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Tema:
MATEIA!ES MAT EIA!ES "E#MA$NAT "E#MA$NATIC#S IC#S
Ciclo:
'II
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INDICE
1.- INTRODUCCION: Hay una serie de materiales cristalinos que presentan ferromagnetismo. La tabla de la derecha muestra una selección representativa de ellos, junto con sus temperaturas de Curie, la temperatura por encima del cual dejan de exhibir la magnetización espontnea. !l ferromagnetismo no es una propiedad que depende sólo
de la composición
qu"mica de un material, sino que tambi#n depende de su estructura cristalina y la organización microscópica. !l acero el#ctrico, por ejemplo, es un material producido a escala industrial cuyas propiedades ferromagn#ticas han sido optimizadas para hacer uso de ellas en aplicaciones donde se requiere el establecimiento de campos magn#ticos de manera eficiente. $in embargo hay aleaciones ferromagn#ticas de metal, cuyos componentes no son ferromagn#ticos, llamadas aleaciones Heusler . %or el contrario existen aleaciones no magn#ticas, como los tipos de acero inoxidable, compuesta casi exclusivamente de metales ferromagn#ticos.
2.- OBJETIVOS:
!studiar las propiedades magn#ticas y caracter"sticas de los materiales ferromagn#ticos.
3.- MARCO TEORICO: 3.1.- MATERIALES FERROMAGNETICOS: Los materiales ferromagn#ticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto, tungsteno, n"quel, aluminio y otros metales, son los materiales magn#ticos ms comunes y se utilizan para el dise&o y constitución de n'cleos de los transformadores y maquinas el#ctricas. !n un transformador se usan para maximizar el acoplamiento entre los devanados, as" como para disminuir la corriente de excitación necesaria para la operación del transformador. !n las maquinas el#ctricas se usan los materiales ferromagn#ticos para dar forma a los campos, de modo que se logren hacer mximas las caracter"sticas de producción de par. !stos materiales han evolucionado mucho con el paso del tiempo lo que implica mas eficiencia, reducción de vol'menes y costo, en el dise&o de transformadores y maquinas el#ctricas. Los ferroimanes tienden a permanecer magnetizados en cierta medida despu#s de ser sometido a un campo magn#tico externo. !sta tendencia a (recordar su historia magn#tica( se llama hist#resis. La fracción de la magnetización de saturación que es retenida cuando se elimina el campo de generación, se llama remanencia del material, y es un factor importante en los imanes permanentes.
)odos los ferroimanes tienen una temperatura mxima, donde desaparecen las propiedades ferromagn#ticas como resultado de la agitación t#rmica. !sta temperatura se llama temperatura de Curie. Los materiales ferromagn#ticos responden mecnicamente al campo magn#tico impuesto, cambiando ligeramente su longitud en la dirección del campo aplicado. !sta propiedad, llamada magnetostricción, origina el zumbido familiar de los transformadores, que es la respuesta mecnica a los voltajes de corriente alterna de *+ Hz.
3.2.- FERROMAGNETISMO: !l ferroma!e"#$mo es un fenómeno f"sico en el que se produce ordenamiento magn#tico de todos los momentos magn#ticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. n material ferromagn#tico es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La #!"era%%#&! ferroma!'"#%a es la interacción magn#tica que hace que los momentos magn#ticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo. Los ferromagnetos estn divididos en dominios magn#ticos, separados por superficies conocidas como paredes de -loch. !n cada uno de estos dominios, todos los momentos magn#ticos estn alineados. !n las fronteras entre dominios hay cierta energ"a potencial, pero la formación de dominios est compensada por la ganancia en entrop"a. l someter un material ferromagn#tico a un campo magn#tico intenso, los dominios tienden a alinearse con #ste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos estn orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magn#tico inductor aumentan su tama&o. !ste aumento de tama&o se explica por las caracter"sticas de las paredes de -loch, que
en dirección a los dominios cuya
avanzan
dirección de los dipolos no coincide/ dando lugar a un mono dominio. l eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo.
(.- )RO)IEDADES DE LOS MATERIALES FERROMAGN*TICOS : •
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parece una gran inducción magn#tica al aplicarle un campo magn#tico. %ermiten concentrar con facilidad l"neas de campo magn#tico, acumulando densidad de flujo magn#tico elevado.
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$e utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los campos magn#ticos en trayectorias bien definidas. %ermite que las maquinas el#ctricas tengan vol'menes razonables y costos menos excesivos.
+.- CARACTER,STICAS DE LOS MATERIALES FERROMGNETICOS : Los materiales ferromagn#ticos se caracterizan por uno o varios de los siguientes atributos0 •
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%ueden imantarse mucho ms fcilmente que los dems materiales. !sta caracter"stica viene indicada por una gran permeabilidad relativa m 1m r. )ienen una inducción magn#tica intr"nseca mxima - max muy elevada. $e imanan con una facilidad muy diferente seg'n sea el valor del campo magn#tico. !ste atributo lleva una relación no lineal entre los módulos de inducción magn#tica 2-3 y campo magn#tico. n aumento del campo magn#tico les origina una variación de flujo diferente de la variación que originar"a una disminución igual de campo magn#tico. !ste atributo indica que las relaciones que expresan la inducción magn#tica y la permeabilidad 2m 3 como funciones del campo magn#tico, no son lineales ni uniformes.
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Conservan la imanación cuando se suprime el campo.
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)ienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez imanados.
.- CLASIFICACI/N DE MATERIALES FERROMAGN*TICOS: .1.- D#ama!e"#$mo: !l diamagnetismo es un efecto universal porque se basa en la interacción entre el campo aplicado y los electrones móviles del material. !l diamagnetismo queda habitualmente enmascarado por el paramagnetismo, salvo en elementos formados por tomos o iones que se disponen en 4capas5 electrónicas cerradas, ya que en estos casos la contribución paramagn#tica se anula. Las caracter"sticas esenciales del diamagnetismo son0
Los materiales diamagn#ticos se magnetizan d#bilmente en el sentido opuesto al del campo magn#tico aplicado. 6esulta as" que aparece una fuerza de repulsión sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.
La susceptibilidad magn#tica es negativa y peque&a y la permeabilidad relativa es entonces ligeramente menor que 7.
La intensidad de la respuesta es muy peque&a. $e puede modelar en forma sencilla el comportamiento diamagn#tico mediante la aplicación de la ley de Lenz al movimiento orbital de los electrones .!l diamagnetismo fue descubierto por 8araday en 79:*.
!jemplos de materiales diamagn#ticos son el cobre y el helio. Los materiales denominados diamagn#ticos se caracterizan por ser repelidos por los imanes 2es lo opuesto a los materiales ferromagn#ticos, que son atra"dos por los imanes3. !l fenómeno del diamagnetismo fue descubierto en septiembre de 79:; por el f"sico y qu"mico !l diamagnetismo se puede explicar de forma sencilla si se considera una consecuencia de aplicar la ley de Lenz nivel molecular. $eg'n la teor"a electromagn#tica, siempre que var"a el flujo magn#tico se genera una corriente inducida y, seg'n esta Ley, (el sentido de las corrientes inducidas es tal que con sus acciones electromagn#ticas tienden a oponerse a la causa que las produce(. )odos los tomos contienen electrones que se mueven libremente y cuando se aplica un campo magn#tico exterior se induce una corriente superpuesta cuyo efecto magn#tico es opuesto al campo aplicado. ?tra forma de explicar el diamagnetismo es a partir de la configuración electrónica de los tomos o de los sistemas moleculares. @e esta forma, el comportamiento diamagn#tico lo presentan sistemas moleculares que contengan todos sus electrones apareados y los sistemas atómicos o iónicos que contengan orbitales completamente llenos. !s decir los espines de los electrones del 'ltimo nivel se encontrarn apareados 2por tanto el momento magn#tico de los espines es prcticamente nulo3. %ero intent#moslo explicar de forma ms intuitiva. $upongamos una sustancia diamagn#tica formada por tomos, iones o mol#culas cuyo momento magn#tico total 2suma de los momentos magn#ticos asociados al movimiento de sus cargas y a sus spines3 es nulo 28igura 73.
8igura 7
l aplicarle un campo magn#tico externo -o, los momentos de las mol#culas o tomos se orientan originando un campo -m que se opone a dicho campo externo 28igura A3.
8igura A !sta oposición de campos hace que en el interior del material el campo resultante sea un campo menor al campo -m que se origina en el interior del material por la orientación de los momentos de sus mol#culas. l ser estos campos opuestos ambos se repelen, como se muestra en la siguiente figura. ?tra caracter"stica de estos materiales es que todos los polos magn#ticos se repelen, dado que si cambiamos la orientación del campo -o de la 8igura A el campo inducido en el material -m tambi#n cambiar a una nueva orientación de forma que se oponga al campo -o.
8igura B 273 no de los fenómenos ms curiosos que presentan los materiales diamagn#ticos es la levitación diamagn#tica. Como se aprecia en la siguiente figura,un pedazo de grafito pirol"tico, que tiene un diamagnetismo especialmente alto, levita sobre un gran imn de neodimio permanente .
8igura : La susceptibilidad en estos materiales suele ser peque&a y negativa, exceptuando como se ha mencionado los superconductores. !xiste un caso particular de diamagn#tico con una susceptibilidad magn#tica bastante grande en módulo. $on los superconductores, a los que podemos considerar diamagn#ticos perfectos. !stos materiales expulsan las l"neas del campo magn#tico y consiguen un campo nulo en su interior, creando para ello corrientes superficiales que originan el campo que cancela el exterior. Como consecuencia de estas corrientes aparecen fuerzas magn#ticas que pueden conseguir la levitación de un superconductor.
.2.- )arama!e"#$mo: Los materiales paramagn#ticos se caracterizan por tomos con un momento magn#tico neto, que tienden a alinearse paralelo a un campo aplicado. Las caracter"sticas esenciales del paramagnetismo son0
Los materiales paramagn#ticos se magnetizan d#bilmente en el mismo sentido que el campo magn#tico aplicado. 6esulta as" que aparece una fuerza de atracción sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.
Los materiales paramagn#ticos son aquellos cuya suma neta de los momentos magn#ticos permanentes de sus tomos o mol#culas es nula 28igura ;3. !stos materiales tienen un comportamiento magn#tico muy d#bil.
8igura ; $i se aplica un campo magn#tico exterior lo suficientemente elevado, los momentos magn#ticos de los materiales paramagn#ticos se tienden a ordenar de forma paralela al mismo 28igura *3. %or tan, los dipolos se orientan en la misma dirección y sentido que el campo aplicado, por lo que la susceptibilidad magn#tica, aunque d#bil, es positiva, y la permeabilidad relativa es ligeramente mayor que la unidad. ?tra caracter"stica que los diferencia de los materiales ferromagn#ticos es el hecho de que cuando se elimina el campo externo aplicado el efecto del paramagnetismo desaparece.
Figura 6 La suma del campo externo y el campo originado por la orientación de los momentos magn#ticos de los tomos del material hace que en el interior de este el campo resultante sea - 28igura 3.
8igura $i tomamos la !cuación A 2Ley de Curie para campos peque&os3, tenemos que0
@onde < es la magnetización resultante, - es la densidad de flujo magn#tico del campo aplicado, ) es la temperatura absoluta 2en Delvin3, y C es una constante
espec"fica de cada material 2su constante de Curie3. $e observa que los materiales paramagn#ticos tienden a comportarse como los ferromagn#ticos al aumentar el campo aplicado, y cada vez menos magn#ticos al elevarse la temperatura. @e hecho, la orientación de los tomos y el campo -m asociado es casi imperceptible, y los efectos son prcticamente imposibles de detectar excepto a temperaturas extremadamente bajas o campos aplicados muy intensos. La susceptibidad de los materiales paramagn#ticos var"a con la temperatura tal y como se muestra en la 8igura 9.
8igura 9
