Propiedades magnticas

Fuerzas magnticas Las fuerzas magnticas se generan mediante el movimiento de partculas cargadas Elctricamente; existen junto a las fuerzas electrostticas.

Distribuciones del campo magntico de : una espira por la que circula corriente y de un imn en forma de barra.

En los materiales magnticos existen polos magnticos, Son anlogos a los dipolos elctricos. Los dipolos magnticos pueden considerarse como pequeos imanes formados por un polo norte y un polo sur.

Dentro de un campo magntico, la fuerza del campo orienta los dipolos en la direccin del campo

Si el campo magntico es generado por medio de una bobina cilndrica formada Por N espiras:

Entonces, H:

L

INH

Campo magntico aplicado

unidades = (ampere-vuelta/m)

corriente

Campo magntico aplicado

Campo magntico

Aplicado, H

Corriente, I

N = nmero de vueltas

L = longitud total

Campo magntico aplicado o intensidad del campo magntico, H

La induccin magntica o densidad de flujo magntico, B, es la intensidad de campo magntico dentro de una sustancia que es sometida a un campo H

Induccin magntica

corriente I

B = Induccin magntica (tesla)

Dentro del material

La intensidad del campo magntico y la densidad de flujo estn relacionadas: B= H

Donde es la permeabilidad B0= 0H es la permeabilidad del vaco

=4 x10-7 H/m

Magnetizacin

Susceptibilidad magntica, (adimensional)

Mide la respuesta del material

relativa al vaco

H

B

vaco = 0

> 0

< 0

La magnetizacin, M, de un slido se define como: B0= 0H+ 0M

En presencia de un campo H, los momentos magnticos dentro del material tienden a alinearse con el campo y a reforzarlo en virtud de sus momentos magnticos.

La magnitud de M es proporcional al campo aplicado: M= mH

Donde m es la susceptibilidad magntica.

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Mide la respuesta de los electrones a un campo magntico.

Los electrones producen momentos magnticos:

Momento magntico neto:

--suma de los momentos de todos los electrones.

Tres tipos de respuesta...

Susceptibilidad magntica

Momentos magnticos

electrn

nucleo

electrn

spin

Las propiedades magnticas macroscpicas de los materiales son consecuencia de los Momentos magnticos de los electrones individuales.

El momento magntico ms fundamental es el Magnetn de Bohr B=9.27x10-24 A-m2.

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3 tipos de magnetismo

Induccin Magntica

B (tesla)

Campo magntico aplicado (H)

(ampere-vuelta/m)

vaco ( = 0)

-5 diamagntico ( ~ -10 ) (1) Ej. Al 2 O 3 , Cu, Au, Si, Ag, Zn

ferromagntico ej. Fe3O4, NiFe2O4 ferrimagntico ej. ferrita( ), Co, Ni, Gd

(3)

( hasta 10 6 !)

(2) paramagntico

Ej. Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr

( ~ 10 -4 )

permeabilidad del vaco:

(1.26 x 10-6 Henries/m)

HB o)1(

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Momentos magnticos de tres tipos

Sin campo Magntico aplicado (H = 0) Aplicado

Campo magntico(H)

(1) diamagntico

none

opposin

g

(2) paramagntico

random

alig

ned

(3) ferromagntico

ferrimagntico

alig

ned

alig

ned

Diamagnetismo

Es una forma muy dbil de magnetismo que no es permanente y presiste slo mientras el campo externo est presente.

Es inducido por un cambio en el movimiento orbital de los electrones debido al campo magntico aplicado.

Momento magntico es muy pequeo y tiene direccin opuesta al campo.

Los materiales diamagnticos No tienen aplicacin prctica

Paramagnetismo

En algunos materiales slidos, cada tomo posee un momento magntico dipolar permanente, por la cancelacin incompleta del espn de los electrones.

En ausencia de campo magntico aplicado estos momentos magnticos atmicos son al azar y son libre para girar.

En presencia del campo aplicado los momentos pueden girar y alinearse con el campo.

Susceptibilidad magntica pequea pero positiva.

Ferromagnetismo

Ciertos materiales poseen un momento magntico permanente en ausencia de campo externo aplicado

Manifiestan magnetizaciones permanentes muy grandes.

Tienen susceptibilidades magnticas hasta de 106. Los momentos magnticos se deben al espn de los

electrones no cancelados. Hay fuerzas de acoplamiento que hacen que los

momentos de tomos adyacentes se orienten. Esta alineacin mutua de los espines se presenta en

volmenes grandes del cristal dominios.

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Cuando el campo aplicado (H) aumenta...

--los momentos magnticos se alinean con H.

Materiales ferromagnticos

Campo magntico aplicado(H)

Magn

tica

(B

)

Ind

ucci

n

0

B sat

H = 0

H

H

H

H

H

Los Dominios con momentos magnticos crecen a expensas de los poco alineados.

Magnetizacin de saturacin

Magnetizacin de saturacin Ms:

Resulta cuando todos los dipolos magnticos en una pieza slida estn mutuamente alineados con el campo externo.

Tambin existe la correspondiente densidad de flujo de saturacin Bs.

La magnetizacin de saturacin es igual al producto del momento magntico neto de cada tomo y el nmero de tomos presentes.

Ejemplo

Calcule la magnetizacin de saturacin y la densidad de flujo de saturacin para el nquel, el cual tiene una densidad de 8.90 g/cm3. El nquel tiene un momento magntico de 0.60 B.

La magnetizacin de saturacin es el producto del nmero de magnetones de Bohr Por tomo, la magnitud del B y el nmero de tomos por metro cbico N:

Ms=0.60 B N

El nmero de tomos por metro cbico est relacionado con la densidad:

N= NA/ANi 9.13x1028 tomos/m3

Ms=5.1x105 A/m

La densidad de flujo de saturacin es: Bs= 0Ms = 0.64 tesla

Antiferromagnetismo

El acoplamiento entre los momentos magnticos de tomos o iones contiguos produce un alineamiento antiparalelo.

El alineamiento de los momentos de los espines de tomos o iones vecinos en es en direcciones opuestas.

El MnO exhibe este comportamiento

Los iones O2- no presentan momento magntico neto Los iones Mn2+ tienen momento magntico neto producido por el espn. Los momentos magnticos opuestos se cancelan entre s y en consecuencia el slido no posee momento magntico macroscpico.

Ferrimagnetismo

Algunos materiales cermicos poseen un tipo de magnetizacin permanente llamada ferrimagnetismo.

Son similiares a los ferromagnticos

La diferencia reside en el origen de los momentos magnticos

Se produce un momento ferrimagntico neto debido a que los momentos de espn no se cancelan completamente.

Influencia de la temperatura en el comportamiento magntico

La temperatura aumentalas vibraciones trmicas de los tomos deselinean los momentos Los materiales ferromagnticos, antiferromagnticos y ferrimagnticos disminuyen su magnetizacin de satruacin al aumentar la Temperatura.

La magnetizacin de saturacin es mxima a 0K.

Al aumentar la temperatura la Ms disminuye gradualmente y despus desciende abruptamente a cero, a la llamada temperatura de Curie, Tc.

Dominios

Cualquier material ferromagntico o ferrimagnteico a temperaturas inferiores a Tc est formado por pequeas regiones tridimensionles en las cuales los momentos magnticos estn todos alineados en la misma direccin. La magnitud del campo M para todo el slido es la suma vectorial de las magnetizaciones de todos los dominios

Histresis

AA partir de la saturacin , a partir de que el campo H se reduce debido a la inversin de su direccin, la corva no regresa por su caminio original.

El campo B va retrasado con respecto al campo H.

Existe un campo residual B remanencia, el material queda magnetizado en ausencia de un campo externo.

Materiales magnticos suaves y duros