Marzo 4, 2010 Código: 1676 Laboratorio de Física Electricidad
Paula Cuecha Fernández
Wilmer García Pérez
Email: pcuecha@uninorte.edu.co
Email: wilmerg@uninorte.edu.co
Ingeniería Industrial
Ingeniería Electrónica
Carlos Otero Palencia
Omar Reales Arrieta
Email: cjotero@uninorte.edu.co
Email: oreales@uninorte.edu.co
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 2
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/088/html/sec_11.html 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.
Figura 1. Disposición de los momentos magnéticos en un material paramagnético
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 (µ 0); es decir mayor que la unidad. A temperatura ambiente, y en ausencia de campo, no son magnéticos.
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.
Figura 4. Disposición de los momentos magnéticos en un material antiferromagnético
Compuesto CoCl2 CoF2 CoO Cr Cr2O3 FeCl2 FeF2
TN 25 38 291 475 307 70 79-90
Tabla 2. Tabla de temperaturas de Neel para algunas sustancias
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
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:
Figura 5. Efecto Magnetocalórico en un material Blando
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
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