Introducción
En este capítulo presentamos las características fundamentales y algunas aplicaciones de materiales magnéticos de interés tecnológico.
Magnetismo en materiales:
Las corrientes eléctricas crean campo magnético. Además, existen materiales naturales o sintéticos que crean campo magnético. Los campos creados por los materiales magnéticos surgen de dos fuentes atómicas: los momentos angulares orbitales y de espín de los electrones, que al estar en movimiento continuo en el material experimentas fuerzas ante un campo magnético aplicado.
Por lo tanto, las características magnéticas de un material pueden cambiar por aleación con otros
elementos, donde se modifican por las interacciones atómicas. Por ejemplo, un material no magnético como el aluminio puede comportarse como un material magnético en materiales como alnico (aluminio-níquel-cobalto) o manganeso-aluminio-carbono. También puede adquirir estas propiedades mediante trabajo mecánico u otra fuente de tensiones que modifique la geometría de la red cristalina.
• Todo material está compuesto por átomos que contienen electrones móviles. Un campo magnético aplicado actúa siempre sobre los electrones considerados individualmente. Esto da
origen al efecto universal llamado diamagnetismo. Este es un efecto clásico y depende solamente del movimiento de los electrones.
• A nivel atómico, la superposición de los momentos magnéticos (orbital, debido al movimiento del electrón alrededor del núcleo, e intrínseco o de espín) aportados por los electrones al átomo o molécula del cual forman parte da un momento magnético resultante o neto al átomo o molécula. Cuando hay un momento neto atómico o molecular los momentos magnéticos tienden a alinearse con el campo aplicado (o con los campos creados por momentos magnéticos vecinos), dado lugar al efecto del para-magnetismo. Simultáneamente, la energía térmica omnipresente tiende a orientar al azar a los momentos magnéticos, de manera que laintensidad relativa de todos estos efectos determinará en definitiva el comportamiento del material. En la figura se esquematiza un material no magnetizado: los momentos magnéticos están orientados al azar.
Los materiales magnéticos se caracterizan por su permeabilidad µ, que es la relación entre el
campo de inducción magnética y el campo magnético dentro del material:
(1 ) B = µ H µ = µ r
µ 0
= µ 0
+ χ m
donde µr: es la permeabilidad relativa y χm la susceptibilidad magnética del material.
Diamagnetismo.
El diamagnetismo es un efecto universal porque se basa en la interacción entre el campo aplicado
y los electrones móviles del material. El diamagnetismo queda habitualmente enmascarado por el
paramagnetismo, salvo en elementos formados por átomos o iones que se disponen en “capas”
electrónicas cerradas, ya que en estos casos la contribución paramagnética se anula. Las características esenciales del diamagnetismo son:
• Los materiales diamagnéticos se magnetizan débilmente en el sentido opuesto al del campo
magnético aplicado. Resulta así que aparece una fuerza de repulsión sobre el cuerpo respecto
del campo aplicado.
• La susceptibilidad magnética es negativa y pequeña y la permeabilidad relativa es entonces
ligeramente menor que 1.
• La intensidad de la respuesta es muy pequeña.
Se puede modelar en forma sencilla el comportamiento diamagnético mediante la aplicación de
la ley de Lenz al movimiento orbital de los electrones. El diamagnetismo fue descubierto por Faraday en 1846.
Ejemplos de materiales diamagnéticos son el cobre y el helio.
Paramagnetismo.
Los materiales paramagnéticos se caracterizan por átomos con un momento magnético neto, que
tienden a alinearse paralelo a un campo aplicado. Las características esenciales del paramagnetismo son:
• Los materiales paramagnéticos se magnetizan débilmente en el mismo sentido que el campo magnético aplicado. Resulta así que aparece una fuerza de atracción sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.
• La susceptibilidad magnética es positiva y pequeña y la permeabilidad relativa es entonces ligeramente mayor que 1.
• La intensidad de la respuesta es muy pequeña, y los efectos son prácticamente imposibles de detectar excepto a temperaturas extremadamente bajas o campos aplicados muy intensos.
Debido a la debilidad de la respuesta, a menudo los materiales paramagnéticos se asimilan al aire (µ = µ0) en el diseño magnético. Ejemplos de materiales paramagnéticos son el aluminio y el sodio.
Distintas variantes del paramagnetismo se dan en función de la estructura cristalina del material, que induce interacciones magnéticas entre átomos vecinos.
Ferromagnetismo.
En los materiales ferromagnéticos los momentos magnéticos individuales de grandes grupos de átomos o moléculas se mantienen lineados entre sí debido a un fuerte acoplamiento, aún en ausencia de campo exterior.
Estos grupos se denominan dominios, y actúan como un pequeño imán permanente. Los dominios tienen tamaños entre 10, -12 y 10, -8m 3 y contienen entre 10, 21 y 10, 27 átomos. Los dominios se forman para minimizar la energía magnética entre ellos. En ausencia de campo aplicado, los dominios tienen sus momentos magnéticos netos distribuidos al azar.
Cuando se aplica un campo exterior, los dominios tienden a alinearse con el campo. Este alineamiento puede permanecer en algunos casos de muy fuerte acoplamiento cuando se retira el campo, creando un imán permanente. Las características esenciales del ferromagnetismo son:Los materiales ferromagnéticos se magnetizan fuertemente en el mismo sentido que el campo magnético aplicado. Resulta así que aparece una fuerza de atracción sobre el cuerpo respecto del campo aplicado.
• La susceptibilidad magnética es positiva y grande y la permeabilidad relativa es entonces mucho mayor que 1. 
Los momentos magnéticos están alineados ya que existen fuertes interacciones entre ellos.
La agitación térmica tiende a desalinear los dominios. A temperatura
INTENSIDAD DEL FLUJO MAGNETICO
La densidad de flujo magnético, visualmente notada como B, es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y es igual a la intensidad del campo magnético.
La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Tesla.
Está dado por:
donde B es la densidad del flujo magnético generado por una carga q que se mueve a una velocidad v a una distancia r de la carga, y ur es el vector unitario que une la carga con el punto donde se mide B (el punto r).
o bien
donde B es la densidad del flujo magnético generado por un conductor por el cual pasa una corriente I, a una distancia r.
Este campo B también se llama inducción magnética.
La fórmula de esta definición se llama Ley de Biot-Savart, y es en magnetismo la “equivalente” a la Ley de Coulomb de la electrostática: Sirve para calcular fuerzas de atracción-repulsión entre conductores atravesados por corrientes de carga.
El campo inducción, B, o densidad de flujo magnético (los tres nombres son equivalentes) es incluso mas importante en electromagnetismo que el propio campo magnetico H, y aparece en las ecuaciones de Maxwell con mayor relevancia que este.
Ecuaciones de Maxwell
Las ecuaciones de Maxwell son las ecuaciones que describen los fenómenos electromagnéticos. La gran contribución de James Clerk Maxwell fue reunir en estas ecuaciones largos años de resultados experimentales, debidos a Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros, introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético. De las ecuaciones de Maxwell se desprende la existencia de ondas electromagnéticas propagándose con velocidad vf:
El valor numérico de esta cantidad, que depende del medio material, coincide con el valor de la velocidad de la luz en dicho medio, con lo cual Maxwell identificó la luz con una onda electromagnética, unificando la óptica con el electromagnetismo.
TEORIAS DEL MAGNETISMO.
TEORÍA MODERNA DEL MAGNETISMO.
1° Proposición de Blackett, que todo cuerpo al girar es un imán
2° Centro líquido de la tierra, Bastante difundida, que lo que produce el magnetismo es el centro ferroso líquido de la tierra.
3° Magnetismo solar, que al girar la tierra, a causa de los rayos del sol, se trasformaba en una dínamo.
El magnetismo es el resultado del movimiento de los electrones en los átomos de las sustancias. Por lo tanto el magnetismo es una propiedad de la carga en movimiento y está estrechamente relacionado con el fenómeno eléctrico. De acuerdo con la teoría clásica, los átomos individuales de una sustancia magnética son, en efecto, diminutos imanes con polos norte y sur. La polaridad magnética de los átomos se basa principalmente en el espín de los electrones y se debe sólo en parte a sus movimientos orbitales alrededor del núcleo.
Además, los campos magnéticos de todas las partículas deben ser causados por cargas en movimiento y tales modelos nos ayudan a describir los fenómenos .Los átomos en un material magnético están agrupados en microscópicas regiones magnéticas a las cuales se aplica la denominación de dominios. Se piensa que todos los átomos dentro de un dominio están polarizados magnéticamente alo largo de un eje cristalino. En un material no magnetizado, estos dominios se orientan en direcciones al azahar Se usa un punto para indicar que una flecha está dirigida hacia afuera del plano, y una cruz indica una dirección hacia adentro del plano. Si un gran número de dominios se orientan en la misma dirección el material mostrará fuertes propiedades magnéticas.
La teoría del magnetismo demuestra que para gran número de los efectos magnéticos observados en la materia. Por ejemplo, una barra de hierro no magnetizada se puede transformar en un imán simplemente sosteniendo otro imán cerca de ella o en contacto con ella. Este proceso, llamado inducción magnética. Las tachuelas se convierten por inducción en imanes, temporalmente. Observe que las tachuelas de la derecha se magnetizaron, a pesar de que en realidad no se han puesto en contacto con el imán. La inducción magnética se explica por medio de la teoría del dominio.
La introducción de un campo magnético provoca la alineación de los dominios, y eso da por resultado la magnetización.
El magnetismo inducido suele ser sólo temporal, y cuando se retira el campo los dominios gradualmente vuelven a estar desorientados. Si los dominios permanecen alineados en cierto grado después de que el campo se ha eliminado, se dice
que el material está permanentemente magnetizado. La capacidad de retener el magnetismo se conoce como retentividad.
Otra propiedad de los materiales magnéticos que se explica fácilmente a la luz de la teoría del dominio es la saturación magnética. Tal parece que existe un límite para el grado de magnetización que experimenta un material. Una vez que se ha alcanzado dicho límite, ningún campo externo, por fuerte que sea puede incrementarla magnetización. Se piensa que todos sus dominios ya se han alineado.
1° Proposición de Blackett, que todo cuerpo al girar es un imán
2° Centro líquido de la tierra, Bastante difundida, que lo que produce el magnetismo es el centro ferroso líquido de la tierra.
3° Magnetismo solar, que al girar la tierra, a causa de los rayos del sol, se trasformaba en una dínamo.
LA TEORÍA DEL CAMPO DE MAXWELL Como resultado de sus investigaciones, Michael Faraday contribuyó a nuestro conocimiento del mundo con aportaciones de la misma importancia que las que hicieron los más aventajados científicos del pasado, como Galileo y Newton. Sus numerosos descubrimientos merecieron la admiración de sus coetáneos, quienes no se percataron plenamente del impacto e importancia de su teoría de campos y demás hallazgos. En realidad, hubo solamente un hombre, James Clerk Maxwell que supiera apreciar plenamente la importancia y las posibilidades de las ideas de Faraday. Lo que Maxwell se encontró delante fue una serie de hallazgos experimentales y unas cuantas ideas (en estado embrionario, pero fascinantes) sobre una teoría general del electromagnetismo y del mundo.
James Clerk Maxwell se encargó de clarificar la teoría de Faraday y de descubrir las leyes del campo. Aunque es cierto que su imponente teoría matemática se basaba en las ideas de Faraday, alteró alguno de las rasgos fundamentales de su concepción. La desviación fundamental de Maxwell respecto a Faraday era su concepto de materia y campo como entes totalmente diferentes.
PROPOSICIÓN DE BLACKETT
Es un hecho misterioso que el eje magnético de la Tierra esté cerca de su eje de rotación, que los polos magnéticos, donde la fuerza magnética apunta directamente hacia abajo, están muy cercanos a los geográficos. William Gilbert vio esto como una evidencia de que la rotación y el magnetismo provenían de la misma causa:
"El movimiento diurno es debido a causas que han de ser indagadas, provenientes del vigor magnétick y de los cuerpos confederados."
Gilbert creía que la Tierra giraba debido a que era magnética. P.M. Blackett, que ganó el Premio Nobel en 1948 por su trabajo sobre los rayos cósmicos, consideraba seriamente la posibilidad contraria, que la Tierra era magnética debido a que giraba alrededor de su eje. En un tiempo, Blackett sugirió que quizás existía un nuevo fenómeno universal, que cualquier objeto girando estaba intrínsecamente magnetizado.
EL MAGNETISMO SOLAR Una limitación, relacionada con el fallo de la teoría de Blackett, es que cualquier circuito girando como un cuerpo sólido no producirá "corrientes de dinamo". Aún en el caso de que parte del circuito siga al eje de rotación, y pueda, por tanto, ser vista como como no giratoria, el giro sólido no creará ninguna corriente. Una característica esencial de la dinamo de disco de Faraday es que la parte de su circuito que está fuera del disco no comparte su giro. Por consiguiente, la rotación del Sol alrededor de su eje no contribuye, por si misma, a su magnetismo. Lo que es importante en este caso es que el Sol no gira como una esfera sólida. Su ecuador tiene un período de rotación menor que que el las latitudes mayores-- sobre 25 días para el ecuador, 27 días para la latitud de 40 grados (entretanto la Tierra se mueve alguna distancia alrededor del Sol, por lo que desde aquí los períodos aparentan ser de 27 y 29 días). Si la Tierra girase así, Florida (por ejemplo) pronto se desgajaría del resto de los EE. UU. hacia el Océano Atlántico. Ese movimiento asimétrico, que deforma la superficie, puede impulsar una dinamo y en el caso del Sol, se cree que es la origen del magnetismo de las manchas solares.
TEORÍA DE LA DINAMO Antes de que los matemáticos afronten un problema complejo, prueban soluciones simples (un chiste sobre un modelo matemático de producción de leche: Suponiendo una vaca esférica de radio R, llena uniformemente de leche...). No hay esa suerte aquí: pronto, en 1931, Thomas G. Cowling en Inglaterra, probó que ninguna dinamo auto sostenida en el centro de la Tierra puede tener un eje de simetría.
Walter Elsasser, de la Universidad de Utah (luego en Johns Hopkins) abordó en los 1940s un ataque frontal sobre el problema tridimensional. No llegó a ninguna parte: las ecuaciones se hicieron más y más intrincadas y se fue a los detalles. Otros tuvieron experiencias similares. Solo en 1964 publicó Stanislaw Braginsky en Rusia las primeras soluciones válidas, asumiendo que el campo tenía en su mayoría una simetría axial y calculando su pequeña desviación de la simetría. La solución al problema completo, incluyendo el flujo calorífico, es mucho más difícil. No solo no estamos seguros del origen del calor, sino que cualquier movimiento causado por él está muy modificado por el giro de la Tierra. Esta modificación es una característica principal de los movimientos a gran escala en la atmósfera, que origina que los huracanes y tormentas se arremolinen en su forma característica. En 1955, Eugene Parker propuso un mecanismo por el cual tales remolinos, en los flujos ascendentes de la atmósfera solar, podrían crear campos de dinamo.
Vistas desde arriba, la dirección del remolino de las borrascas en la atmósfera siempre es antidextrogiro (contrario a la agujas del reloj) al norte del ecuador ydextrogiro (en sentido de las agujas del reloj) al sur de él. Esta asimetría se prevé también en los flujos ascendentes en el centro de la Tierra, y Steenbeck et al., en Alemania, expuso en 1966 que, gracias a eso, los modelos de convección desordenados pueden producir un "campo de dinamo" medio. Esto se conoce como"efecto alfa", debido a que implica una cantidad matemática designada por la letra griega α (alfa)--pero los detalles son muy complicados para describirlos aquí.
El efecto dínamo es una teoría geofísica que explica el origen del campo magnético principal de la Tierra como una dínamo autoexcitada (o auto-sustentada). En este mecanismo dínamo el movimiento fluido en el núcleo exterior de la Tierra mueve el material conductor (hierro líquido) a través de un campo magnético débil, que ya existe, y genera una corriente eléctrica (el calor del decaimiento radiactivo en el núcleo induce el movimiento convectivo). La corriente eléctrica produce un campo magnético que también interactúa con el movimiento del fluido para crear un campo magnético secundario. Juntos, ambos campos son más intensos que el original y yacen esencialmente a lo largo del eje de rotación de la Tierra
| EL CENTRO DE LA TIERRA La forma de propagarse las ondas sísmicas nos dicen que la Tierra tiene en el centro un núcleo líquido denso, que ocupa la mitad del radio terrestre, y dentro de este un núcleo interno sólido. Se cree mayoritariamente que su centro está constituido de hierro fundido, posiblemente mezclado con níquel y azufre. La densidad aparenta ser la adecuada, y el hierro, que de entre todos los elementos es el que tiene el núcleo más estable, abunda en el universo. Se concentra en el centro de la Tierra porque es pesado, por la misma razón que cuando se extrae de su mena, se hunde al fondo del horno de tostado. La Energía es la moneda con la que se pagan la mayoría de los procesos en la naturaleza. El magnetismo terrestre no es una excepción, y su energía parece provenir de los movimientos de flujo en el centro de la Tierra, de movimientos circulatorios que ayudan a liberar el calor producido. De forma similar, nuestro tiempo atmosférico está dirigido por los flujos de aire circulantes que ayudan a mantener fresco el suelo, donde se absorbe mucha de la luz solar.
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| Los científicos no están seguros de lo que proporciona el calor en el centro de la Tierra. Quizá provenga de algo del hierro que se solidifica y se une al núcleo central, o quizá esté generado por la radioactividad, como el calor que se genera en la corteza terrestre. Los flujos son muy lentos y la energía implicada es solo una pequeña parte del total de la energía térmica contenida en el centro. Se cree que el metal fundido esta circulando. Al moverse a través del campo magnético existente, crea un sistema de corrientes eléctricas que se extienden por el centro, de forma parecida a la dinamo de disco de Faraday, que se abordó anteriormente. Las corrientes crean un campo magnético, una distribución de las fuerzas magnéticas, y la esencia del problema de la dinamo autosostenida es encontrar soluciones tales que el campo magnético resultante sea también el campo requerido para generar la primera corriente. En realidad, ese solo es el menor nivel del problema, en el que se es libre para formular los movimientos. Para resolver el problema completo necesitamos información sobre las fuentes caloríficas, y estas fuentes deben de ser capaces de impulsar los movimientos que también resuelvan el problema de la dinamo. Tales problemas no son fáciles. Implican matemáticas complejas que todavía no están completamente resueltas. |
GUILLERMO WEBER Existen varias teorías pero la más aceptada es la de Guillermo Weber, dicha teoría establece que los materiales magneticos como el hierro, cobalto y niquel estan formados por innumerables imanes elementales muy pequeños . Antes de magnetizaer cualquier trozo de alguno de estos metales, los diminutos imanes elementales muy pequeños. Antes de magnetizar cualquier trozo de alguno de esos metales, los diminutos imanes elementales estan orientados al azar, es decir en diferentes direcciones. Cuando se comienza a magnetizar algun trozo de estos metales, los imanes elementales giran hasta alinearse en forma paralela al campo que los magnetiza totalmente.
LA LEY DE GAUSS La ley de Gauss relaciona el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada y la carga eléctrica encerrada por esta superficie. De esta misma forma, también relaciona la divergencia del campo eléctrico con la densidad de carga.
MAGNETIMO TERRESTRE.
Magnetismo terrestre. El fenómeno del magnetismo terrestre se debe a que toda la Tierra se comporta como un gigantesco imán. Aunque no fue hasta 1600 que se señaló esta similitud, los efectos del magnetismo terrestre se habían utilizado mucho antes en las brújulas primitivas. El nombre dado a los polos de un imán (Norte y Sur) se debe a esta similitud.
Un hecho a destacar es que los polos magnéticos de la Tierra no coinciden con los polos geográficos de su eje. Las posiciones de los polos magnéticos no son constantes y muestran ligeros cambios de un año para otro, e incluso existe una pequeñísima variación diurna solo detectable con instrumentos especiales.
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Declinación. La diferencia angular entre el Norte magnético y el Norte geográfico, se denomina declinación. La declinación es Este cuando el norte magnético está al este del norte geográfico, y es Oeste cuando el norte magnético está al oeste del norte geográfico. En España la declinación es Oeste. La declinación varía de un lugar a otro. Dado que las variaciones no son muy grandes, se suele asumir una misma declinación para zonas geográficas próximas (p.ejemplo la Península Ibérica, uno o más Estados en EE.UU, etc...).
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Inclinación. Dependiendo de la zona magnética del planeta en la que nos encontremos la aguja de nuestra brújula puede llegar a inclinarse sobre una superficie totalmente nivelada, hasta llegar a tocar el cristal protector y bloquearse. Este efecto es consecuencia directa de la curvatura de la tierra y de encontrarse en latitudes muy cercanas o alejadas del polo magnético. Así pues, en latitudes cercanas al Polo Norte magnético, la aguja tenderá a bajar, mientras que en latitudes cercanas al polo sur, la aguja tenderá a subir. |
Hasta el siglo XVI el hombre no intuyó que la Tierra se comportaba como un gigantesco imán. Desde entonces, diversos científicos se aplicaron al estudio del magnetismo terrestre, contribuyendo de manera fundamental a aumentar el conocimiento y la comprensión de este fenómeno.
La existencia del campo magnético de la Tierra es conocida desde muy antiguo, por sus aplicaciones a la navegación a través de la brújula. En el año 1600, el físico inglés de la corte de Isabel I, William Gilbert, publicó la obra titulada De magnete, considerada como el primer tratado de magnetismo. Gilbert talló un imán en forma de bola y estudió la distribución del campo magnético en su superficie.
Encontró que la inclinación del campo en este imán esférico coincidía con lo que se sabía acerca de la distribución del campo terrestre. De este experimento concluyó que la Tierra era un gigantesco imán esférico. Posteriormente, los estudiosos del geomagnetismo observaron que, tomando en cuenta la declinación, la mejor representación del campo terrestre sería un imán esférico cuyo eje de rotación estuviera desviado unos 110 del eje geográfico de la Tierra.
La Tierra es un imán
Un imán suspendido horizontalmente adopta una posición tal que uno de sus extremos apunta aproximadamente hacia el polo norte geográfico. Este extremo se llama polo norte del imán; el opuesto se denomina polo sur. Los polos del mismo nombre de dos imanes se repelen y los de nombre contrario se atraen.
El polo norte de la aguja de una brújula apunta al polo norte geográfico, porque la Tierra misma es un imán: el polo sur de este imán está cerca del polo norte geográfico y, como los polos contrarios de dos imanes se atraen mutuamente, resulta que el polo norte de la brújula es atraído por el polo sur del imán terrestre, que está en las proximidades del polo norte geográfico.
Sin embargo, la brújula indica cuál es la dirección de la línea geográfica Norte-Sur sólo de un modo aproximado. Los polos norte y sur geográficos son los dos puntos donde el eje de rotación de ¡a Tierra corta a la superficie terrestre. Normalmente, la aguja de la brújula se desvía hacia el Este o hacia el Oeste del norte geográfico. Este ángulo de desviación se denomina declinación.
Una aguja magnética suspendida por su centro de gravedad no se mantiene en posición horizontal. el extremo que señala al Norte se inclina hacia el suelo en el hemisferio septentrional, y lo mismo hace el extremo que señala al Sur, en el hemisferio meridional. Este ángulo de desviación de la aguja respecto de la horizontal se llama inclinación magnética. El valor de la inclinación, al igual que el de la declinación, es diferente de un punto a otro de la superficie de la Tierra.
El campo magnético terrestre se caracteriza también por su intensidad. La intensidad de un campo magnético se mide en gauss. El campo magnético terrestre es bastante débil, del orden de 0,3 gauss en las proximidades del ecuador y de 0,7 gauss en las regiones polares.
El alineamiento en general Norte-Sur de las líneas magnéticas, de acuerdo con el eje de rotación terrestre, sugiere que el campo, en lo fundamental; constituye un dipolo. Resulta inclinado unos 110 respecto al eje de rotación terrestre, y presenta considerables irregularidades (no corresponde al campo de un dipolo perfecto).
BIBLIOGRAFIA:
http://www.ill.fr/dif/3D-crystals.
http://materias.fi.uba.ar/6209/download/4-Materiales%20Magneticos.pdf
