Magnetismo
espero que les sea util
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Tema 21<br />
Propiedades magnéticas de los materiales.<br />
El magnetismo es el fenómeno por medio del cual los materiales ejercen fuerzas de<br />
atracción o de repulsión sobre otros materiales.<br />
Muchos de los aparatos modernos dependen del magnetismo y de materiales<br />
magnéticos, generadores eléctricos, transformadores, radios, TV, teléfonos, etc.<br />
Las fuerzas magnéticas se generan cuando se mueven partículas cargadas<br />
eléctricamente.<br />
Partícula cargada<br />
Campo magnético<br />
Campo magnético generado por un anillo de corriente<br />
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Campo magnético generado por un imán<br />
Las propiedades magnéticas macroscópicas de los materiales son producto de los<br />
momentos magnéticos asociados con los electrones individuales.<br />
Momento magnético causado por la rotación del<br />
electrón<br />
núcleo<br />
electrón<br />
Cuando el electrón gira alrededor del núcleo, se convierte en una carga eléctrica en<br />
movimiento, por lo que se genera un momento magnético<br />
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electrón<br />
rotación<br />
Momento magnético causado por la<br />
rotación del electrón<br />
Cada electrón gira alrededor de si mismo creando un momento magnético.<br />
El momento magnético neto de un átomo es la suma de los momentos magnéticos<br />
generados por los electrones. Si incluyen los momentos orbitales, de rotación, y el<br />
hecho que los momentos pueden cancelarse.<br />
En los átomos donde los niveles de energía de los electrones están completamente<br />
llenos, todos los momentos se cancelan. Estos materiales no pueden ser magnetizados<br />
permanentemente. (Gases inertes y algunos materiales iónicos)<br />
Tipos de magnetismo<br />
Diamagnetismo<br />
Es una forma muy débil de magnetismo, la cual es no-permanente y persiste no<br />
solamente cuando se aplica un campo externo.<br />
Es inducido por un cambio en el movimiento orbital de los electrones, debido al campo<br />
magnético aplicado.<br />
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H = 0<br />
H<br />
Cuando no hay un campo externo, no existen<br />
dipolos<br />
Cuando se aplica un campo externo, se<br />
inducen dipolos los cuales se alinean en<br />
dirección opuesta al campo externo.<br />
El diamagnetismo se encuentra en todos los materiales, pero debido a que es muy<br />
débil, sólo puede ser observado cuando otros tipos de magnetismo están ausentes.<br />
Esta forma se magnetismo no tiene uso práctico.<br />
Paramagnetismo<br />
Para algunos materiales sólidos, cada átomo posee un dipolo permanente debido a la<br />
cancelación incompleta de los momentos causados por la rotación del electrón y la<br />
órbita del electrón.<br />
Cuando no existe un campo magnético externo, las orientaciones de los momentos<br />
magnético externo, las orientaciones de los momentos magnéticos de los átomos son<br />
aleatorias, y el material no posee magnetismo macroscópico neto.<br />
Los dipolos atómicos pueden rotar libremente, y el paramagnetismo resulta cuando los<br />
dipolos se alinean, por rotación, con un campo externo.<br />
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H = 0<br />
H<br />
Cuando los dipolos se alinean,<br />
amplifican el campo externo. Los<br />
dipolos no interactúan entre ellos.<br />
Los materiales diamagnéticos y para magnéticos se consideran materiales nomagnéticos,<br />
porque solamente presentan magnetismo en presencia de un campo<br />
externo.<br />
Ferromagnetismo<br />
Ciertos metales poseen un momento magnético en la ausencia de un campo externo, y<br />
muestran magnetismo macroscópico muy grande y permanente. Estas son las<br />
características del ferromagnetismo, y son mostrados por el hierro BCC (ferrita),<br />
cobalto, níquel y algunos metales de las tierras raras.<br />
El momento magnético permanente en los materiales ferromagnéticos resultan de los<br />
momentos causados por la rotación (spin) de los electrones, los cuales no se cancelan<br />
a causa de la estructura electrónica.<br />
En los materiales ferromagnéticos, los momentos de los átomos adyacentes hacen que<br />
éstos se alineen aun en la ausencia de un campo externo.<br />
H = 0<br />
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El origen de estas fuerzas de acoplamiento no se comprende muy bien, pero se supone<br />
que son causadas por la estructura electrónica del metal.<br />
El alineamiento mutuo de los dipolos existe sobre regiones de volumen relativamente<br />
grandes llamadas dominios.<br />
La temperatura afecta las características magnéticas de los materiales.<br />
Al incrementar la temperatura, se incrementan las vibraciones térmicas de los átomos, y<br />
los momentos magnéticos atómicos son libres de rotar.<br />
El aumento del movimiento térmico de los átomos tiende a volver aleatorias las<br />
direcciones de los momentos que pueden estar alineados.<br />
La temperatura Curie(Tc) del material es aquella temperatura a la cual el movimiento<br />
térmico de los átomos contrarresta las fuerzas de acoplamiento entre dipolos<br />
adyacentes, causando el desalienamiento de los dipolos.<br />
A temperaturas superiores a Tc, los materiales, los materiales ferromagnéticos se<br />
vuelven paramagnéticos. Para el hierro Tc = 768ºC<br />
Los materiales ferromagnéticos a temperaturas inferiores a Tc están compuestos por<br />
regiones de volumen pequeño en las cuales existe un alineamiento de los dipolos en la<br />
misma dirección.<br />
dominio<br />
Los dominios generalmente son microscópicos. En los materiales policristalinos cada<br />
grano puede consistir en uno o varios dominios.<br />
Campo magnético externo H<br />
Material B = µH<br />
µ= permeabilidad<br />
Densidad de flujo magnético o campo<br />
magnético inducido B<br />
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La densidad de flujo B y el campo magnético H no son proporcionales en los<br />
ferromagnetos. Si el material inicialmente no está magnetizado, B varía como función<br />
de H.<br />
Si el campo magnético H se revierte, la curva no se regresa por su trayectoria inicial. Se<br />
produce un efecto de histéresis, en el cual el campo B está desfasado detrás del<br />
campo H.<br />
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El área dentro de la curva representa la energía magnética perdida por unidad de<br />
volumen de material por ciclo de magnetización y desmagnetización. Esta energía se<br />
manifiesta como calor dentro del material y es capaz de elevar la temperatura del<br />
mismo.<br />
Los materiales magnéticos suaves son usados en aparatos sometidos a campos<br />
magnéticos alternantes, para los cuales la pérdida de energía debe ser pequeña. Por<br />
ejemplo, los núcleos de los transformadores.<br />
Los materiales magnéticos duros se utilizan para imanes permanentes, los cuales<br />
deben tener elevada resistencia a perder el magnetismo.<br />
La mayoría de imanes permanentes son ferromagnéticos: aceros aleados con<br />
tungsteno y cromo se han usado mucho en el pasado.<br />
Los materiales magnéticos se han vuelto muy importantes en el área de la informática.<br />
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