propiedad magneticas
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ferromagneticos, paramagneticos, diamagneticos, antiferromagneticosTRANSCRIPT
Marzo 4, 2010
Código: 1676
Laboratorio de Física Electricidad
Paula Cuecha Fernández Wilmer García Pérez
Email: [email protected] Email: [email protected]
Ingeniería Industrial Ingeniería Electrónica
Carlos Otero Palencia Omar Reales Arrieta
Email: [email protected] Email: [email protected]
Ingeniería Industrial Ingeniería Industrial
ABSTRACT
Different magnetic materials properties vary with respect to a variable, the ability of the material to
align their dipoles or domains in the direction of an externally applied magnetic field.
Most of the material contains only a weak response to an externally applied magnetic field. If the field
within the material is greater than the applied field, are called paramagnetic, which present a
moderate magnetic properties, and if the internal field is smaller than the outside are called
diamagnetic which have minimal responses to external stimuli applied magnetic fields.
Mainly ferromagnetic materials iron, cobalt, nickel and its alloys show a strong response to applied
fields, and may form permanent magnets behave this way only under certain temperature called the
Curie temperature, about her behavior is paramagnetic. In antiferromagnetic materials, the
interactions between the spins tend to align antiparallel. As a result, low temperatures and in the
absence of an external magnetic field, there will be a unique configuration of minimum energy.
RESUMEN
Los diferentes materiales magnéticos varían sus propiedades con respecto a una variable; la
capacidad que tiene el material en alinear sus dipolos o dominios en dirección hacia un campo
magnético aplicado externamente.
La mayoría de los materiales solo presenta una débil respuesta hacia un campo magnético aplicado
externamente. Si el campo dentro del material es mayor que el campo aplicado, se llaman
Paramagnéticos, los cuales presentan unas propiedades magnéticas moderadas, y si el campo
interno es menor que el externo se llaman Diamagnéticos los cuales tienen respuestas mínimas a
estímulos magnéticos de campos externos aplicados. Los materiales Ferromagnéticos
principalmente hierro, cobalto, níquel y sus aleaciones muestran una fuerte respuesta hacia los
campos aplicados, y pueden formar imanes permanentes, se comportan de esta manera solo por
debajo de cierta temperatura llamada temperatura de Curie, sobre ella su comportamiento es
paramagnético. En materiales antiferromágneticos, las interacciones entre los espines tienden a
alinearlos antiparalelamente. Como resultado, a bajas temperaturas y en ausencia de un campo
magnético externo, habrá una configuración única mínima de energía.
1. INTRODUCCIÓN
Individualmente en cada átomo, el movimiento de los electrones forma una corriente que puede
producir un campo magnético. El comportamiento de los atamos se apega a los principios de la
mecánica cuántica, de modo que los modelos clásicos del magnetismo tienen aplicación y
exactitud limitadas. Sin embargo, podemos obtener una descripción cualitativa razonable
partiendo de principios clásicos.
La mayoría de los materiales solo presenta una débil respuesta hacia un campo magnético
aplicado externamente. Si el campo dentro del material es mayor que el campo aplicado, se
llaman Paramagnéticos, y si el campo interno es menor que el externo se llaman Diamagnéticos.
Los materiales Paramagnéticos muestran unas regiones de atracción débil hacia regiones de
campo magnético intensos, mientras que los Diamagnéticos son repelidos. Los materiales
Ferromagnéticos principalmente hierro, cobalto, níquel y sus aleaciones muestran una fuerte
respuesta hacia los campos aplicados, y pueden formar imanes permanentes.
2. MARCO TEÓRICO
Materiales Magnéticos:
En algunos materiales se observa que sus átomos o iones, se comportan como pequeños
imanes que interactúan entre si (llamados espines magnéticos o simplemente espines),
estos materiales son los conocidos como magnéticos. Asimismo, estos átomos tienen un
momento magnético diferente de cero, caracterizado por su magnitud y dirección.
No todos los materiales magnéticos se comportan de la misma manera, pues sus
propiedades magnéticas dependen de dos factores:
1. La magnitud de sus espines individuales.
2. La orientación relativa de éstos. La orientación que tomará cada uno de ellos
dependerá del balance de varios factores que pueden resumirse en factores internos y
externos.
Consideraremos factores internos, los que dependen de las características intrínsecas de
cada material, esto es, del tipo de interacciones entre los espines; los factores externos, son
los que están relacionados con el ambiente, es decir, que dependen de la interacción del
sistema con sus alrededores.
Un ejemplo típico de un material magnético, que todos conocemos, es el de los imanes
permanentes. En este caso, una gran parte de los espines está alineada permanentemente
en la misma dirección relativa. Y aunque el campo producido por cada uno estos espines es
muy pequeño, al sumarse sus contribuciones individuales se produce un campo magnético
que puede observarse macroscópicamente1.
Ahora, de acuerdo a sus propiedades, los materiales magnéticos se clasifican como sigue:
Diamagnéticos
Son aquellos materiales en los que sus átomos no tienen momento magnético
resultante, debido a esto no pueden interactuar magnéticamente con otros materiales.
“Es decir rechazan débilmente a un imán fuerte. El bismuto (Bi) y los carbones grafíticos
son ejemplos de materiales diamagnéticos fuertes. Otros materiales diamagnéticos más
débiles son el agua, el diamante y los tejidos vivos. Debido a esta propiedad los
materiales diamagnéticos son susceptibles de ser usados en lo que se denomina
levitación magnética, en la que objetos hechos de estos materiales pueden llegar a flotar
sobre un imán fuerte”2.
Paramagnéticos
El paramagnetismo es una forma de magnetismo que aparece sólo con la aplicación de
un campo magnético. En ausencia de un campo magnético externo, los dipolos
magnéticos que componen el material están orientados al azar, pero cuando aplicamos
un campo magnético al material, dichos dipolos tienden a alinearse en la dirección del
campo magnético. Esta alineación se ve afectada por la temperatura, de forma que si se
1 http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/088/html/sec_11.html
2 http://repelencia.obolog.com/aislantes-magneticos-grafito-pirolitico-304019
calienta el material, la agitación térmica contrarresta el efecto del campo magnético, es
decir, los momentos magnéticos tienden a orientarse caóticamente.
Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los
imanes normales, cuando están sujetos a un campo magnético. Sin embargo, al retirar
el campo magnético, la entropía destruye el alineamiento magnético, que ya no está
favorecido energéticamente. Es decir, los materiales paramagnéticos son materiales
atraídos por imanes, pero no se convierten en materiales permanentemente
magnetizados. Algunos materiales paramagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio
y wolframio.
Características Poseen una susceptibilidad magnética Xm aproximadamente cero (del orden
de 10−3 a 10−5), pero positiva.
Su permeabilidad magnética µ es ligeramente superior a la del vacío (µ0);
es decir mayor que la unidad.
A temperatura ambiente, y en ausencia de campo, no son magnéticos.
Figura 1. Disposición de los momentos magnéticos en un
material paramagnético
Figura 2. Permeabilidad magnética de los distintos materiales
en relación a la del vacío
Esto provoca que solo una pequeña fracción de los dipolos que componen el material se
oriente con el campo magnético, y dicha fracción será proporcional a la fuerza de dicho
campo, esto es, la magnetización del material es directamente proporcional a la
intensidad de campo magnético según la Ley de Curie:
Donde:
M es la magnetización resultante B es la densidad de flujo magnético del campo aplicado T es la temperatura absoluta (en Kelvin) C es una constante específica de cada material (su constante de Curie)
Esta ley indica que los materiales paramagnéticos tienden a volverse cada vez más
magnéticos al aumentar el campo aplicado, y cada vez menos magnéticos al elevarse la
temperatura.
La ley de Curie sólo es aplicable a campos bajos o temperaturas elevadas, ya que falla
en la descripción del fenómeno cuando la mayoría de los momentos magnéticos se
hallan alineados (cuando nos acercamos a la saturación magnética). En este punto, la
respuesta del campo magnético al campo aplicado deja de ser lineal. Llegado al punto
de saturación, la magnetización es la máxima posible, y no crece más,
independientemente de que se aumente el campo magnético o se reduzca la
temperatura.
Usos: Una de las aplicaciones más importantes del paramagnetismo la encontramos en la
Resonancia Paramagnética Electrónica (RPE), de gran aplicación en distintos campos
de la física y la química, e incluso la arqueología.
Ferromagnéticos
En los materiales ferromagnéticos se causa un alineamiento de los dipolos atómicos
entre sí, aun en ausencia de un campo externo, es una interacción mecánico cuántica
entre los electrones de átamos vecinos. Debajo de cierta temperatura, que se llama
Temperatura de Curie (ver tabla adjunta), la tendencia a alinearse supera a la
aleatorización termina y el material se congela espontáneamente formando dominios, en
los que los dipolos atómicos tienen la misma dirección. La formación de dominios se
asemeja al crecimiento de cristales de hielo cuando el agua se congela.
Cuando se aplica un campo externo a un material ferromagnetico, este se magnetiza
fuertemente en un campo aplicado débil, los dominios cuya magnetización es paralela al
campo aplicado crecen a expensas de los dominios vecinos. Un campo aplicado intenso
hace que la dirección de magnetización de cada dominio gire hacia el campo aplicado
En algunos materiales ferromagnéticos, en especial en aleaciones como hierro neodimio
y alnico (aleación de níquel, cobalto, aluminio y cobre) los dominios permanecen
alineados cuando el campo aplicado cesa, formándose un imán permanente. Se dice
que esos materiales son magnéticamente duros, los materiales suaves, como las ferritas
(óxidos de hierro combinados con hierro, nique o cobalto), los dominios no permanecen
alineados al cesar el campo magnético. El hierro puro es magnéticamente suave.
Figura 3. Dominios en un material Ferromagnéticos, en la imagen de la izquierda se observan los dominios orientados aleatoriamente pero con los dipolos orientados en la misa dirección en cada dominio, cuando se expone el material a un campo (centro) magnético externo comienza una orientación de los dominios hacia el campo magnético externo luego todos los dominios están orientados hacia la misma dirección, que es la que orientada por el campo magnético aplicado, se ven los dipolos como si estuvieran en un solo dominio (imagen de la derecha).
Tabla 1. Tabla de temperaturas de Curie para algunas sustancias
Antiferromagnéticos
En estos materiales, las interacciones entre los espines tienden a alinearlos
antiparalelamente. Como resultado, a bajas temperaturas y en ausencia de un campo
magnético externo, habrá una configuración única mínima de energía. En este estado
del sistema, todos los espines apuntan alternadamente hacia arriba y hacia abajo, y el
material no exhibe magnetismo a nivel macroscópico, esto es lo que se conoce como
antiferromagnetismo. Los elementos Manganeso y Cromo en el estado sólido a
temperatura ambiente, manifiestan antiferromagnetismo.
Por encima de una temperatura crítica, llamada Temperatura de Neel, un material
antiferromagnético se vuelve paramagnético.
3. APLICACIÓN
Refrigeración Magnética
Gracias al Efecto Magnetocalórico que sufren algunos materiales blandos al estar expuestos a
un campo magnético externo, con el que la entropía del material tiende a disminuir; esto es, si el
material no puede intercambiar calor con el medio ambiente, la entropía debe permanecer
constante, y como resultado se observa un calentamiento del mismo. Al retirar el material del
campo se desmagnetiza. Esto ocurre porque la energía térmica tiende a desordenar la
Compuesto TN
CoCl2 25
CoF2 38
CoO 291
Cr 475
Cr2O3 307
FeCl2 70
FeF2 79-90
Tabla 2. Tabla de temperaturas de Neel para algunas sustancias
Figura 4. Disposición de los momentos magnéticos en un
material antiferromagnético
orientación de los espines. Este desorden tiende a aumentar la entropía y en una evolución
adiabática debe disminuir la temperatura del material.
Un cambio reversible de temperatura debido al cambio adiabático del campo magnético aplicado
está asociado al cambio de la magnetización de la muestra con la temperatura a través de un
factor proporcional a la temperatura e inversamente proporcional al calor específico del material
a H constante:
Este efecto fue descubierto en 1881 por Warburg y explicado teóricamente en 1918 por
Weiss y Piccard. Se ha usado en laboratorio a partir de la década de 1920. La refrigeración
magnética es una tecnología que produce poco impacto ambiental. No usa compuestos
químicos que ataquen la capa de ozono, ni otros compuestos peligrosos, ni gases de
invernadero.
Otra importante diferencia entre los ciclos comunes de refrigeración y la refrigeración
magnética es la eficiencia del ciclo. En el caso de los ciclos usuales que usan gas
comprimido la eficiencia es aproximadamente del 40%, mientras que se ha demostrado que
Figura 5. Efecto Magnetocalórico en un material Blando
la eficiencia de ciclos que usan Gd (gadolinio) como material magnético llega al 60%. Se
estima que el uso de refrigeradores magnéticos reducirá el consumo de combustibles fósiles,
lo que contribuirá a reducir la liberación de dióxido de carbono a la atmósfera.
4. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SMITH, William; HASHEMI, Javad. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de
materiales. Cuarta Edición. McGraw Hill. Págs. 894-899.
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/088/html/sec_11.html
http://repelencia.obolog.com/aislantes-magneticos-grafito-pirolitico-304019
http://materias.fi.uba.ar/6209/download/4-Materiales%20Magneticos.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Paramagnetismo
http://es.wikipedia.org/wiki/Paramagnetismo