trabajo fisica electrica
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Propiedades magnéticas de los materiales
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2010
Propiedades Magnéticas De La Materia
Lic. Darío Castro Castro
Eynmar López
Carlos Quiroz
Trabajo Sobre Propiedades Magnéticas De La Materia
Diamagnetismo, Paramagnetismo, Ferromagnetismo
Y Anti-Ferromagnetismo.
Universidad del norte
Dpto. De Física
Física eléctrica
Barranquilla
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Propiedades magnéticas de los materiales
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Contenido
Introducción……………………………………………………………………. 2
Objetivo General……………………………………………………………….. 3
Objetivos Específicos…………………………………………………………… 3
Diamagnetismo…………………………………………………………………. 4
Ferromagnetismo……………………………………………………………….. 8
Anti-ferromagnetismo………………………………………………………….. 10
Paramagnetismo………………………………………………………………… 11
Conclusión……………………………………………………………………… 13
Bibliografía……………………………………………………………………… 14
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Introducción
La materia posee muchas características, que diferencian un material de otro, entre estas
características se encuentran las propiedades magnéticas de los materiales, que los
distinguen como por ejemplo las limaduras de hierro y el aserrín, cuando se mezclan
ambas sustancias y se exponen a un campo magnético producido por un imán se nota que
las limaduras de hierro son fuertemente atraídos por este. Por el contrario, el aserrín tiene
una interacción mucho más débil con el campo magnético del imán, provocando que el
hierro se separe de las partículas de madera. Hasta ahora hemos estudiado del magnetismo
relacionándolo principalmente con las corrientes eléctricas, las propiedades magnéticas de
la materia también se describen en términos de corrientes. El campo magnético generado
por una corriente en una bobina de alambre nos proporciona una pista acerca de lo que
causa que ciertos materiales muestren fuertes propiedades magnéticas, en ellos las
corrientes debidas a los movimientos de los electrones a escala atómica son la causa de sus
propiedades magnéticas. El efecto de esas corrientes microscópicas en diferentes materiales
da lugar a las diferentes interacciones. De esta forma, la descripción de los fenómenos
magnéticos también expresa, en última instancia, en términos de corrientes. Los campos
creados por los materiales magnéticos surgen de dos fuentes atómicas: los momentos
angulares orbitales y de espín de los electrones, que al estar en movimiento continuo en el
material experimentas fuerzas ante un campo magnético aplicado. Por lo tanto, las
características magnéticas de un material pueden cambiar por aleación con otros elementos,
donde se modifican por las interacciones atómicas. Todo material está compuesto por
átomos que contienen electrones móviles. Un campo magnético aplicado actúa siempre
sobre los electrones considerados individualmente. Esto da origen al efecto universal
llamado diamagnetismo. Este es un efecto clásico y depende so lamente del movimiento de
los electrones A nivel atómico, la superposición de los momentos magnéticos (orbital,
debido al movimiento del electrón alrededor del núcleo, e intrínseco o de espín) aportados
por los electrones al átomo o molécula del cual forman parte da un momento magnético
resultante o neto al átomo o molécula. Cuando hay un momento neto atómico o molecular
los momentos magnéticos tienden a alinearse con el campo aplicado (o con los campos
creados por momentos magnéticos vecinos), dado lugar al efecto del paramagnetismo.
Simultáneamente, la energía térmica omnipresente tiende a orientar al azar a los momentos
magnéticos, de manera que la intensidad relativa de todos estos efectos determinará en
definitiva el comportamiento del material. Tanto para los materiales paramagnéticos como
para los materiales diamagnéticos la magnetización resulta distinta de cero únicamente en
presencia de un campo magnético externo, y ni se anula el campo magnético la
magnetización también se anula. Existen algunas sustancias para las cuales la
magnetización permanece después de retirar el campo magnético; estos son los materiales
ferromagnéticos, por otra parte el anti-ferromagnetismo es el ordenamiento magnético de
todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección pero en sentido
inverso (por pares, por ejemplo, o una subred frente a otra). La interacción anti-
ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan
a disponerse en la misma dirección y en sentido inverso, cancelándolos si tienen el mismo
valor absoluto, o reduciéndolos si son distintos. Ha de extenderse por todo un sólido para
alcanzar el anti-ferromagnetismo.
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Objetivo General
Analizar las principales propiedades magnéticas de los materiales, con el
propósito de afianzar los conocimientos hacia el área de la física.
Objetivos Específicos
Explicar cómo se produce el diamagnetismo y como es su funcionamiento
para observar cómo se aplican físicamente en diferentes aplicaciones.
Ilustrar de manera física el efecto del diamagnetismo para ver su
interacción en un campo magnético.
Mostrar las principales características de los materiales paramagnéticos,
ferromagnéticos y anti-ferromagnéticos para observar cómo funcionan y
cómo actúan frente a un imán.
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Diamagnetismo
En electromagnetismo, el diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste
en ser repelidos por los imanes. Es lo inverso a los materiales ferromagnéticos los cuales
son atraídos por los imanes (por sus propiedades). El fenómeno del diamagnetismo fue
descubierto por el físico y químico británico Michael Faraday quien observo como un trozo
de bismuto era repelido por un polo cualquiera del imán; lo que indica que el campo
externo del imán induce un dipolo magnético en el bismuto de sentido opuesto.
Además, se puede explicar el diamagnetismo como una propiedad de la materia que surge
al aplicar la ley de Lenz a escala atómica. Según la teoría electromagnética, siempre que
varia el flujo magnético se genera corriente inducida y según la ley de Lenz “El sentido de
las corrientes inducidas es tal que con sus acciones electromagnética tienden a oponerse a la
causa que las produce”. Todos los átomos contienen electrones que se mueven libremente y
cuando se aplica un campo exterior se induce corriente superpuesta cuyo efecto magnético
es opuesto al campo aplicado. .
Otra idea propuesta para la definición del diamagnetismo informa que se puede determinar
cuando un material es diamagnético o no dependiendo de la configuración electrónica de
los átomos o de los sistemas moleculares. De tal forma, el comportamiento diamagnético lo
presentan sistemas moleculares que contengan todos sus electrones apareados y los
sistemas atómicos o iónicos que contengan orbitales completamente llenos. Es decir que los
espines de los electrones del último nivel se encontrarán apareados.
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Materiales Diamagnéticos.
Las sustancias, en su mayoría, presentan propiedades dieléctricas, puesto que todos sus
pares de electrones con espín opuesto contribuyen débilmente al diamagnetismo, y en
ciertos casos donde hay electrones desparejados existe una contribución paramagnética (o
compleja) en sentido contrario.
Ejemplos de sustancias diamagnéticas
Bismuto Dióxido de Carbono
Cobre Agua
Diamante Plomo
Oro Hidrógeno
Mercurio Benceno
Plata Naftaleno
Sodio
Valores Típicos
Material 105Xm Material 10
5Xm
Bismuto -16.6 Mercurio -2.9
Plata -2.6 Carbono (Diamante) -2.1
Carbono (grafito) -1.6 Plomo -1.8
Cloruro Sódico -1.4 Cobre -1.0
Agua -0.91 CO2 -0.0012
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Aplicación Diamagnética, Levitación.
Es bien sabido que aunque existen diversos tipos de levitaciones, solo nos enfocaremos en
lo que es la levitación magnética. Cuando se coloca una partícula diamagnética en el seno
de un campo magnético aparece una magnetización en sentido opuesto al campo magnético
H. Puesto que la susceptibilidad de un diamagnético es negativa, pero nunca supera el
valor-1 (La permeabilidad siempre es positiva), la emanación también se va en sentido
opuesto al campo magnético B:
M=XmH=𝑋𝑚
µ𝑜(1+𝑋𝑚 )𝐵
En los materiales Diamagnéticos se produce una repulsión hacia los imanes.
(Ejemplo)
Supongamos una partícula diamagnética situada encima del polo norte de un imán (o una
bobina). El campo H aplicado va hacia arriba, por el momento dipolar m de la partícula va
hacia abajo. Al enfrentarse los polos, la partícula se ve repelida. Lo mismo si es un polo
sur.
Aplicando campos muy intensos puede hacerse levitar objetos que tengan una
concentración muy alta de agua, como una pequeña rana.
Matemáticamente, el dipolo magnético inducido en al partícula será de la forma
M=αB
Con α una constante de proporcionalidad, negativa en este caso (en el cado particular de
una partícula esférica su valor es α=3Xmτ/(µo(3 + Xm)). La fuerza sobre esta partícula
será:
Con ayuda del cálculo vectorial esta fuerza se puede escribir
(Obsérvese que en este caso, la energía potencia no coincide con la energía de un dipolo
fijo en un campo externo). La fuerza impulsada al dipolo en la dirección de la mínima
energía potencial. Teniendo en cuenta que α es negativo, esta energía se puede escribir
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U= 𝛼
2 𝐵2
Que nos dice que la energía será mínima cuando lo sea le modulo del campo magnético. En
términos Físicos, una partícula diamagnética tiende a moverse hacia donde el campo es mas
débil.
Se le denomina un diamagnetismo perfecto a un Superconductor.
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Ferromagnetismo
En los materiales ferro-magnéticos un campo magnético externo produce una alineación de
los momentos dipolares magnéticos que puede persistir aunque no haya campo magnético
externo. La causa es debida a la fuerte interacción entre momentos dipolares magnéticos de
átomos vecinos, llegando a crear grandes regiones de tamaño microscópico llamados
dominios magnéticos. Estos dominios magnéticos pueden crecer de tamaño cuando el
campo magnético externo aumenta, y aunque este desaparezca, los dominios magnéticos
persisten. El ciclo completo de magnetización de un material ferro-magnético se le
denomina ciclo de histéresis. ¿Qué es el ciclo de histéresis? Cuando un material ferro-
magnético se le aplica un campo magnético creciente Bap su imantación crece desde 0 hasta
la saturación Ms’ ya que todos los dominios magnéticos están alineados. Así se obtiene la
curva de primera imantación. Posteriormente si Bap se hace decrecer gradualmente hasta
anularlo, la imantación no decrece del mismo modo, ya que la reorientación de los
dominios no es completamente reversible, quedando una imantación remanente MR: el
material se ha convertido en un imán permanente. Si invertimos Bap, conseguiremos anular
la imantación con un campo magnético coercitivo Bc. El resto del ciclo se consigue
aumentando de nuevo el campo magnético aplicado. Este efecto de no reversibilidad se
denomina ciclo de histéresis.
Observaciones experimentales
Las principales observaciones experimentales asociadas a los materiales ferro-magnéticos
son las siguientes:
En los materiales ferromagnéticos se observa una imanacion espontanea Ms en
ausencia de un campo magnético externo.
La imanacion espontanea varía con la temperatura alcanzando un máximo para T=0
K y presentando una disminución continua al aumentar la temperatura hasta caer a 0
para una temperatura Tc denominada temperatura de Curie ferro-magnética
(definido cuando un cuerpo ferro-magnético pierde su magnetismo, comportándose
como un material puramente paramagnético).
Para T>Tc el material experimenta una transición de fase ferro-magnética
paramagnética con una susceptibilidad en la fase paramagnética dada por la relación
X= 𝐶
(𝑇−𝑇𝑐)
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Modificación de la ley de Curie para materiales paramagnéticos en la cual X
no esta definida para T<Tc donde el material presenta imanacion espontanea.
Un material ferro-magnético no tiene una imanacion espontanea en la misma
dirección a lao largo de todo su volumen sino que presenta regiones mas
pequeñas de imanacion de dirección uniforme llamadas dominios
magnéticos con orientación al azar unas respecto a otras.
Los únicos elementos ferro-magnéticos son: hierro (Fe), cobalto (Co),
Níquel (Ni), gadolinio (Gd) y disprosio (Dy).
Aplicaciones Ferro-magnéticas
Los materiales magnéticos tienen una gran cantidad de aplicaciones, por ejemplo en los
circuitos eléctricos, en los transformadores, motores eléctricos etc. Como soporte para
grabar o guardar todo tipo de información, cintas de un magnetófono o de un
magnetoscopio (video), la tecnología de disco magnético (discos duros) y muchos
dispositivos usados en la tecnología de computadoras.
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Anti-ferromagnetismo
El anti ferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos lo momentos magnéticos
de una muestra, en la misma dirección pero en sentido inverso (por pares, por ejemplo, o
una subred frente a otra). Un antiferromagneto es el material que puede presentar anti
ferromagnetismo. La interacción antiferromagnetica es la interacción reduciéndolos si son
distintos. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el anti ferromagnetismo.
Generalmente, los antiferromagnetos están divididos en dominios magnéticos. En cada uno
de estos dominios, todos los momentos magnéticos están alineados. En las fronteras entre
dominios hay cierta energía potencial, pero la información de dominios esta compensada
por la ganancia en entropía.
Al someter un material ferro magnético a un campo magnético intenso, algunos de los
momentos magnéticos se alienan paralelamente con el, aun a costa de alinearse también
paralelo a sus vecinos.
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Paramagnetismo
El paramagnetismo es una forma de magnetismo que aparece solo 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 calienta el material, la
agitación térmica contrarresta el efecto del campo magnético, es decir, los momentos
magnéticos tienden a orientarse caóticamente.
El origen de dichos dipolos o momentos magnéticos reside en el momento debido al giro de
los electrones desapareados de la capa de valencia.
Características
Lo descrito anteriormente implica que los materiales paramagnéticos poseen las siguientes
características, que los diferencian de otras clases de materiales magnéticos:
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 vacio (µo); es decir
mayor que la unidad
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A temperatura ambiente, y en ausencia de campo, no son magnéticos.
Esto provoca que solo una pequeña fracción de los dipolos que componen el material se
oriente con el campo magnético, y dicha 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:
𝑀 = 𝑋 ∙ 𝐻 = 𝐶 ∙𝐻
𝑇
Donde:
X = Susceptibilidad magnética relativa = 1+Xm
C = Constante de Curie
T = Temperatura (K)
Podemos observar según la Ley de Curie como la susceptibilidad magnética, y en
consecuencia, la ordenación de los dipolos magnéticos del material es inversamente
proporcional a la temperatura.
Aplicaciones Industriales
El hecho de que los materiales paramagnéticos se comporten en presencia de campos
magnéticos de forma similar a la del vacío, limita mucho sus aplicaciones industriales.
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.
La resonancia paramagnética electrónica es una técnica espectroscópica que permite
detectar especies con electrones no apareados. Ello la ha convertido en la técnica preferida
para el estudio de los iones metálicos y sus propiedades, así como para el estudio de las
reacciones de radicales libres. Algunas de las áreas donde se emplea esta técnica son:
fermentaciones, producción industrial de polímeros, desgaste de aceite de motor,
producción de cerveza y la predicción del tiempo de vida de alimentos en el anaquel.
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Conclusión
En el anterior trabajo de investigación se analizo las principales propiedades magnéticas de
los materiales, con el propósito de afianzar los conocimientos hacia el área de la física.
Además se explico cómo se produce el diamagnetismo y como es su funcionamiento para
observar cómo se aplican físicamente en diferentes aplicaciones y se ilustro de manera
física el efecto del diamagnetismo para ver su interacción en un campo magnético. Por otra
parte se mostraron las principales características de los materiales paramagnéticos, ferro-
magnéticos y anti-ferromagnéticos para observar cómo funcionan y cómo actúan frente a
un imán.
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Bibliografía
http://www.youtube.com/watch?v=L7BA6RJ7yF4
http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura_de_Curie
http://www1.ceit.es/asignaturas/PFM_Mat/Prog/Ferrom.pdf
http://personales.upv.es/jquiles/prffi/magnetismo/ayuda/hlpferromagnetismo.htm
http://personales.upv.es/jquiles/prffi/magnetismo/ayuda/hlphisteresis.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Antiferromagnetismo
http://en.wikipedia.org/wiki/Paramagnetism
http://www.construnario.com/diccionario/central.asp?susc=26138&leng=&pag=1
http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_paramagnetic_resonance
http://quimica.webcom.com.mx/cont_espe2.php?id_rubrique=83&id_article=337&color=9
92113&rub2=262
http://www.upv.es/materiales/Fcm/Pdf/Practicas/fcm10trb.pdf
http://www.educa.madrid.org/web/ies.cervantes.madrid/Departamentos_archivos/dept_fq_archi
vos/Fisica2BAC/magnetismo/Materiales_ferromagneticos3.pdf