Materiales Magneticos 13e40

FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA DE SEGURIDAD INDUSTRIAL Y MINERA CURSO: TECNOLOGIA DE MATERIALES TEMA MATERIALES MAGNETICOS PRESENTADO POR:       

ARROYO LAZO CARLOS CAJAHUAMAN COLQUI JOHEL CHAMBI SURI BRIGYTH HUACHACA CASQUINA JORGE MAMANI PALLE AIDA PILA CARLOS EDWIN SAICO CHUMBES JOHN

CICLO: V TURNO: NOCHE

1

INTRODUCCIÓN

El magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se denominan imanes. En general, todos los materiales son influenciados, en mayor o menor medida, por la presencia de un campo magnético.

El magnetismo también tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de las ondas electromagnéticas, como, por ejemplo, la luz visible.

Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el hierro y que los trocitos de hierro atraídos atraían, a su vez, a otros. Estas piedras se denominaron imanes naturales.

El primer filósofo que estudió el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que vivió entre el año 625 a. C. y el 545 a. C. También Sócrates hablaba de este mineral de color negro explicando ya entonces el fenómeno de inducción magnética. Por otro lado, en China, la primera referencia a este fenómeno se encuentra en un manuscrito del siglo IV a. C. titulado "Libro del amo del valle del diablo": «La magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por éste». La primera mención sobre la atracción de una aguja aparece en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 de nuestra era: «La magnetita atrae a la aguja».

2

El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética y mejoró la precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el siglo XII los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Alexander Neckham fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta técnica en el año 1187.

Contenido CAPITULO I...................................................................................................................... 6 MARCO TEORICO.............................................................................................................. 6 1.1.- Magnetismo...................................................................................................... 6 1.2.- Cómo se Crea....................................................................................................... 7 1.3.- Descubrimiento e historia del magnetismo.........................................................9 1.4.- Tipos De Materiales Según Sus Propiedades Magnéticas...................................10 1.4.1.- Materiales diamagnéticos...................................................................................... 10 1.4.2.- Materiales paramagnéticos..................................................................................... 11 1.4.3.- Ferromagnéticos................................................................................................. 12 1.4.4.- Ferrimagnetismo................................................................................................. 14 1.4.5.- Antiferromagnetismo............................................................................................ 14 1.4.6.- Ferritas............................................................................................................. 15 1.4.7.- Ferrofluido........................................................................................................ 16 1.5.- Principios del magnetismo................................................................................. 16 1.6.- Definiciones.................................................................................................... 17 1.6.1.- Imanes...................................................................................................... 17 1.6.2.- Imanes naturales.................................................................................... 17 1.6.3.- Imanes artificiales........................................................................................ 17 1.6.4.- Imanes permanentes............................................................................................. 18 1.6.5.- Imanes cerámicos................................................................................... 18 1.6.6.- Imanes del Álnico.................................................................................... 18 1.6.7.- Imanes de tierras raras.........................................................................18 1.6.8.- Imanes Flexibles..................................................................................... 19 3

1.7.- Líneas de campo magnético........................................................................19 1.8.- Dipolo magnético....................................................................................... 20 1.9.- Monopolo magnético.................................................................................... 20 1.10.- Imanación.................................................................................................. 20 1.11.- Magnetómetro............................................................................................. 22 1.12.- Célula de efecto Hall................................................................................... 22 1.13.- Campo magnético.................................................................................... 23

4

CAPITULO I MARCO TEORICO

1.1.- Magnetismo

Magnetismo se define como el fenómeno físico por medio del cual ciertos materiales tienen la capacidad de atraer o repeler a otros materiales, basándose su origen en el movimiento de partículas cargadas el magnetismo forma parte de la fuerza electromagnética siendo una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. 5

Muchos de nosotros hemos experimentado con el magnetismo mediante el uso de imanes, un imán es un material que dispone de una alta capacidad magnética para atraer a materiales ferromagnéticos como el hierro, acero, níquel... así como de repeler o atraer a otros imanes, el origen de dichas fuerzas de atracción o repulsión magnética reside en la distribución a nivel atómico de los electrones que componen el imán. Tal y como hemos descrito en la definición de magnetismo su origen físico reside en la existencia de partículas cargadas eléctricamente y en movimiento, por ello los electrones son considerados como pequeños imanes dado a que son partículas cargadas las cuales se mueven u orbitan alrededor del núcleo atómico así como giran sobre su propio eje de simetría (espín). Todos estos movimientos de los electrones crean pequeñas fuerzas magnéticas las cuales son responsables de la capacidad magnética de un material u otro. Realmente todos los materiales son magnéticos lo que ocurre es que existen materiales que disponen de una distribución desigual de sus electrones anulándose las distintas fuerzas magnéticas originadas, por otro lado existen materiales que disponen de una gran cantidad de electrones distribuidos en una misma dirección de tal forma que las distintas fuerzas magnéticas orginadas se suman creando un efecto magnético a escala macroscópica. Por otro lado cuando hacemos circular un flujo de electrones a través de una cable eléctrico, es decir aplicamos una corriente eléctrica, obtenemos magnetismo debido al movimiento de dichos electrones a través del cable, por lo que la electricidad y el magnetismo se encuentran estrechamente ligados siendo considerados a ambos como un único fenómeno físico conocido como electromagnetismo el cual junto con la gravedad, la nuclear débil y la nuclear fuerte componen las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza. Esta estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo hace que cualquier campo magnético lleve asociado un campo eléctrico y viceversa, el conocimiento de dichos fenómenos han permitido el desarrollo de generadores eléctricos mediante la rotación de imanes cerca de una bobina así como el desarrollo de los motores eléctricos los cuales mediante la aplicación de corriente eléctrica próxima a un imán producen un movimiento mecánico el cual puede ser aprovechado para mover por ejemplo las ruedas de una motocicleta.

1.2.- Cómo se Crea 6

El magnetismo es un fenómeno físico por el cual los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Algunos materiales conocidos presentan propiedades magnéticas detectables fácilmente, como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones, que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo, todos los materiales son influenciados, en mayor o menor medida, por la presencia de un campo magnético. A continuación se explica qué ocurre en el interior de los materiales (a nivel microscópico) para que sea posible que adquieran propiedades magnéticas. Lo primero que se debe tener claro es que el magnetismo se origina por el movimiento de la carga eléctrica básica, es decir, el electrón. Las propiedades magnéticas macroscópicas de los materiales son consecuencia de los momentos magnéticos que poseen los electrones individualmente. En los átomos los electrones tiene momentos magnéticos que se originan de dos formas distintas. La primera está relacionada con su movimiento orbital alrededor del núcleo Figura 1. En su movimiento orbital (de traslación), el electrón se puede considerar como un pequeño circuito cerrado de corriente que genera un débil campo magnético con un momento magnético asociado en la dirección del eje de rotación, por tanto, se puede considerar como una espira circular por la que circula una corriente eléctrica debida a un único electrón. La segunda causa por la que los electrones generan un momento magnético, también denominado spin, es su giro sobre su propio eje (de rotación), cuya dirección y sentido se indican en la siguiente figura. En cualquier caso, el dipolo magnético o momento magnético debido al spin del electrón se denomina el magnetón de Bohr (mB = 9.27 x 10E-24 A*m²), que puede ser positivo o negativo dependiendo del sentido de giro del electrón. En una capa atómica completa, los electrones están emparejados con electrones de spin opuesto, proporcionando un momento magnético neto nulo (Figura 3). Por esta razón, los materiales compuestos de átomos que tienen sus orbitales o capas completas no se pueden magnetizar de forma permanente. 7

En cuanto a los electrones que no están en los orbitales, los denominados electrones libres, decir que su papel dentro del magnetismo no es menos importante, ya que al moverse dentro de la estructura del material pueden generar un campo magnético o verse influenciados por cualquier campo externo que se les aplique. El momento magnético total generado por un átomo es la suma neta de todos los momentos magnéticos creados por cada uno de sus electrones. En el caso de un átomo con orbitales electrónicos o suborbitales electrónicos completos, el momento magnético total es, en general, nulo. En cuanto a los átomos con orbitales electrónicos incompletos tienen un momento magnético no nulo y su magnitud depende del número de electrones impares. La diferencia en la configuración de los electrones de los materiales determina su naturaleza magnética. Los

tipos

de

magnetismo

que

puede

presentar

un

material

son:

el diamagnetismo,

el paramagnetismo o elferromagnetismo, además del antiferromagnetismo y el ferrimagnetismo, que se consideran subclases del ferromagnetismo. Todos los materiales exhiben, al menos, uno de estos tipos de magnetismo. 1.3.- Descubrimiento e historia del magnetismo

El fenómeno del magnetismo era conocido por antiguas civilizaciones como los fenicios, egipcios y persas entre otros, pero fue el filósofo griego Tales de Mileto en ser el primer testimonio escrito sobre este extraño fenómeno al afirmar que las magnetitas tenían alma al poder atraer partículas de hierro. Pero no fue hasta el año 1600 cuando el médico e investigador William Gilbert publicó su famoso libro "De Magnete" donde se recogía todas sus investigaciones científicas sobre el fenómeno del magnetismo. Willian Gilbert fue el primero en identificar a nuestro planeta Tierra como un gigantesco imán cuyos polos están próximos a los polos geográficos explicando la orientación de las brújulas apuntando al norte, por otro lado describió los fenómenos de imantación sobre otros materiales así como la influencia de la temperatura sobre las capacidades magnéticas. 8

Posteriormente en el año 1820 el físico y químico danés Han Christian Oersted demostró la relación existente entre la electricidad y el magnetismo cuando al colocar un brújula imantada cerca de un alambre por donde fluía cierta corriente eléctrica observó como la brújula se movió y se colocó perpendicularmente al alambre, Oersted fue el primer científico en acuñar la palabra electromagnetismo. El gran físico experimentador y científico Michel Faraday profundizó sobre los experimentos de Oersted descubriendo la inducción electromagnética por medio de la cual desarrolló el primer motor eléctrico de la historia. En el año 1865 el matemático y físico James Clark Maxwell desarrolló las ecuaciones matemáticas que describían todos los fenómenos descubiertos y descritos anteriormente por Faraday y Oersted, gracias a la ecuaciones de Maxwell la teoría electromagnética revolucionó la física de aquella época al relacionar matemáticamente el magnetismo y la electricidad bajo una misma teoría y al predecir la existencia de ondas electromagnéticas las cuales fueron descubiertas por el físico Heinrich Hertz en 1888 siendo la base del desarrollo del mundo de las telecomunicaciones como la radio, la televisión o el teléfono. 1.4.- Tipos De Materiales Según Sus Propiedades Magnéticas

1.4.1.- Materiales diamagnéticos Los materiales denominados diamagnéticos se caracterizan por ser repelidos por los imanes (es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos, que son atraídos por los imanes). El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto en septiembre de 1845 por el físico y químico Michael Faraday cuando observó que un trozo de bismuto era repelido por un imán, cualquiera que fuese el polo. Esa experiencia indicaba que el campo externo generado por el imán inducía en el bismuto un dipolo magnético de sentido opuesto. Pero, ¿qué sucede en los materiales para que ocurra este fenómeno?

9

El diamagnetismo se puede explicar de forma sencilla si se considera una consecuencia de aplicar la Ley de Lenza nivel molecular. Según la teoría electromagnética, siempre que varía el flujo magnético se genera una corriente inducida y, según esta Ley, "el sentido de las corrientes inducidas es tal que con sus acciones electromagnéticas tienden a oponerse a la causa que las produce". Todos los átomos contienen electrones que se mueven libremente y cuando se aplica un campo magnético exterior se induce una corriente superpuesta cuyo efecto magnético es opuesto al campo aplicado. Otra forma de explicar el diamagnetismo es a partir de la configuración electrónica de los átomos o de los sistemas moleculares. De esta 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 los espines de los electrones del último nivel se encontrarán apareados (por tanto el momento magnético de los espines es prácticamente nulo). Pero intentémoslo explicar de forma más intuitiva. Supongamos una sustancia diamagnética formada por átomos, iones o moléculas cuyo momento magnético total (suma de los momentos magnéticos asociados al movimiento de sus cargas y a sus spines) es nulo Al aplicarle un campo magnético externo Bo, los momentos de las moléculas o átomos se orientan originando un campo Bm que se opone a dicho campo externo Esta oposición de campos hace que en el interior del material el campo resultante B sea un campo menor al campo Bm que se origina en el interior del material por la orientación de los momentos de sus moléculas. Al ser estos campos opuestos ambos se repelen, como se muestra en la siguiente figura. Otra característica de estos materiales es que todos los polos magnéticos se repelen , dado que si cambiamos la orientación del campo Bo de la Figura 2 el campo inducido en el material Bm también cambiará a una nueva orientación de forma que se oponga al campo Bo. Uno de los fenómenos más curiosos que presentan los materiales diamagnéticos es la levitación diamagnética. Como se aprecia en la siguiente figura, un pedazo de grafito pirolítico, que tiene un diamagnetismo especialmente alto, levita sobre un gran imán de neodimio permanente . 10

La susceptibilidad en estos materiales suele ser pequeña y negativa, exceptuando como se ha mencionado los superconductores. Existe un caso particular de diamagnético con una susceptibilidad magnética bastante grande en módulo. Son los superconductores, a los que podemos considerar diamagnéticos perfectos. Estos materiales expulsan las líneas del campo magnético 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 magnéticas que pueden conseguir la levitación de un superconductor.

1.4.2.- Materiales paramagnéticos Los materiales paramagnéticos son aquellos cuya suma neta de los momentos magnéticos permanentes de sus átomos o moléculas es nula (Figura 5). Estos materiales tienen un comportamiento magnético muy débil. Si se aplica un campo magnético exterior lo sificientemente elevado, los momentos magnéticos de los materiales paramagnéticos se tienden a ordenar de forma paralela al mismo (Figura 6). Por tanto, los dipolos se orientan en la misma dirección y sentido que el campo aplicado, por lo que la susceptibilidad magnética, aunque débil, es positiva, y la permeabilidad relativa es ligeramente mayor que la unidad. Otra característica que los diferencia de los materiales ferromagnéticos es el hecho de que cuando se elimina el campo externo aplicado el efecto del paramagnetismo desaparece. La suma del campo externo y el campo originado por la orientación de los momentos magnéticos de los átomos del material hace que en el interior de este el campo resultante sea B Donde M es la magnetización resultante, B es la densidad de flujo magnético del campo aplicado, T es la temperatura absoluta (en Kelvin), y C es una constante específica de cada material (su constante de Curie). Se observa que los materiales paramagnéticos tienden a comportarse como los ferromagnéticos al aumentar el campo aplicado, y cada vez menos magnéticos al elevarse la temperatura. De hecho, la orientación de los átomos y el campo Bm asociado es casi imperceptible, 11

y los efectos son prácticamente imposibles de detectar excepto a temperaturas extremadamente bajas o campos aplicados muy intensos.

1.4.3.- Ferromagnéticos El ferromagnetismo es un fenómeno que no se debe sólo a propiedades atómico-moleculares sino que es un efecto colectivo que requiere una estructura sólida. Los materiales ferromagnéticos son elementos de transición, con una configuración en sus átomos que favorece la interacción entre los dipolos magnéticos, los cuales se alinean paralelamente dentro de zonas que se llaman dominios. Como estos dominios se orientan aleatoriamente, no se genera imanación neta en el material Al aplicar un campo magnético a un material ferromagnético desmagnetizado (Figura 10), dado que su permeabilidad y la susceptibilidad magnética son superiores a uno, el campo en el interior del material es mayor al campo magnético aplicado. Esto se debe a que los dominios del material se orientan con el campo magnético exterior reforzándolo. Si ahora se retira el campo externo, los efectos del campo aplicado no desaparecen por completo, quedando un magnetismo remanente, que es la causa de la existencia de los imanes permanentes. Este magnetismo remanente se origina porque los momentos magnéticos de los dominios no vuelven a su orientación original, quedando mayoritariamente orientados en la dirección del campo aplicado En la siguiente simulación se puede observar el proceso de magnetización de un material ferromagnético. Estos materiales se utilizan para delimitar y dirigir a los campos magnéticos en trayectorias bien definidas (núcleo de transformadores, motores...). Permitiendo que las máquinas eléctricas tengan volúmenes razonables. Las principales características de los materiales ferromagnéticos son: 

Pueden imanarse mejor que los demás materiales. Esta característica viene indicada por una



gran permeabilidad relativa. Tienen una inducción magnética intrínseca máxima Bmax muy elevada. 12



La facilidad con la que se imantan es muy diferente según sea el valor del campo magnético aplicado. Esta característica lleva a que la relación entre la inducción magnética (B) y la excitación magnetica (H) no sea lineal. Esta relación se repersenta en la curva de



magnetización del material. Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujo diferente de la variación que originaría una disminución igual de campo magnético. Este atributo indica que las relaciones que expresan la inducción magnética y la permeabilidad (µ) como funciones del

 

campo magnético no son lineales ni uniformes. Conservan la imanación cuando se suprime el campo. Tienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez imantados.

Por todas estas propiedades los materiales ferromagnéticos son muy utilizados en electrotecnia. Los materiales ferromagnéticos pierden sus propiedades por encima de la temperatura de Curie adquiriendo las propiedades de un material paramagnéticos (Figura 13).

1.4.4.- Ferrimagnetismo El ferrimagnetismo es un fenómeno de magnetización permanente que poseen algunos materiales cerámicos. Las características macroscópicas de los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos son similares; la diferencia entre ellos sólo reside en el origen de los momentos magnéticos. El ferrimagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de modo que no todos los momentos magnéticos de una muestra están alineados en la misma dirección y sentido. Algunos de ellos están opuestos y se anulan entre sí. Sin embargo estos momentos magnéticos no consiguen anular por completo la magnetización. Esto se debe a que algunos materiales cerámicos poseen átomos o iones con momentos magnéticos diferentes y cuando estos momentos magnéticos se alinean de forma antiparalela, se produce un momento magnético neto en una dirección. Este tipo de materiales se llaman ferritas. Estas ferritas tienen baja conductibilidad y son útiles para muchas aplicaciones eléctricas y magnéticas tales como transformadores de alta frecuencia.

13

Las magnetizaciones de saturación de los materiales ferrimagnéticos no son tan altas como las de los ferromagnéticos. Por encima de la temperatura de Curie se pierde el ferrimagnetismo y el material pasa a ser paramagnético. La magnetita es un material ferrimagnético de las llamadas "ferritas" u "óxidos ferrimagnéticos"

1.4.5.- Antiferromagnetismo Al igual que los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos los antiferromagnéticos están divididos en dominios magnéticos. Los materiales antiferromagnéticos tienen un estado natural en el cual los momentos magnéticos de átomos adyacentes son opuestos, de manera que el momento magnético neto es nulo. Este estado natural hace difícil que el material se magnetice, aunque de todas formas adopta una permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1. Es decir, la interacción antiferromagnética 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 antiferromagnetismo Si el campo magnético externo es muy intenso, algunos de los momentos magnéticos se alinean paralelamente con él, aún a costa de alinearse también paralelo a sus vecinos (superando la interacción antiferromagnética). Generalmente, se requiere un campo magnético muy intenso para que esto suceda. Como el ferromagnetismo, la interacción antiferromagnética se destruye a alta temperatura. La temperatura por encima de la cual no se aprecia el antiferromagnetismo se llama temperatura de Néel. Por encima de esta temperatura los compuestos son típicamente paramagnéticos. Los materiales antiferromagnéticos son conocidos por la humanidad desde hace centenares de años y se usan en numerosas aplicaciones, desde en motores eléctricos hasta en el almacenamiento de información en discos duros.

14

1.4.6.- Ferritas Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en forma de polvo, con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia y dureza, previamente moldeadas por presión y luego calentadas, sin llegar a la temperatura de fusión, dentro de un proceso conocido como sinterización. Mediante este procedimiento se fabrican núcleos para transformadores, bobinas y otros elementos eléctricos o electrónicos. El polvo de ferrita se usa también en la fabricación de cintas para grabación; en este caso, el material es trióxido de hierro. También es utilizado como tóner magnético de impresoras láser, pigmento de algunas clases de pintura, polvo de inspección magnético (usado en soldadura), tinta magnética para imprimir cheques y códigos de barras y, a su vez, con dicho polvo y la adición de un fluido portador y un surfactante o tensoactivo es posible fabricar ferrofluido casero.

1.4.7.- Ferrofluido Un ferrofluido es un líquido que se polariza en presencia de un campo magnético Figura 17. Los ferrofluidos se componen de partículas ferromagnéticas suspendidas en un fluido portador. Los ferrofluidos, a pesar de su nombre, no muestran ferromagnetismo, pues no retienen su magnetización en ausencia de un campo aplicado de manera externa. De hecho, muestran paramagnetismo y normalmente se identifican como "superparamagnéticos" por su gran susceptibilidad magnética. Un auténtico fluido ferromagnético es difícil de crear en la actualidad, requiriendo elevadas temperaturas y levitación electromagnética. 1.5.- Principios del magnetismo

Los materiales están formados por átomos y éstos por partículas elementales, como son los electrones girando alrededor del núcleo de protones yneutrones.

15

Cada electrón es por su naturaleza, un pequeño imán. Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden aorientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados.

Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula por una bobina. En general, el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones, los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total medible. Por tanto, el comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica

1.6.- Definiciones

1.6.1.- Imanes

Un imán es un material capaz de producir un campo magnético y que está formado por las siguientes partes:

16



Eje Magnético: Línea que une los dos polos del imán.



Línea neutra: Línea de la superficie del imán que separa las dos zonas polarizadas.



Polos: Son los dos extremos del imán, en los que las fuerzas de atracción o repulsión son más intensas. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos magnéticos de la Tierra.

Como propiedades más destacadas se pueden mencionar las siguientes:



Los polos magnéticos de diferente nombre se atraen y los del mismo se repelen.



Si se rompe un imán, cada uno de los trozos se comporta como un nuevo imán.



Para que un imán pierda sus propiedades debe llegar a la llamada "temperatura de Curie".

También se produce la desimanación por o, cada vez que pegamos algo a un imán perdemos parte de sus propiedades. Los golpes fuertes pueden desorientar las partículas haciendo que el imán pierda sus propiedades.

1.6.2.- Imanes naturales Son aquellos que se encuentran en la naturaleza y que no ha sido objeto de ningún proceso por parte del hombre para tener sus propiedades magnéticas. Un ejemplo claro es la magnetita (Fe3O4) que tiene la propiedad de atraer todas las sustancias magnéticas.

1.6.3.- Imanes artificiales 17

Son sustancias obtenidas por medio de algún proceso químico o mecánico mediante el cual adquiere sus propiedades magnéticas.

1.6.4.- Imanes permanentes

Son aquellos que mantienen sus propiedades magnéticas a lo largo del tiempo. Los mas conocidos son:

1.6.5.- Imanes cerámicos

Son de aspecto parecido a la porcelana. Se les puede dar cualquier forma, por eso es uno de los imanes más usados (en altavoces, aros para auriculares, para pegar en figuras que se adhieren a las neveras, etc.). Son muy frágiles.

Se fabrican a partir de partículas muy finas de material ferromagnético (óxidos de hierro) que se transforman en un conglomerado por medio de tratamientos térmicos a presión elevada, sin sobrepasar la temperatura de fusión.

1.6.6.- Imanes del Álnico

Se fabrican por fusión de un 8% de aluminio, un 14% de níquel, un 24% de cobalto, un 51% de hierro y un 3% de cobre. Tienen buen comportamiento a temperaturas elevadas, como desventaja no tienen mucha fuerza. 18

1.6.7.- Imanes de tierras raras

Tienen una fuerza superior a los imanes normales, son de apariencia metálica. Están compuestos de hierro, neodimio y boro; tienen alta resistencia a la desmagnetización. Son lo bastante fuertes como para magnetizar y desmagnetizar algunos imanes de alnico y flexibles. Se oxidan fácilmente, por eso van recubiertos con un baño de cinc, níquel o un barniz epoxídico, y son bastante frágiles.

1.6.8.- Imanes Flexibles

Se fabrican por aglomeración de partículas magnéticas (hierro y estroncio) en un elastómero (caucho, PVC, etc.). Su principal característica es la flexibilidad, presentan forma de rollos o planchas con posibilidad de una cara adhesiva. Se utilizan en publicidad, cierres para neveras, llaves codificadas, etc.

Otros imanes

19

Los imanes de platino/cobalto son muy buenos y se utilizan en relojería, en dispositivos aeroespaciales y en odontología para mejorar la retención de prótesis completas. Son muy caros. Otras aleaciones utilizadas son cobre/níquel/cobalto y hierro/cobalto/vanadio.

1.7.- Líneas de campo magnético

Las líneas del campo magnético describen la estructura del campo magnético en tres dimensiones. Si en cualquier punto de dicha línea colocamos una aguja de compás ideal, libre para girar en cualquier dirección, la aguja siempre apuntará a lo largo de la línea de campo.

Las líneas de campo convergen donde la fuerza magnética es mayor y se separan donde es más débil. Son varios los fenómenos físicos que hacen exhibir la línea del campo magnético. Por ejemplo, las limaduras del hierro colocadas en un campo magnético se alinearán a fin de demostrar visualmente la orientación del campo magnético.

Cuando un campo magnético se representa con una línea, no significa que el campo exista sólo a lo largo de las líneas de campo. El campo es típicamente liso y continuo y se puede estimar en cualquier punto (sea en una línea del campo o no) mirando la dirección y la densidad. Las líneas de campo magnético no pueden tener NUNCA comienzo ni final (es un campo solenoidal) ya que tiene divergencia cero. Por tanto, cuando se dibuja una línea, una vez se comienza su trazado no se puede levantar el lápiz hasta volver al punto donde se comenzó a trazar.

1.8.- Dipolo magnético

20

Aunque no existen cargas magnéticas individuales o “monopolos”, muchas partículas elementales, como los electrones o los protones, poseen un momento dipolar magnético. En la actualidad se suele considerar un dipolo magnético a un bucle de corriente eléctrica, siendo su momento magnético es el producto vectorial de la intensidad de la corriente por el vector superficie del bucle.

Normalmente, los circuitos se suelen aproximar a dipolos cuando la distancia al circuito es mucho mayor que sus dimensiones. El campo magnético terrestre se puede, también, aproximar por un dipolo magnético, aunque su origen posiblemente sea bastante más complicado. Otro ejemplo conocido son los imanes en forma de barra.

1.9.- Monopolo magnético

Un monopolo magnético es una partícula "hipotética" (de momento) con un solo polo. Es esencialmente una carga magnética. Sería como un polo norte magnético que corresponde a una carga magnética positiva, o un polo sur magnético que corresponde a una carga magnética negativa. Hasta hace poco nadie fue capaz de demostrar la posible existencia de estas partículas, pero, recientemente, investigadores del Centro Helmholtz de Berlín, en cooperación con colaboradores de Dresden, St. Andrews, La Plata y Oxford dicen haber observado por primera vez un monopolo magnético y cómo éste emerge de un material real.

Si esto fuera cierto estaríamos a un paso de unificar las leyes de la física, relacionando las fuerzas fuerte, débil y electromagnética en un solo marco.

21

1.10.- Imanación

La magnetización, imantación o imanación es la densidad de momentos dipolares magnéticos de un material:

La mayor imanación que podemos encontrar en un material se alcanza cuando todos los momentos dipolares de dicho material se han orientado en la misma dirección.

En la mayoría de los materiales, la magnetización aparece cuando se les aplica un campo magnético. En losmateriales ferromagnéticos, la magnetización puede tener valores altos y existir aun en ausencia de un campo magnético externo. Para describir la imanación se recurre a tres campos promediados en el espacio (

,

,

) , que

describen de forma macroscópica las cargas en movimiento, los momentos magnéticos cuánticos y el campo de inducción magnética

:

En un anillo de Rowland, el campo

depende del campo

, y están relacionados por la

susceptibilidad magnética:

Si la susceptibidad magnética es positiva, el campo magnético se refuerza en el interior del material, como ocurre en los paramagnéticos y en los ferromagnéticos. Y dado que:

En los materiales paramagnéticos y en los ferromagnéticos la magnetización tiene el mismo sentido que el campo 22

. Cuando se coloca una partícula diamagnética en el seno de un campo magnético aparece una magnetización en sentido opuesto al campo magnético

. Puesto que la susceptibilidad de un

diamagnético es negativa, pero nunca supera el valor -1 (esto es, la permeabilidad siempre es positiva), la imanación también va en sentido opuesto al campo magnético

:

Como se muestra en la Figura 4, el campo magnético Bm en el interior de un material diamagnético será menor que el campo aplicado B0. Por lo tanto, los materiales diamagnéticos reducen el campo magnético en su interior.

Eje de fácil imanación

En magnetismo, se conoce como eje de fácil imanación a aquella dirección espacial, tanto a escala microscópica (a nivel molecular) como macroscópica, en la que la susceptibilidad magnética es máxima. De esta forma, para un campo magnético aplicado

en diferentes direcciones del espacio, la

magnetización será máxima cuando el eje del campo coincida con el eje de fácil imanación.

En general, el eje en el que se produce la imanación influye tanto en la intensidad con la que se imante como en su permanencia, es decir, la elección del eje adecuado (de fácil imanación) ayuda a que el campo remanente persista más tiempo.

23

1.11.- Magnetómetro

Un magnetómetro es un dispositivo que sirve para cuantificar en magnitud y/o dirección un campo magnético.

Los magnetómetros se pueden dividir en dos tipos básicos:



Magnetómetros escalares: miden la fuerza total del campo magnético al que están sometidos. Por ejemplo: magnetómetros de precesión protónica.



Magnetómetros vectoriales: tienen la capacidad de medir la componente del campo magnético en una dirección particular. Por ejemplo: magnetómetros de núcleo saturado (fluxgate).

También existen los magnetógrafos, que son magnetómetros especiales que registran continuamente los datos.

Son de mención especial las células de efecto Hall, que son utilizadas tanto para la medición de campos magnéticos como de corrientes eléctricas.

1.12.- Célula de efecto Hall

24

La células de efecto Hall son dispositivos semiconductores que, entre otras aplicaciones, la células de efecto Hall destacan por su utilización como sensores en mediciones de magnitudes eléctricas y campos magnéticos.

Estos dispositivos basan su funcionamiento en las fuerzas de Lorentz. En la Figura 5 se muestra la vista correspondiente a un corte de una célula a la que se conectan cuatro terminales. Dos de ellos, +I y –I se conectan a una fuente de corriente constante. Y los otros dos, +Vh y –Vh, se conectan a un voltímetro, que mide la tensión de Hall generada. Si a este montaje le istramos un campo magnético, por ejemplo, saliendo de la pantalla (puntas rojas), las cargas que cosntituyen la corriente suministrada que atraviesan la célula con una velocidad v, sufren una fuerza Fm que las desplaza hacia la parte inferior de la placa. Se considera que los portadores de carga mayoritarios son electrónes y, por tanto, las cargas son negativas. Esto ocurre cuando el material semiconductor del que está hecha la célula es de tipo N. Si fuese un semiconductor de tipo P, los portadores mayoritarios serían los huecos y, por tanto, serían cargas positivas y se desplazarían hacia arriba. Esta redistribución de las cargas dentro del material de la célula, es lo que origina la diferencia de potencial Vh.

1.13.- Campo magnético

El campo magnético es la región del espacio en la que se manifiestan los fenómenos magnéticos. Estos se representan según unas líneas de campo imaginarias (Figura 6), que se pueden visualizar colocando un imán bajo una cartulina espolvoreada con limaduras de hierro (Figura 7), la cuales se colocan siguiendo dichas líneas de campo.

Se observa que hay una diferencia fundamental entre el campo magnético y el eléctrico. En éste último, las líneas del campo se dice que nace en las cargas positivas (fuentes) y muere en las negativas (sumideros). Por el contrario, en el campo magnético no existen ni fuentes ni sumideros, se cierra sobre sí mismo. 25

26