica: El medio magntico y las cabezas grabadora ylectora. Imgenes de dominios magnticos obtenidos por microscopa defuerzas magnticas en una pista de un disco duro (20m x 20m).

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campo magntico en el entrehierro de un circuito magnticoy en sus proximidades, de modo que, segn la direccin delcampo generado en ese entrehierro, se puede imantar enun sentido o en el contrario cada uno de los dominios delmedio magntico. Esa direccin se determina a voluntadmediante el sentido de la corriente que pasa por el bobina-do del circuito. Por su parte, la cabeza lectora inductivafunciona de modo anlogo pero a la inversa, es decir, losdominios del medio generan un campo magntico en el cir-cuito e, inductivamente, dan lugar a pequeos voltajes en labobina, cuyo sentido est determinado por la orientacinde la imanacin en cada dominio.Respecto del medio magntico, debemos indicar que debeposeer caractersticas magnticas semiduras campo coer-citivo del orden de unidades de kOe (ver la figura 1), conanisotropa magntica relativamente elevada siendo su ori-gen, en general, magnetocristalino o de forma. Debe po-seer un campo coercitivo suficientemente elevado para quela informacin almacenada la orientacin de la imanacinen cada dominio no se destruya fcilmente bajo la ac-cin de un campo magntico indeseado. Y, por otra parte,tampoco debe ser excesivamente grande como para dificul-tar la propia grabacin y lectura de esa informacin.Existen dos tipos de medios en funcin de que la grabacinsea longitudinal o perpendicular. Estos medios se caracteri-zan porque en cada uno de ellos los dominios elementalesde informacin poseen ejes de fcil imanacin en el planodel medio soporte o en su direccin perpendicular.Por otra parte, los medios magnticos pueden ser de dos ti-pos: particulados y pelculas delgadas. Los medios particula-dos estn formados por partculas magnticas, generalmentexidos, bien alargadas, para poseer elevada anisotropa deforma, o bien con alta anisotropa cristalina, como es el casode las ya mencionadas hexaferritas. Estos xidos se empleangeneralmente en grabacin longitudinal, mientras que part-culas metlicas de Fe y elevada anisotropa de forma sonutilizadas en grabacin perpendicular. La alternativa a estos

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medios particulados de soporte son las pelculas delgadasempleadas actualmente tanto para grabacin longitudinalobtenidas por electrodeposicin, sputtering o evapora-cin, como para grabacin perpendicular (sputtering).En cuanto a las cabezas de escritura inductiva (vase lafigura 9), los materiales ms empleados se encuentran entre

Figura 9Los tipos de materiales magnticos empleados para registro magntico.

MATERIALES MAGNTICOS PARA GRABACIN Y LECTURA

Cabezas

Inductivas Inductivas(Escritura) (Lectura)Permalloys (FeNi) Ferritas (MiZn,Sendust (FeNiAI) Superredes MnZn)Amorfas (FeCo/NiFe, Fe/Co)

Amorfo/Nanocrist.(CoZr)

Magnetorresistivas (Lectura)Metlicas(NiFe, CoFeNi), multicapas (Fe/Cr/Fe)

Cintas

Particuladas (Grabacin longitudinal)xidos Metlicas-Fe2O3,Co-FeO, hexaferrita Ba Fe

Pelculas delgadasGrabacin longitudinal Grabacin perpendicularElectrodeposicin (CoP, CoNoP) Sputtering (CoCr)Sputtering (Co, CoNi, CoMiCr)Evaporacin, MBE

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los materiales blandos antes mencionados, como por ejem-plo permalloys, sendust o aleaciones amorfas y, ms recien-temente, superredes con base de Fe/Co y CoZr.Las cabezas lectoras inductivas emplean generalmente ferri-tas blandas (Ni-Zn, Mn-Zn), aunque ms recientemente sehan incorporado cabezas lectoras basadas en efecto mag-netorresistivo de tipo metlico (NiFeCo) y multicapas(Fe/Cr/Fe). En la figura 9 se resumen los materiales magn-ticos empleados en los distintos aspectos de la grabacinmagntica: cabezas magnticas de escritura y lectura tantoinductivas como magnetorresistivas, y los medios o soportedel almacenamiento de informacin tanto particulados comopelculas delgadas.Los materiales empleados como medio soporte de graba-cin tienen carcter magntico semiduro, si bien con fre-cuencia se les incluye en un apartado diferente debido, poruna parte, a su forma (pelcula o cinta delgada) y, por otra,a que en ellos aparecen multitud de pequeos imanes mi-croscpicos. Precisamente, en la alteracin del estado mag-ntico de estos imanes radica el concepto de grabacin y,adems, cuanto ms pequeos sean estos imanes, mayorser su densidad y, por tanto, la capacidad de almacenarinformacin.Un 70% de las aplicaciones que engloban a los materialesduros y semiduros corresponde a las memorias magnticas,esenciales en la tecnologa de la informacin. Se incluyebajo este trmino todos los instrumentos y dispositivos basa-dos en la informacin que puede obtenerse del estado deimanacin de una secuencia de unidades magnticas distri-buidas espacialmente en un material.En la figura 10 se informa de la distribucin del mercadomundial de grabacin magntica. Los materiales semidurosconstituyen el elemento bsico de los disquetes de ordena-dores, memorias auxiliares de gran capacidad de almace-naje (disco duro), bandas magnticas de las tarjetas de cr-dito, de las tarjetas de identificacin y de los billetes detransportes, cintas magnetofnicas y cintas de vdeo tanto

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comerciales como profesionales. En todas estas aplicacio-nes el xido de hierro -Fe2O3 es el material que presentaactualmente mejor combinacin de ventajas. Este xido dehierro y otros similares estn tpicamente constituidos porfinas partculas alargadas, por lo que su dureza magnticaradica en la anisotropa de forma. El almacenamiento deinformacin (grabacin) y su lectura estn ntimamente rela-cionadas con el fenmeno de inversin de la imanacinsegn las dos direcciones que determinan el eje de cadapartcula.La industria relativa a la grabacin magntica abarca unamplio tipo de aplicaciones como son la grabacin digital,audio, vdeo, etc. Otro tipo de aplicaciones se refiere abandas magnticas impresas en billetes de vehculos pbli-cos, tarjetas magnticas, etc. Esta industria es probablemen-te la que tiene mayor repercusin econmica. Sin embargo,

Figura 10Distribucin del mercado de grabacin magntica.

Mercado de gravacin magntica

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en Espaa tiene una importancia bastante escasa, como sever en una seccin posterior. El mercado de grabacinmagntica est internacionalmente liderado por grandesempresas multinacionales, como IBM, Xerox, 3M, Hewlett-Packard o Seagate, por lo que entrar en competicin conellas es difcil. Por otra parte, es un campo que acta comoestimulador de la investigacin. Sirva como ejemplo del rit-mo de desarrollo de los materiales y mtodos utilizados enla tecnologa de memoria magntica la evolucin de la den-sidad de los discos de cabeza magnetorresistiva desde 1970a 2000, como se indica en la figura 11. Mientras en 1980las pelculas delgadas podan contener 10 megabites deinformacin por pulgada cuadrada, esta subi a 100 en1992 y a 1.000 en 2000. La magnetoptica ha permitidouna resolucin de 30 a 50 nm y ha incrementado la capa-cidad de almacenaje hasta 45 gigabits por pulgada cua-drada.El mercado de la grabacin magntica es el mayor del con-junto de los materiales magnticos, superior prcticamentea la suma del resto de los materiales. Hay diferentes aspec-tos que influyen o determinan esta inusitada y colosal activi-dad comercial-econmica. Por una parte, la capacidad demercado en relacin con una mayor capacidad de almace-namiento de datos por ejemplo, almacenar diagnsticosy datos mdicos en un hospital (radiografas, etc.), en ban-cos, centros de educacin, grandes empresas, etc., dondese requiere la digitalizacin de un enorme volumen de me-moria todava no completamente saturado. Ocurre lo mis-mo con el incesante aumento de necesidades de activida-des interactivas, como medios interactivos multimedia, cen-trales de comunicacin, etc. Otro aspecto que fuerza esaactividad es el notable incremento de capacidad tecnolgi-ca de almacenamiento, que va superando incluso las sucesi-vas previsiones realizadas.En la actualidad, se viene desarrollando un enorme trabajocon objeto de mejorar las caractersticas magnticas y resol-ver los problemas tecnolgicos de la grabacin, tanto en lo

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que se refiere a las cabezas magnticas como al medio. Enprimer lugar, y en particular en la grabacin longitudinal,debemos mencionar el lmite a la capacidad de almacenarinformacin magntica derivada del tamao mnimo de lasunidades magnticas. En el caso de sistemas particuladosespecialmente, hay que tener en cuenta que, por debajo deun tamao crtico de partcula, el material se comporta comosuperparamagntico, con lo cual se reduce drsticamente elcampo coercitivo. Este tamao crtico, a una temperaturadeterminada, depende fundamentalmente de la intensidadde la anisotropa magntica bien sea de forma lo cual seconsigue con partculas de alta relacin longitud-dimetroo bien magnetocristalina. Se requieren, por tanto, materia-les con un campo coercitivo superior. Desde el punto devista de la anisotropa de forma, son prometedores de unms largo futuro los medios de grabacin perpendicular, en

Figura 11Perspectivas en la densidad de grabacin.

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los que se posibilita el jugar con la dimensin perpendicularal plano del medio para incrementar el factor de forma.Para dimensiones prximas al tamao crtico, sin embargo,un problema que hay que tener en cuenta es tambin elderivado de las fluctuaciones trmicas, que pueden deterio-rar las propiedades magnticas del medio de grabacin. Ala hora de determinar la capacidad efectiva de almacenarinformacin magntica, tambin es importante considerarlas interacciones entre unidades de informacin o bits, demodo que existe una distancia efectiva (frontera entre bits)inhbil para la grabacin. Este problema se reduce igual-mente con el empleo de materiales con anisotropa magn-tica ms elevada. Los efectos desmagnetizadores y trmicosse estudian intensivamente en la actualidad por ser los quemuy prximamente van a determinar el lmite de capacidadde grabacin. Una densidad de 100 Gbits/inch2 requierebits de unos 50 nm de lado, lo cual no ha sido an alcanza-do. Segn recientes informes, la mxima densidad de gra-bacin alcanzada por IBM y Seagate es de unos 30 Gbits/inch2.Otro aspecto de gran importancia tecnolgica es el espesorde la capa protectora o recubrimiento sobre el soporte mag-ntico con objeto de evitar efectos de envejecimiento y co-rrosin. Esta capa debe ser de espesor inferior a la distan-cia entre el medio magntico y la cabeza lectora, que es delorden de pocas decenas de nanmetros en los sistemas msavanzados, lo cual en estos momentos plantea serios pro-blemas. Esa distancia debe ser lo ms pequea posible alreducir las dimensiones del bit, para que se pueda recogerexclusivamente la informacin individual de cada uno deellos. Otro importante aspecto es el de reducir la relacinruido-seal, as como el procesado electrnico de codifica-cin y descodificacin de las seales tanto grabadas comoledas. Por ltimo, otro problema tcnico es el de losmicroposicionadores y micromotores que permiten el con-trol de la posicin de los ejes de lectura. La miniaturizacinde estos dispositivos es absolutamente necesaria para po-

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der emplear medios con mayor capacidad de almacena-miento de informacin.Desde el punto de vista de las cabezas magnticas se haceimprescindible llegar a ciertos desarrollos para mejorar susensibilidad. Esto requiere el desarrollo o implementacinde nuevas tcnicas y en particular las litogrficas

2.5. AUTOMATIZACIN: RELS, SENSORES YACTUADORES MAGNTICOS

Algunos materiales con carcter magntico relativamenteblando tambin se utilizan para otras aplicaciones en reasmuy diversas en dispositivos tipo rel o como elementossensores en una enorme variedad de dispositivos.Numerosos rels y distintos tipos de vlvulas emplean alea-ciones magnticas blandas para aplicaciones en el sectorde la automocin (regulacin de amortiguacin en sistemasde suspensin, inyeccin de combustible, equipos inteligen-tes controlados electrnicamente, pistn dosificador en bom-ba de inyeccin, etc.), electromedicina (vlvulas empleandoaleaciones Invar sinterizadas), electrodomsticos (electrovl-vulas en cocinas o calentadores), etc.Los dispositivos sensores permiten detectar el valor de unapropiedad fsica por el efecto que produce sobre otra defcil manejo. En general el principio de funcionamiento deun sensor magntico consiste en la transformacin de lavariacin de una magnitud magntica (susceptibilidad,imantacin, etc.) en un voltaje elctrico proporcional a di-cho cambio. Esa magnitud puede depender de la tempera-tura, tensin, campo magntico, etc., de modo que, mediantela electrnica adecuada, el voltaje de salida del sensor pue-de ser utilizado como entrada de otro dispositivo que con-trole la propiedad fsica detectada por ese sensor. Este es elconcepto bsico que subyace en toda operacin de control,automatizacin o robtica.Los sensores magnticos son empleados en multitud de oca-

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siones como, por ejemplo, para detectar campos magnti-cos como los utilizados en geofsica, para el control de rum-bo en satlites artificiales y otras tcnicas aeroespaciales oen la deteccin de paso de vehculos. Otros tipos de sensoresse emplean para medir tensiones mecnicas, deformacio-nes geomtricas, temperatura, etc. Debe destacarse tambinel enorme impulso que la aplicacin de los sensoresmagnetoelsticos est adquiriendo en biomedicina.

En funcin de los principios fsicos y de los efectos en que sebasan, los sensores magnticos pueden ser clasificados en:a) Sensores magnetoelsticos.b) Sensores magnetogalvnicos.c) Sensores inductivos (incluyendo corrientes de Foucault).d) Sensores de Wiegand y de ciclo biestable.e) Sensores magnetorresistivos.f) Magnetmetros de SQUID (interferencia cuntica super-

conductiva).g) Sensores de campo magntico, basados en poseer un

ncleo saturante (flux-gate), en bobinas inductoras, etc.

Los sensores de tipo magnetoelstico se fundamentan en lasvariaciones del comportamiento magntico generalmen-te a travs de las variaciones de permeabilidad magnti-ca con las tensiones mecnicas, o presiones con las quese solicita al elemento sensor. Es necesario, por tanto, em-plear materiales sensores de elevada magnetostriccin. Enocasiones, la utilizacin de tecnologa hbrida piezoelctrico/magnetorresistivo da lugar a una notable optimizacin encuanto a la eliminacin de bobinados y al incremento desensibilidad.La resolucin de un magnetmetro SQUID es la mayor al-canzada hasta el momento (1 fT), y se basan en el efectoJosephson y en la cuantizacin de flujo magntico en elelemento superconductor.Adems de los diferentes tipos de sensores es necesario

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mencionar el hecho de que con frecuencia se pretende eli-minar los campos magnticos, para lo cual se requiere unapantallamiento magntico. Es necesario en este caso em-plear materiales muy blandos, de elevada permeabilidad yque, por tanto, "atraigan" a las lneas de campo magntico.Se emplean chapas de aleaciones de Fe-Ni, Fe-Si y Fe oaleaciones blandas, como las amorfas, en particular las ri-cas en Co de baja magnetostriccin.Los sensores magnetogalvnicos son aquellos que se funda-mentan en los efectos magnetorresistivos y el efecto Hall. Elefecto Hall consiste en la aparicin de un campo transversalsobre un conductor alargado sobre el que circula una co-rriente elctrica cuando se coloca en una regin del espaciodonde existe un campo magntico. Los sensores demagnetorresistencia se basan en el cambio de resistenciaelctrica de determinados semiconductores ante un campomagntico. El efecto magnetorresistivo anistropo en pelcu-las delgadas ferromagnticas se emplea principalmente enlectura de grabacin magntica.Los sensores inductivos se basan en el efecto de induccinelectromagntica, por el cual se induce un voltaje elctricoen un bobinado cuando vara en el tiempo el flujo magnti-co recogido por l. Son de amplia aplicacin debido a lageneral sencillez de los artilugios empleados: para sensoresexcitados por el campo magntico de imanes permanentes,sensores de induccin de voltaje alterno a partir de despla-zamiento lineal o de rotacin, sensores de corrientes deFoucault e inductores fluxmtricos.Los sensores de flux-gate, a diferencia del caso anterior,miden variaciones absolutas de campo en lugar de sus va-riaciones en el tiempo. Quizs el caso ms empleado es elde los sensores basados en el anlisis de la seal de segun-do armnico, empleando anlisis de Fourier para analizarla seal recogida por un bobinado al aplicar un camposinusoidal. La respuesta no es lineal debido a la propia faltade linealidad del ciclo de histresis. La aplicacin de uncampo continuo adicional origina mayor riqueza de arm-

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nicos y, en particular, el segundo armnico vara linealmentecon este campo adicional.Los sensores de tipo Wiegand se basan en el empleo deelementos sensores biestables o de ciclo de histresis cua-drado. La seal derivada del ciclo es un pico agudo, lo queproporciona voltajes en forma en pico. Se emplean ensensores de frecuencia de rotacin y contadores de vueltas,tarjetas codificadas etc.Los sensores magnetorresistivos se basan en el efecto demagnetorresistencia anistropa, ya considerado en el casode lectura de grabacin magntica. La resistencia elctricadepende de la direccin en que se aplica el campo magn-tico.

Lmite de deteccinCampo magntico terrestre

Mximo campo alcanzado

Bobinassuperconductoras

ImanesElectroimanes

Campos biomagnticos

1016 1012 108 104 1 104

Campo magntico (Tesla)

Figura 12Campos magnticos generados por diferentes agentes.

Campos interestelares einterplanetarios

Electrodomsticos

Transformadores

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Como ejemplo del amplio rango de posibilidades de detec-cin de magnitudes magnticas podemos considerar el delpropio campo magntico (vase la figura 12). Los camposmagnticos ms dbiles que pueden ser medidos experimen-talmente son los producidos por los seres vivos camposbiomagnticos, generados por corrientes elctricas extraor-dinariamente dbiles, cuyo valor (del orden de 1014T)es solamente detectable mediante los magnetmetros mssensibles, como son los de SQUID (magnetmetro de interfe-rencia cuntica superconductiva). El campo magntico en elespacio alcanza valores del orden de 106T. Los camposmagnticos creados por las lneas de alta tensin y transfor-madores alcanzan valores de hasta 103T en sus proximida-des y son detectables por diversos tipos de magnetmetrosde induccin. Los mximos campos creados por imanespermanentes son del orden de 1T y los campos ms intensosalcanzados mediante bobinas superconductoras y los cam-pos pulsados alcanzan 10102T. Para hacernos una ideade estos rdenes de magnitud, podemos recordar que laintensidad del campo magntico terrestre en Espaa es deaproximadamente 0,04 mT.Los materiales empleados como ncleo sensor en los dife-rentes aparatos depende en cada caso del tipo de sensor.Por ejemplo, se puede precisar materiales por su ciclo dehistresis perfectamente cuadrado, o bien por poseer unaanisotropa transversal dbil y homognea, por su alta cons-tante de magnetostriccin o por ser sta prcticamente nula.Los materiales saturables ciclo de histresis rectangularse utilizan en amplificadores magnticos, rels, magnet-metros, y aplicaciones en computadores y memorias digita-les y analgicas, donde se requieren materiales magnticoscuya imanacin pueda alcanzar su saturacin bajo camposde baja intensidad.En sensores para identificacin en lectura de tarjetas, vali-dacin de monedas y sistemas de seguridad, el principiobsico es la codificacin de unidades o bits en una secuen-cia dada que es detectada por los sensores.

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A diferencia del caso de los ncleos de mquinas electro-magnticas, en este tipo de aplicaciones las prestacionestcnicas son de la mayor importancia y ahora el coste eco-nmico del elemento sensor pasa, en principio, a un segun-do plano. Por otra parte, un aspecto importante para la apli-cacin es la posibilidad de integracin de los elementossensores en el dispositivo global. Desde este punto de vistaes de gran relevancia la utilizacin de tcnicas de fabrica-cin adecuadas, en particular el empleo de laelectrodeposicin en pelculas de elevada imanacin desaturacin y baja coercitividad, microlitografa, y depo-sicin catdica para la preparacin a escala micro ynanomtrica de elementos sensores en forma de hilos o pun-tos magnticos.Finalmente, otra aplicacin importante de ciertos materialesduros de mercado muy especializado que merece una men-cin especial, es la de los actuadores magnetoelsticos.Determinados materiales sufren deformaciones magnetostric-tivas gigantes del orden de hasta de 103 bajo la accin decampos magnticos relativamente no muy intensos (del or-den de kOe). Materiales de este tipo son las aleacionesbasadas en FeTb que presentan magnetostriccin gigante y,en particular, el material por excelencia es el Terfenol(Tb0.7Dy0.3Fe2). Este fenmeno permite la utilizacin de di-chos materiales en aplicaciones como generadores y recep-tores ultrasnicos, generadores de tensiones mecnicas, in-ducidas por la accin de campos magnticos, actuadorespara microposicionamiento con cargas pesadas, motoreslineales, microactuadores para robtica y medicina,Por ltimo, en este apartado debemos mencionar a una nue-va familia de materiales que presentan memoria magnticade forma, es decir, que modifican enormemente sus dimen-siones (del orden de partes por mil) bajo la accin de cam-pos magnticos. Entre las aleaciones ms estudiadas est lade NiMnGa.

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2.6. OTRAS APLICACIONES: BIOMAGNETISMOY GEOMAGNETISMO, ALTAS FRECUENCIAS

2.6.1. Biomagnetismo

Los estudios en biomagnetismo y en particular aquellos decarcter biomdico persiguen determinar los efectos mag-nticos producidos en los seres vivos por corrientes elctri-cas o contaminantes magnticos. Quizs el aspecto de ma-yor relevancia es la diagnosis de patologas a partir de efec-tos magnticos observables en el exterior del cuerpo. Laactividad magntica de los diferentes rganos vara en am-plitud y frecuencia de los campos magnticos generados:as, por ejemplo, contaminantes magnticos en el hgadopueden dar lugar a campos hasta del orden de 106fT en elexterior, los encefalogramas, 103fT (ver figura 13) o la acti-vidad cortical en el cerebro del orden de 102fT. Estos cam-pos cuya frecuencia no supera los 100 Hz se detectan me-diante magnetmetros ultrasensibles tipo microSQUID.El empleo por numerosos seres vivos de fenmenos magn-ticos se est empezando a conocer. Las bacteriasmagnetotctiles, por ejemplo, se pueden considerar comopequeos imanes que se desplazan utilizando el campo te-rrestre como brjula. Las aves migratorias emplean tambinel campo magntico terrestre como sistema de orientacinen sus largos desplazamientos. En general, estos organis-mos vivos poseen partculas de magnetita en determinadaszonas (el cerebro, en el caso de animales superiores) conlas que leen la orientacin del campo magntico terrestre.Por otra parte, estudios muy serios han podido demostrarcualitativa y cuantitativamente la influencia de la aplicacinde campos magnticos en la actividad bioelctrica enneuronas a travs de su efecto sobre las membranas. Noobstante, la influencia nociva o saludable de la exposicinante campos magnticos de intensidad poco elevada (infe-rior a 1T) de los seres vivos y, en particular, sobre el hombre

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no ha podido ser demostrada, a pesar de la publicidad so-bre este asunto, en ocasiones con poco rigor cientfico.El uso de molculas biolgicas magnticas tiene un graninters en el campo de la clnica y qumica analtica. Sebasa en la especificidad de los anticuerpos en distinguirmolculas similares en mezclas complejas. As, el uso departculas magnticas permite determinar la presencia deantgenos. Otras aplicaciones incluyen la deteccin de tra-zas de protenas asociadas a tumores, o la presencia decontaminantes y toxinas de origen biolgico en aguas, ali-mentos, etc. Por ltimo, cabe mencionar las enormes posibi-lidades en biomedicina de la utilizacin de polmeros mag-nticos.

Figura 13Obtencin de la distribucin de campos magnticos en el cerebro: Elmagnetoencefalograma.

400 fT

100 msec

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2.6.2. Geomagnetismo

El estudio del geomagnetismo, es decir, de los camposmagnticos generados por el planeta tierra es muy anti-guo: por ejemplo, desde el Renacimiento hasta la fechahay consignaciones de la declinacin magntica. Puedendar informacin acerca de la composicin del manto de latierra, as como de los procesos dinmicos en su interior.Un aspecto de aplicacin concreta es el de la exploracinmineralgica , como tambin el de la deteccin de objetosmetlicos enterrados. Otra aplicacin de notable impor-tancia es la datacin de eras geolgicas en paleomagne-tismo, dado que partculas magnticas, fundamentalmentelas de magnetita, se orientan espontneamente en la direc-cin del campo terrestre, con lo que es posible seguir lasvariaciones de su direccin a lo largo de dichas eras. Estu-dios del campo geomagntico y sus perturbaciones permi-ten tambin la deteccin de fenmenos terrestres o csmi-cos: los 11 aos del ciclo solar, los 27 das de rotacin delsol o el da de rotacin terrestre.La magnetometra se ha extendido recientemente a los sat-lites artificiales e investigacin planetaria. En satlites artifi-ciales en rbitas elpticas es obligada la utilizacin desensores magnticos de amplio rango de campo, es decir,de 4 a 140 nT).

2.6.3. Altas frecuencias y otras aplicaciones

Las cermicas magnticas tienen una serie de aplicacionesparticulares como materiales absorbentes a la radiacin elec-tromagntica. Los absorbentes electromagnticos en el ran-go de microondas son tiles en telecomunicacin demicroondas para suprimir interferencias electromagnticas:por ejemplo, para disminuir la influencia de estructuras me-tlicas reflectantes que perturban la navegacin por radaren puertos y aeropuertos. Determinadas ferritas duras

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(hexaferritas de bario dopadas) son embebidas en resinas opinturas para apantallamiento electromagntico. Otra aplicacin es la separacin magntica de sustanciasno frricas que se fundamenta en el cambio anmalo deviscosidad de hasta un orden de magnitud con el campomagntico aplicado de una sustancia slida en suspensin.En el fluido magntico se agregan partculas de magnetita uotras ferritas. Esta tcnica se emplea para la separacin deslidos en suspensin especialmente en minera.

2.7. LAS LTIMAS TENDENCIAS

Gracias a los desarrollos y tcnicas experimentales ms avan-zados es posible desarrollar nuevos materiales magnticos;mas no slo esto, sino que a veces con ello se posibilita laobservacin de nuevos fenmenos como, por ejemplo, efec-tos cunticos no observados previamente, magnetorresisten-cia gigante o colosal, etc.

2.7.1. ltimos materiales magnticos ytendencias de futuro

En la actualidad, algunos de los mayores esfuerzos en inves-tigacin tecnolgica estn encaminados a la fabricacincontrolada y los mtodos de caracterizacin de sistemasmagnticos a escala atmica o nanomtrica, en donde seencuentran, por una parte, nuevas perspectivas tecnolgi-cas de futuro y, por otra, se ponen de manifiesto nuevosfenmenos magnticos.La magnetoelectrnica en breve espacio de tiempo estabriendo unas perspectivas de incalculables posibilida-des. Se fundamenta en el hecho de sustituir el conceptode transporte de corriente elctrica mediante el desplaza-miento de electrones, ocasionado por la aplicacin de

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campos elctricos (tensin elctrica) por el de transportegenerado por electrones con espn polarizado o corrien-tes de espn (espn up o down) controlable por camposmagnticos internos.Los efectos de magnetorresistencia se han venido usandoen cabezas de lectura magntica en los ltimos aos. Entrelos nuevos efectos en este campo podemos mencionar, enprimer lugar, la magnetorresistencia anistropa (AMR), enla cual la resistencia elctrica vara cuando la corrientefluye paralela o perpendicularmente a la imantacin. Porsu parte, el descubrimiento del efecto de magnetorresisten-cia gigante (GMR), en 1988, por el que se observan gran-des variaciones de la resistencia elctrica principalmen-te estudiado en multicapas magnticas, ya ha sido in-corporado en las cabezas lectoras de sistemas de graba-cin de alta densidad. Se fundamenta en el hecho de quela resistencia, al paso de una corriente que fluye paralelaa las capas magnticas, es mayor cuando la imanacin enlas capas adyacentes tiene direccin opuesta frente al casoen que la imanacin se orienta paralela en esas capas. Laresistencia puede ser, por tanto, alterada mediante la mo-dificacin de la orientacin de la imanacin en las capaspor aplicacin de un campo magntico, como el generadopor los bits de informacin en el medio magntico que sequieren leer.Ms recientemente, en 1993, en determinados xidos mix-tos con estructura perovsquita, se ha podido observar cam-bios de resistencia realmente colosales (CMR), al sufrir unatransformacin de aislante a conductor junto al cambio defase magntico. Estas perovsquitas ya estudiadas hace cua-renta aos desde otro punto de vista ms estructural, presen-tan esos enormes cambios de resistencia al sustituir parcial-mente iones trivalentes por divalentes.La tendencia ms clara observable actualmente es el estudioy preparacin de muestras "pequeas", entendiendo portales y en funcin de su dimensin a nanopartculas,nanohilos y superredes magnticas. De la importancia y

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actualidad de estos nuevos materiales se hablar ms ade-lante. Queremos indicar que la fabricacin de estos nuevosmateriales posibilita, por una parte, el descubrimiento denuevos fenmenos, algunos de ellos de carcter cuntico,como efectos de tnel macroscpico ya comenzados a des-cifrar; por otra parte, posibilita tambin el estudio delmicromagnetismo fundamental tanto en el caso denanopartculas y nanohilos, as como la interaccin magn-tica entre ellos. Por ltimo, obligan a desarrollar paralela-mente nuevas tcnicas de observacin y medida de lo yafabricado, as como las tecnologas paralelas.

2.7.2. Nuevas tcnicas de observacin ymedicin a escala nanomtrica

Entre las tcnicas de caracterizacin magntica a corta es-cala se encuentran diversas microscopas. En primer lugar,hay que mencionar la microscopa de fuerzas magneticas(MFM), que esencialmente es un microscopio de fuerzas at-micas en las que se emplea la interaccin de una puntamagntica y el campo generado por la imantacin de su-perficie del material. Su resolucin es del orden de 10 nm.Otra microscopa es la de barrido de electrones con anlisisde su polarizacin magntica (SEMPA). El microscopio elec-trnico de barrido hace incidir un haz de electrones enfoca-do sobre la muestra y detecta los electrones dispersados. Laimanacin queda determinada mediante el anlisis de lapolarizacin del espn de los electrones secundarios de lamuestra y su resolucin es de algunas decenas de nm. Estoselectrones tienden a polarizarse con espn antiparalelo alde la imanacin del material observado.La microscopa magntica de campo cercano es una varian-te de un microscopio ptico de campo cercano, con el cualse tiene precisiones superiores al de la longitud de onda dela luz al tomar imgenes a distancias inferiores a esa longi-tud de onda normalmente, se tiene la limitacin en la re-

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solucin espacial debida a efectos de difraccin. Se basaen el efecto Kerr magneto-ptico, por el cual se determinalos cambios de la polarizacin de la luz reflejada por elmedio magntico que se deba estudiar. Suele emplearsecomo tcnica complementaria a la MFM.La holografia electrnica permite resolucin nanomtrica, yse basa en el estudio de la interferencia entre una ondaelectrnica de referencia y la dispersada por el medio mag-ntico. En concreto, se determina el cambio de fase de laonda del electrn al atravesar la muestra.Entre los efectos cunticos mesoscpicos debemos citar elefecto tnel, por el cual se vence la barrera de potencialentre dos estados por efecto cuntico. Este efecto se obser-va mejor a muy bajas temperaturas en las que se puedeobviar la relajacin magntica de origen trmico.El estudio del magnetismo molecular es, por otra parte, degran importancia especialmente a la hora de investigar es-tructuras nanomtricas. Por ejemplo, es el caso de las prote-nas de ferritina tanto naturales como artificiales. Estructurade imanes moleculares se han encontrado en la apoferitina(capa proteica en cuyo interior se acumula un xido de hie-rro de carcter antiferromagntico de modo natural). En elinterior de la apoferritina se pueden introducir xidosferrimagnticos (magnetita o maghemita). Un aspecto im-portante es la posibilidad de contar con molculas magnti-cas (con iones de hierro) aisladas del exterior por ligandosorgnicos. A escala superior, diversas bacterias como lamagnetotactil, ya mencionada antes, representan de hechoimanes que pueden ser observados por tcnicas de MFM.

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3.1. ASPECTOS EN EL DESARROLLOTECNOLGICO

Ante una excitacin de carcter magntico agente quemodifica el estado magntico de un material, bien sea di-rectamente un campo magntico, o bien tensiones mecni-cas, temperatura, etc., todo material responde magnti-camente de forma particularizada. Pues bien, cuando esarespuesta es extrema, consideraremos ese material comocandidato potencial para:1) sustituir a algn otro material tecnolgico que haya

podido quedar obsoleto;2) generar una nueva tecnologa, o bien, y ms

frecuentemente,3) introducir una pequea optimizacin del rendimiento

global incrementando lo que determina algn tipo deinnovacin tecnolgica.

De una forma amplia podramos entender o definir a unmaterial de inters tecnolgico:a) cuando alguna de sus propiedades presenta un carcter

magntico extremo en algn sentido, en cuyo casopodremos hablar incluso de material magnticoavanzado; o bien

3CAPACIDADTECNOLGICADE I+D ENESPAA:SITUACINACTUAL YPERSPECTIVAS








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b) cuando, presentando propiedades magnticas msmodestas aunque suficientemente notables, el conjuntode factores tcnico-econmicos complementarios leconvierte en atractivo desde un punto de vista tecnolgico-comercial.

Teniendo en cuenta estos dos aspectos, podramos distin-guir los siguientes pasos y factores relacionados con el de-sarrollo, innovacin y aplicacin de un material magnticotecnolgico:1) Existencia misma del material tecnolgico. Este primer

punto requerir la potenciacin lo suficientemente notablede las diferentes, y con frecuencia numerosas, tcnicasde fabricacin y procesado que permiten obtener unmaterial con propiedades ptimas o al menos notables.

2) Capacidad de deteccin de propiedades magnticasextremas. Es decir, en los arriba mencionados materialesmagnticos avanzados, alguna propiedad puedepresentar un carcter tan sobresaliente que su deteccinrequiere tcnicas novedosas. La potenciacin deldesarrollo de nuevas tecnologas de medicin es, portanto, del mximo inters para el desarrollo de nuevos oinnovadores materiales.

3) Integracin en un engranaje tecnolgico ya existente ogeneracin de tecnologa innovadora. Evidentemente,el distinto grado de integracin en una cadenatecnolgica vendr determinado por el conjunto defactores tcnicos y econmicos que caracterizan a cadamaterial tecnolgico. Lo que es necesario es la existenciade un soporte tecnolgico mnimo para que el materialmagntico pueda rendir unos frutos mnimos aceptables.Hay que potenciar, pues, un ambiente tecnolgicosuficientemente desarrollado, de modo que suponga unpaso ms avanzado al de ser meramente suministradorde productos procesados en otro lugar.

4) Existencia de un beneficio ltimo con la utilizacin






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prctica del material magntico. Es decir, debe existirclaramente un beneficio econmico y/o social mnimoque justifique la potenciacin de los pasos previos.Usualmente, la rentabilidad es proporcionalmente mayorcuando se realiza una planificacin al menos a medioplazo. Esto es consecuencia de la consolidacin de unalnea de trabajo que permite tener en cuenta los distintospasos antes mencionados.

En definitiva, todos estos factores para el descubrimientofinal y utilizacin de un material tecnolgico sobresaliente oinnovador pueden requerir en determinados momentos unacomponente de originalidad notable. Esta componente noobstante surge una vez que exista:a) personal diferenciado con cualificacin cientfico-

tecnolgico-profesional que pueda desarrollar su laborcontinuadamente, y

b) un entramado tecnolgico-industrial suficientementedenso.

Ambos aspectos estn ntimamente relacionados y es difcilentender el desarrollo de uno sin el otro. Su potenciacinmutua requiere amplitud de miras, confianza mutua y gene-rosidad por las partes cientfica, econmico-industrial, e in-cluso de visin y planificacin poltica. Este tipo de plantea-mientos de fondo debieran ser tratados probablemente enmayor profundidad en otros foros.

3.2. PANORAMA CIENTFICO-TECNOLGICOACTUAL

Existe una cierta convencin en Espaa segn la cual laactividad de investigacin cientfica, si bien puede tener uncierto inters intrnseco, nunca ha estado ni imbricada en lasociedad en su conjunto, ni ha sido reconocida sino comoalgo poco ms que la actividad de "sabios distrados". Es

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un hecho que tradicionalmente la actividad investigadorade la Universidad, el CSIC, y otros organismos de investiga-cin se ha centrado en aspectos bsicos, o incluso pura-mente organizativos o directivos en perjuicio de los aspec-tos estrictamente tecnolgicos. Este hecho experimental seest modificando en los ltimos aos, quizs un par de de-cenios, hacia una tendencia de promocin de estudios tec-nolgicos aplicados. Esto se puede entender como conse-cuencia probablemente de la propia transformacin en lasociedad espaola en su conjunto hacia una mayor conexincon pases vecinos europeos en donde existe una superiorexperiencia tecnolgica.Para poder analizar en cierto detalle el panorama cientficotecnolgico del magnetismo espaol actual, veamos en pri-mer lugar cul es el panorama internacional. Para ello, seha realizado un estudio acerca de cules son los temas deactualidad en materiales magnticos y su distribucin porpases. Se han contabilizado las comunicaciones cientfico-tecnolgicas presentadas en algunos de los congresos inter-nacionales sobre temas de magnetismo y materiales magn-ticos de mayor prestigio, como son: International Conferenceon Magnetism (ICM), INTERMAG, European MagneticMaterials and Applications Conference (EMMA) y AnnualConferences on Magnetism and Magnetic Materials (MMM,en USA); asimismo, se han considerado las comunicacionespresentadas en el volumen especial nmero 200 de la revis-ta J.Magn.Magn.Mat. Este estudio se ha realizado en elperiodo entre 1990 y 1999 y comprende un total de msde cinco mil trabajos presentados.En la figura 14 se ha representado la distribucin por paseso, mejor, por zonas de influencia, del porcentaje total detrabajos. En cada trabajo considerado, se ha tomado el pasal que pertenece el laboratorio del primer autor. Como sepuede observar Estados Unidos y Canad (Am), y Japn(Jp), por s solos aportan un nmero de contribuciones quesumadas es superior al 50%. Esto es un claro ndice de lapotencia investigadora de estos pases en prcticamente

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todos los aspectos relacionados con el magnetismo. Europa(EU, entendiendo por tal a los pases de la Comunidad Euro-pea junto con el resto de pases del antiguo bloque occiden-tal) suma un porcentaje (28,3%) del mismo orden al de losgrupos anteriores. Dentro de estos pases las aportacionesms notables son las de Alemania, Reino Unido y Francia,con porcentajes del 7, 6 y 5%, respectivamente. En el casode Espaa, su aportacin es aproximadamente del 2%, loque corresponde aproximadamente al 8% de la europea. Elresto de pases europeos (Ru, entendiendo por tales Rusia yel conjunto de pases de in

materiales magneticos cotec

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