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dominio:
1-10 µm(1012-1015
átomos)
dominios magnéticos en un ferromagneto; pequeñas partículas
partícula submicrométrica: (<1012 átomos)
monodominio
>10 µm
Alta relación superficie/volumen
Eje fácil
bulk Cristal >1015 átomos
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ferromagneto
Existe una interacción de corto alcance, de origen cuántico, llamada interacción de intercambio, que induce el ordenamiento paralelo de spines y momentos magnéticos.
jiijex ssJE
rr ⋅−= 2
En presencia de un campo magnético externo HHHH cada momento interactúa con los vecinos vía intercambio y con el campo externo vía la interacción Zeeman.
Al spin atómico ssss le corresponde un momento magnético mmmm o µ µ µ µ :
Momento magnético
Bsg µµ rr −=
( ) ∑ ⋅−⋅−=j
jiii ssJHErrrr
20µµ
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paramagnetoNo hay interacción entre los momentos magnéticos. En presencia de un campo magnético externo HHHH cada momento sólo experimenta la interacción Zeeman.
HBE iii
rrrr ⋅−=⋅−= µµµ 0
superparamagneto
( )HE pp
rr0µµ ⋅−=
∑=i
atip µµ rr
En el caso más simple: atip Nµµ rr =
A temperaturas altas, en presencia de un campo magnético externo HHHH sólo se observa la interacción Zeeman de la partícula con el campo.
Partículas magnéticas monodominio que no interactúan entre sí. La partícula tiene un momento total igual a la suma vectorial de sus momentos atómicos (supermomento). Poseen anisotropía (eje fácil).
K
µ0 = 4 πE-7 (unidades SI): permeabilidad del vacío
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Efecto de la anisotropía y la temperatura en partículas pequeñas
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Propiedades magnPropiedades magnééticas de partticas de partíículas culas pequepequeññasas, , monodominiomonodominio, ,
Efecto de la temperatura: régimen superparamagnético
τ = τ0 exp(KV/kT)
barrera de energía
Tiempo de relajación
M
H/T
Langevin
L(x)=coth(x)-1/x
x=µB/kTT > TB kT > KV → τ << τexp → régimen superparamagnetico
(Momento de la partícula)
K
θ
∆EK = KV sen2 θ
τ
θ
Eje fácil (K)
M
energía de
anisotropía (EK)
H
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Ma
gn
etiz
aci
ón
Temperatura
M0
TC
Desorden térmico
paraferro
macro
Momento Atómico
MomentosOrdenados
MomentosDesordenados
BULK
Propiedades magnPropiedades magnééticas de partticas de partíículas culas pequepequeññasas, , monodominiomonodominio, ,
ferro
Temperatura
Ma
gn
etiz
aci
ón
TB
Super-para
nanoMomento de Partícula : supermomento
para
bloqueado
Partícula pequeña
interaccionesde partículas
TC
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MK
HK
-HK HK
-HK
Temperaturas bajas: régimen
bloqueado
T < TB kT < KV → τ >> τexp → regime bloqueado
τ = τ0 exp(KV/kT)
Propiedades magnPropiedades magnééticas de partticas de partíículas culas pequepequeññasas, , monodominiomonodominio, ,
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Magnetic or“magnetotactic”bacteria
Propiedades magnPropiedades magnééticas de partticas de partíículas culas pequepequeññasas, , monodominiomonodominio, ,
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Registro magnético
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Registro Magnético en el Fondo Oceánico
Deriva continental
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Fondo Oceánico
Gilbert Gauss
El fondo marino El fondo marino El fondo marino El fondo marino se separa, la roca se separa, la roca se separa, la roca se separa, la roca muestra franjas muestra franjas muestra franjas muestra franjas magnmagnmagnmagnééééticas ticas ticas ticas simsimsimsiméééétricas tricas tricas tricas alejalejalejalejáááándose de la ndose de la ndose de la ndose de la fallafallafallafalla
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El campo magnEl campo magnEl campo magnEl campo magnéééético terrestre, aparentemente generado por el tico terrestre, aparentemente generado por el tico terrestre, aparentemente generado por el tico terrestre, aparentemente generado por el movimiento movimiento movimiento movimiento convectivoconvectivoconvectivoconvectivo del ndel ndel ndel núúúúcleo lcleo lcleo lcleo lííííquido del planeta, cambia de quido del planeta, cambia de quido del planeta, cambia de quido del planeta, cambia de polaridad capolaridad capolaridad capolaridad caóóóóticamente con un perticamente con un perticamente con un perticamente con un perííííodo medio de unos 100,000 aodo medio de unos 100,000 aodo medio de unos 100,000 aodo medio de unos 100,000 añññños. os. os. os.
Vista superior de un Vista superior de un Vista superior de un Vista superior de un patrpatrpatrpatróóóón magnn magnn magnn magnéééético tico tico tico del del del del áááárea de la falla. rea de la falla. rea de la falla. rea de la falla. La polaridad normal La polaridad normal La polaridad normal La polaridad normal estestestestáááá indicada en indicada en indicada en indicada en negro y la inversa negro y la inversa negro y la inversa negro y la inversa por los espacios por los espacios por los espacios por los espacios blancosblancosblancosblancos
Fondo Oceánico
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1953 1953 1953 1953 ---- MIT MIT MIT MIT ---- WhirlwindWhirlwindWhirlwindWhirlwind ---- Memoria de NMemoria de NMemoria de NMemoria de Núúúúcleo Magncleo Magncleo Magncleo Magnééééticoticoticotico
Datos
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NNNNúúúúcleos de memoria de cleos de memoria de cleos de memoria de cleos de memoria de WhirlwindWhirlwindWhirlwindWhirlwind
Datos
6.25 6.25 6.25 6.25 mmmmmmmm
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Datos
CESPI: IBM 1620 16 kB, IBM 360 256 kB
Proyecto Proyecto Proyecto Proyecto WhirlwindWhirlwindWhirlwindWhirlwind1953195319531953----1970197019701970
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http://www.sciam.com/2000/0500issue/0500toig.html
How does a Hard-disk work?¿Cómo trabaja un disco duro?
Datos
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Registro magnético en disco
Material magnético granular (Co-Pt-Cr).B, Ta, etc. para minimizar la transición entre “dominios” a fin de alcanzar alta densidad de flujo magnético perpendicular a la superficie. El flujo magnético en la superficie del disco rotante es sensado por lacabeza lectora.
[Figura: J. Stöhr, IBM Research Center.]
1 Gb/in2
Cerca del
límite
superparamagnético !!
Datos
τ = τ0 exp(KV/kT)
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Los bits de información se graban con la cabeza inductiva. El flujo magnético en la superficie del disco rotante essensado por la cabeza lectora magneto-resistiva.
Datos
http://www.hddtech.co.uk/resource/hard-disk-functionality.htm
Registro magnético en disco
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Datos
Discos duros - evoluciónForm factor Width Largest capacity Platters (Max)
5.25″ FH 146 mm 47 GB[22] (1998) 14
5.25″ HH 146 mm 19.3 GB[23] (1998) 4[24]
3.5″ 102 mm 2 TB[25] (2009) 4
2.5″ 69.9 mm 500 GB[26] (2008) 3
1.8″ (CE-ATA/ZIF) 54 mm 250 GB[27] (2008) 3
1.3″ 43 mm 40 GB[28] (2007) 1
1″ (CFII/ZIF/IDE-Flex) 42 mm 20 GB (2006) 1
0.85″ 24 mm 8 GB[29] (2004) 1
As of December 2008 a single 3.5" platter was able to hold 500GB worth of data
httphttphttphttp://://://://en.wikipedia.orgen.wikipedia.orgen.wikipedia.orgen.wikipedia.org////wikiwikiwikiwiki////Hard_disk_drive#cite_noteHard_disk_drive#cite_noteHard_disk_drive#cite_noteHard_disk_drive#cite_note----20202020
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http://www.solid-state.com/display_article/236129/5/none/none/DtStr/Hard-Disk-Drives:-Magnetic-head-processing-technology-for-small-form-factor-hard-drive
DatosDiseño nanoscópico de nuevos materiales
para almacenamiento de datos
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Nanomagnetos fabricados por (a) electroplateado, (b) evaporación, (c) lift-off. Los objetos de la Fig 1a son nanomagnetos de Ni de 220 nm de alto y 90 nm diametro. Los nanomagnetos de Ni de la Fig. 1b, fueron formados por evaporación y despegue lift-off. La Fig. 1c muestra nanomagnetos elongados de Co con eje magnético fácil en el plano. http://nanoweb.mit.edu/annual-report00/10.html
Imagen topográfica (a) y magnética (b) de los objetos de Ni de la Fig 1a. Círculos oscuros: magnetization apuntando hacia ariba, círculos claros: magnetization hacia abajo. Magnetization “up”puede interpretarse como el binario '1' y Magnetization “down” como el binario ‘0’
http://nanoweb.mit.edu/annual-report00/10.html
Datos
Diseño nanoscópico de nuevos materialespara almacenamiento de datos
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materiales magnmateriales magnééticos ticos blandosblandos
χ)(1µ/µ 0 +== HB
∫= HdBWH
vv.
materiales magnmateriales magnééticosticos ultraultra--blandosblandos
µ/µ0 ≥ 105
HC ≤ 1 A/m
MS ≥ 8x105 A/m
MR ≥ 4x105 A/m
TC ≥ 600 K propiedades intrínsecas
propiedades extrínsecas
WH
SM
RM
CH
Alta permeabilidad,
Baja coercitividad, HC = H(M = 0 or B = 0)
bajas pérdidas,
saturation y magnetización remanente altas, MS=M(H→∞); MR=M(H=0)
temperatura de orden alta, TC
alta resistividad, ρρρρ
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Importancia de mejorar estas propiedades
ejemplo: transformador; efecto de µµµµ y MS
HBvv
µ=
∫=ΦS
SdBvv
.
dtdNfem /22 Φ−=
iNH 1α=
Φ máximo para µ y consecuentementeBS máximos
Una alta resistividad ρreduce las pérdidas por corrientes Eddy
10% de toda la electricidad
generada se pierde en el
proceso de transmisión y
distribución.
Aproximadamente 80% de
ello podría ahorrarse usando
materiales magnéticos ultra
blandos de nueva generación.
Sólo en USA se disipan
5x10 10 kWh cada año por
pérdidas de núcleo en
transformadores de
distribución
materiales magnmateriales magnééticosticos ultraultra--blandosblandos
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Evolución hacia materiales nanoestructurados y nanocompuestos
aleaciones ferromagnéticas amorfas
materiales magnmateriales magnééticosticos ultraultra--blandosblandos
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Ultra blando,Finemet,
Nanoperm, Hitperm
Transformadores, etc.
evidencias experimentales para el Modelo de Anisotropía Aleatoria
materiales magnmateriales magnééticosticos ultraultra--blandosblandos
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materiales magnmateriales magnééticosticos ultraultra--blandosblandos
Atom
probe
analysis
Keff ≈≈≈≈ 10 J/m3
TEM
50 50 50 50 nmnmnmnm
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LÁMINA PARA BLINDAJE
MAGNÉTICO
TRANSFORMADORES
APLICACIONESAPLICACIONES
ELECTROIMANES
materiales magnmateriales magnééticosticos ultraultra--blandosblandos
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Permeabilidad vs frecuencia
finemet
materiales magnmateriales magnééticosticos ultraultra--blandosblandos
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Permeabilidad vstiempo
finemet
materiales magnmateriales magnééticosticos ultraultra--blandosblandos
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pérdida de potencia vsfrecuencia
finemet
materiales magnmateriales magnééticosticos ultraultra--blandosblandos
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propiedades comparativas a f = 1 kHz
materiales convencionales
materiales amorfos y
nanocristalinos
materiales magnmateriales magnééticosticos ultraultra--blandosblandos
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Finale… e recomendazione…
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Los superimanes no son para las heladeras…
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