magnetismo

TEMAS SELECTOS DE FÍSICA

Lectura: Materiales Magnéticos/Gabriel Martínez Alonso

FACULTAD DE I�GE�IERÍA MECÁ�ICA Y ELÉCTRICA

MATERIA: TEMAS SELECTOS DE FÍSICA

TEMA 2: 2. La conservación y la transmisión de la información. 2.1 Conservación de la información. 2.1.1 Métodos magnéticos. 2.1.2 Métodos ópticos. El disco compacto(CD). Holografía. Láser. 2.2 Transmisión de la información. 2.2.1 Ondas electromagnéticas. Modulación. 2.2.2 Las fibras ópticas y las comunicaciones. Una de las principales tareas que ha tenido la humanidad desde sus inicios es la conservación y trasmisión de la información. En este tema trataremos de este aspecto y de algunos de los métodos modernos que se utilizan para resolverla. Recordemos la importancia que tiene que el hombre pueda guardar y conservar la información que posee tanto para su procesamiento como para su utilización posterior. ¿Puede mencionar algún método utilizado para guardar información?. En la primera parte del tema trataremos sobre la conservación de la información estudiando dos métodos generales: los métodos magnéticos y los métodos ópticos. MÉTODOS MAGNÉTICOS. Todos conocemos dispositivos que utilizan métodos magnéticos para conservar información. ¿Puede mencionar algún dispositivo que utilice métodos magnéticos de conservar información?. Seguramente los más mencionados fueron los discos de las computadoras, pero recordemos que también las cintas de las grabadoras de música o los cassetes de video utilizan los mismos métodos magnéticos. Todos estos dispositivos se basan en el comportamiento de algunos materiales en presencia de campos magnéticos. Por ello para comprender cómo funcionan los mismos estudiaremos las características de este comportamiento para materiales en general. Comportamiento de los materiales en presencia de campos magnéticos. Sabemos que un material cualquiera está compuesto de átomos. Cada átomo puede considerarse formado por electrones que recorren órbitas alrededor de un núcleo, cargado positivamente. Como consecuencia de su movimiento estos electrones producen un campo magnético interno, que a su vez es consecuencia del momento propio de la cantidad de movimiento de cada electrón o espín. Así que los materiales producen ciertos campos magnéticos, similares a los campos producidos por espiras o alambres por los que circula corriente eléctrica. Cuando un determinado material se coloca en un campo magnético



externo su comportamiento queda determinado por la interacción entre los campos de sus átomos y el campo externo. Cada átomo, producto del movimiento de sus electrones, puede poseer un momento magnético que llamaremos mi Si hay N átomos en un volumen V, podemos definir un vector magnetización M de la siguiente forma:

V

m#

i

M∑

= 1

O sea es el momento magnético por unidad de volumen. Sus unidades son amperes/metro (A/m). En general describimos el campo magnético por medio de dos magnitudes: B: inducción magnética, que nos da una idea del campo magnético total existente en un punto del espacio. H: intensidad del campo que nos da una medida del campo magnético producido por corrientes reales y no por los efectos del material que exista en esa región. En general puede plantearse que:

)(0 MHB += µ

donde 0µ es la llamada permeabilidad del vacío o espacio libre con un valor de:

0µ = 4π x 10-7 Henry/metro (H/m) La relación escrita es válida para cualquier material, sea lineal o no. De aquí en adelante las relaciones escritas son esencialmente válidas para materiales lineales, para los cuales M varía linealmente con H, o sea:

HM mχ=

mχ es la susceptibilidad magnética del medio o cuán susceptible (o sensible) es el material

al campo magnético externo. Sustituyendo en la ecuación anterior obtenemos:

HB m )1(0 χµ +=



Se introduce una nueva magnitud que llamaremos permeabilidad relativa del material (o constante magnética del material) de la forma:

0

1µµχµ =+= mr

Esta es una cantidad adimensional y se define como la razón de la permeabilidad del material µ a la del vacío µ0. Las relaciones escritas son sólo válidas para materiales lineales e isótropos. CLASIFICACIÓN DE MATERIALES MAGNÉTICOS. En general podemos usar la susceptibilidad magnética χm o la permeabilidad relativa µr para clasificar los materiales. Se dice que un material es no magnético si χm= 0 (µr = 1) siendo este el caso del vacío. Los materiales más comunes se clasifican en: Los nombres de diamagnético y paramagnético provienen de los primeros experimentos que se realizaron sobre estos comportamientos. Si se coloca una barra de material diamagnético en un campo magnético la barra se orienta perpendicular a las líneas del campo magnético. El prefijo griego dia- significa “a través”. Una barra paramagnético se orienta con el campo magnético y el prefijo para- significa “junto a”. Los materiales diamagnéticos al ser introducidos en un campo magnético disminuyen un poco el valor de la inducción de este campo magnético (por ello µr <~ 1 para estos materiales) . Esto se debe a que en los átomos de estos materiales no existe momento magnético y se genera una corriente que se opone al campo externo. El efecto en general es muy pequeño lo cual puede verse de los siguientes valores:

Agua µr = 0.9999912 Bismuto µr = 0.99984 Plata µr = 0.999975

Los paramagnéticos son materiales que tienen átomos con un pequeño momento magnético en ausencia de campos externos, pero orientados en forma aleatoria, por lo que la magnetización es cero. Al introducirlo en un campo magnético externo los momentos de los

Materiales magnéticos

lineales No lineales

Diamagnéticos χm< 0 (µr <~ 1)

Paramagnéticos χm> 0 (µr >~ 1)

Ferromagnéticos χm>> 0 (µr >> 1)



átomos se alinean con el campo por lo que aumenta ligeramente este campo (por ello µr >~ 1). Ejemplos de materiales paramagnéticos son:

Aire µr = 1.00000036 Aluminio µr = 1.000021

Los materiales más importantes para ingeniería eléctrica son los ferromagnéticos. Ferro proviene del término latín ferrum (hierro) que fue el primer material que mostró estas características. Son materiales cuyos átomos presentan un momento magnético muy alto y además con una estructura cristalina que provoca una fuerte interacción entre los momentos magnéticos de átomos vecinos. A causa de ello se forma grupos de átomos (1012 – 1015 átomos) que tiene alineados los momentos en una misma dirección. A estos grupos se les conoce con el nombre de dominios magnéticos. El tamaño de estos dominios varía según el material. En el hierro las dimensiones lineales de los dominios en condiciones normales puede ser de 10-5 m pero en otros materiales pueden alcanzar hasta milímetros de dimensiones. En un pedazo de hierro natural los dominios magnéticos están orientados al azar de manera que el momento magnético total del pedazo es cero. Al introducir este pedazo en un campo magnético externo los dominios se orientan según el campo externo de manera que pasado un tiempo todo el pedazo de hierro exhibe un momento magnético orientado según el campo externo. Los imanes son sustancias que, por condición natural o adquirida, tiene la propiedad de atraer al hierro. La magnetita o piedra imán es un imán natural compuesto, fundamentalmente, de óxido de hierro (Fe3O4). Se puede imanar un trozo de hierro sometiéndolo a un campo magnético creado por un imán o por una corriente eléctrica. El hierro dulce (hierro con muy bajo contenido en carbono) se convierte en un imán artificial que pierde su magnetismo cuando deja de estar en contacto con el primer imán (o, como en el caso de un electroimán, cuando deja de pasar la corriente eléctrica por el arrollamiento conductor). El acero imanado es un imán artificial permanente porque sí conserva su magnetismo. Ejemplos de materiales ferromagnéticos son: el cobalto, el níquel y algunas aleaciones. Características generales de los materiales ferromagnéticos son:

1) Se les puede provocar un estado de magnetización muy intensa con ayuda de un campo magnético externo.

2) Al retirarlos del campo pueden conservar una parte considerable de su magnetización (memoria magnética).

3) Pierden sus propiedades ferromagnéticas y se convierten en materiales paramagnéticos al elevar su temperatura por encima de cierta valor conocido con el nombre de Temperatura de Curie. (para el hierro 770° C).

4) Son no lineales es decir la relación B = µ0µrH no es válida para los materiales ferromagnéticos porque µr depende de B y no se puede dar un valor único. Los valores que se dan en las tablas son solo valores típicos.

Ejemplos: Cobalto µr = 250 Níquel µr = 600



Acero suave (0.2 C) µr = 2 000 Hierro(0.2 impurezas) µr = 5 000 Hierro purificado µr = 200 000 Superalloy (5 Mo, 79 Ni) µr = 1 000 000 Otra clase de materiales menos frecuentes son los antiferromagnéticos en los cuales los momentos magnéticos de átomos o moléculas vecinas se orientan en forma antiparalela, por lo cual el momento magnético neto es cero. Ejemplos de estos materiales son el FeO, el CuCl2 y el FeF2 que en general se emplean poco. Una subclase de estos materiales son las ferritas (NiO – Fe2O3) en las cuales los momentos magnéticos de átomos vecinos no son exactamente iguales y por ello tiene un momento magnético neto no cero. Por tener muy baja conductividad eléctrica algunos de estos materiales son muy aplicados en corrientes alternas de alta frecuencia debido a sus pocas pérdidas por efecto de calentamiento, por ejemplo en antenas y núcleos de inductores. PREGUNTAS:

1) Se sabe que un material posee átomos que no tienen momento magnético propio. ¿Podría decir qué tipo de material será este desde el puno de vista magnético?. Explique.

2) Si un cuerpo paramagnético se sitúa cerca de un fuerte imán permanente, ¿será repelido o atraído por el imán?. Explique.

3) ¿Qué materiales se utilizan para fabricar imanes permanentes?. ¿Por qué?. 4) Explique cuales de las siguientes afirmaciones son válidas y cuáles no para

materiales ferromagnéticos: a. Tienen una susceptibilidad magnética grande. b. Tienen un valor de permeabilidad magnética relativa fijo. c. Por encima de la temperatura de Curie pierden sus propiedades

ferromagnéticas. d. Casi no se utilizan en la práctica.

5) Represente en un diagrama aproximado, cómo se vería un material ferromagnético

que no ha sido sometido a la acción de un campo magnético, si pudiéramos observar la estructura de los dominios magnéticos.

6) En un horno a alta temperatura se cae un cuerpo de hierro. Alguien propone utilizar un imán para extraerlo, pero cando se introduce el imán de hierro no atrae al cuerpo que están dentro del horno. Cuando sacaron el imán resultó que había perdido sus propiedades y ya no atraía los pedazos de hierro. ¿Puede explicar qué ocurrió?.

7) ¿Qué es la histéresis magnética?. ¿Qué materiales son los que presentan este comportamiento?.

8) Describe que entiende por ferromagnético duro y ferromagnético blando.



PARTE 2 CONSERVACIÓN DE INFORMACIÓN. Los materiales magnéticos se emplearon para guardar datos desde que se inventó la primera computadora. Al principio las memorias eran pequeños núcleos ferromagnéticos toroidales dispuestos en arreglos bidimensionales, donde se almacenaba la información. El disco duro y los floppy disks son también memorias magnéticas. Puede escribirse en ellos magnetizando una pequeña parte de su superficie y se puede leer de él induciendo un voltaje en una espira pequeña que se mueve muy cerca del elemento superficial del disco magnetizado. Al perfeccionarse la tecnología ha aumentado rápidamente la cantidad de información que puede almacenarse en un disco duro tamaño estándar. Entre 1995 y 1997 la capacidad estándar de los discos duros de las nuevas computadoras creció de unos cuantos megabytes a más de 2 gigabytes. El disco duro está revestido con un recubrimiento delgado de material ferromagnético como el Fe2O3 quedando el disco organizado en sectores y pistas.

La cabeza magnética es el dispositivo que escribe los datos en el disco y los extrae de él. Las cabezas pueden ser de diversas formas pero todas trabajan bajo el mismo principio. La cabeza está constituida por un circuito magnético con una hendidura. Debido a que se encuentra muy cerca de la superficie del disco parte del flujo magnético generado en la cabeza llega al disco. En el proceso de escritura una corriente eléctrica fluye por el devanado de la cabeza magnética creando un campo magnético en la hendidura, que mide apenas unos 5 µm. Al desplazarse la cabeza por la pista el campo magnetiza una pequeña porción de la pista, produciendo un polo norte y uno sur en dirección de la rotación. Estos pequeños imanes miden aproximadamente 5 µm de largo por unos 25 µm de ancho. Un parámetro muy importante es la altura de la cabeza sobre la pista; no puede golpearla pero debe estar lo más cerca para maximizar el flujo que magnetiza la pista. Por lo regular la superficie de la cabeza es plana de alrededor de varios µm y la cabeza se encuentra a una distancia aproximada de 1 µm o menos por encima de la pista.

SECTOR

PISTA



Durante el proceso de lectura no fluye corriente por los devanados de la cabeza magnética. La magnetización residual en la cabeza debe ser lo más pequeña posible para que no influya en los datos leídos, por lo que el material de la cabeza debe desmagnetizarse cuando deje de circular corriente por el devanado. Ahora al pasar la pista magnética cerca de la cabeza debe inducir un voltaje en los extremos del devanado, debido a las variaciones del flujo magnético al cambiar la orientación de la magnetización de la pista. El voltaje más alto se genera cuando los campos magnéticos modifican su dirección, o sea en las fronteras entre dos imanes vecinos. Así se produce pulsos positivos y negativos en el devanado que constituyen los datos conservados en la pista. El voltaje generado es proporcional al flujo magnético remanente en la pista por lo que el material de la misma debe tener la propiedad de mantener la orientación de la magnetización durante mucho tiempo. La rotación del disco es a alta velocidad de alrededor de 3 000 pulgadas por segundo (170 mph o 272 km/h) comparada con la de una cinta magnética que es de alrededor de 2 pulgadas por segundo. Esta velocidad es la que permite que la lectura de datos sea rápida así tiempos de respuesta de 10 o 20 milisegundos son comunes, pudiendo leer entre 5 y 40 megabytes por segundo. PREGUNTAS:

1) ¿Cuáles propiedades de los materiales magnéticos se aplican a las pistas y en las cabezas de un disco duro?.

2) Si suponemos que un 1 es un pequeño imán grabado en la pista con una orientación N-S de izquierda a derecha y un 0 es un pequeño imán con una orientación contraria, ¿cómo sería la forma del voltaje generado en la cabeza de lectura al pasar una cadena de datos igual a 110 por la misma?.

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