propiedades magneticas
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Mayo 03, 2010
Física Electricidad.
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PROPIEDADES MAGENTICAS DE LA MATERIA
Estefanía Becerra Sanabria Inírida Carrillo Foliaco
Email: [email protected] Email: [email protected]
Ingeniería Eléctrica Ingeniería Electrónica
Kerim Muvdi Muvdi
Email: [email protected]
Ingeniería Industrial
RESUMEN
En este trabajo estudiaremos el comportamiento de las propiedades magnéticas de los materiales y como estas son aplicadas a la vida cotidiana. Basándonos en una propiedad específica de los materiales
magnéticos, como es el caso del diamagnetismo, hablaremos sobre la superconductividad diamagnética y las aplicaciones de esta.
ABSTRACT
In this paper we study the behavior of the magnetic properties of materials and how the properties are applied to everyday life. Based on a specific property of magnetic materials, as is the case of diamagnetism, we will discuss diamagnetic superconductivity and applications of this.
1. INTRODUCCION
En el presente trabajo estudiaremos las distintas clases de materiales magnéticos y algunas aplicaciones de una de las propiedades específicamente el diamagnetismo que se encarga de repeler o atraer los campos magnéticos, y daremos a conocer los materiales superconductores los cuales son un buen material diamagnético que posee una capacidad intrínseca para transportar corriente eléctrica.
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2. OBJETIVOS
2.1 General:
Entender y analizar las propiedades de los materiales magnéticos como el diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo y antiferromagnetismo.
2.2 Específicos:
Estudiar algunas aplicaciones de los materiales diamagnéticos.
Comprender las distintas clases de materiales según sus características.
3. MARCO TEORICO
3.1 Campo magnético
El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor q que se desplaza a una velocidad , sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.
Donde F es la fuerza, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción magnética y densidad de flujo eléctrico. (Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto vectorial es un producto vectorial que tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B). El módulo de la fuerza resultante será
La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad localizada en el espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo magnético terrestre, puede ser considerada un magnetómetro.
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3.2 Generadores Eléctricos
Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Están basados en la ley de Faraday.
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Generador eléctrico de una fase que genera una corriente eléctrica alterna (cambia periódicamente de sentido), haciendo girar un imán permanente cerca de una bobina. Un generador es una máquina eléctrica que realiza el proceso inverso que un motor eléctrico, que transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases. 3.3 Imanes
Los materiales que tienen un campo magnético más notable que la mayoría se denominan imanes. Un imán puede ser natural o formado magnetizando un material con propiedades magnéticas como lo es el hierro. Un material (cuyas propiedades lo permitan) se magnetiza acercándolo a un campo magnético (por ejemplo a otro imán). Los imanes tienen dos polos llamados Norte y Sur. Si se divide un imán, éste vuelve a tener nuevamente dos polos.
1 Imagen tomada de wikipedia.com
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3.4 Magnetismo Es un fenómeno físico por el cual los materiales ejercen fuerzas, ya sea de atracción o de repulsión, sobre otros materiales con los cuales interactúan.
3.5 Permeabilidad magnética Cuando colocamos un material ferromagnético dentro de un campo magnético, aumenta la intensidad del campo magnético. Este incremento en la imanación se mide mediante una cantidad llamada permeabilidad magnética m, definida como: m = B / H Si el campo magnético se aplica al vacío, m0 = B / H donde m0 = 4p x 10-7 Tm / A
3.6 Propiedades magnéticas
El comportamiento magnético está determinado por las interacciones entre dipolos magnéticos, estos dipolos a su vez están dados por la estructura electrónica del material. Por lo tanto, al modificar la microestructura, la composición o el procesamiento se pueden alterar las propiedades magnéticas. 3.7 Superconductores
Metal que tiene la propiedad de permitir el paso de la electricidad sin oponer resistencia cuando está a baja temperatura. Los superconductores tienen una temperatura crítica característica (Tc), por debajo de la cual actúan como superconductores. Esta temperatura depende de la naturaleza y estructura del material.
4. PROPIEDADES MAGNETICAS Los tipos de magnetismos son creados por el movimiento de la carga eléctrica básica: el electrón. Cuando los electrones se mueven por un hilo conductor se origina un campo magnético alrededor del hilo. Las propiedades magnéticas macroscópicas de los materiales, son consecuencia de los momentos magnéticos asociados con electrones individuales. Cada electrón en un átomo tiene momentos magnéticos que se generan dos fuentes. Una está relacionada con su movimiento orbital alrededor del núcleo; siendo una carga en movimiento, un electrón se puede considerar como un pequeño circuito cerrado de corriente,
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generando un campo magnético muy pequeño y teniendo un momento magnético a lo largo de su eje de rotación Cada electrón se puede considerar rotando alrededor de su eje; el otro momento magnético se forma de la rotación (spin) del electrón, este se dirige a lo largo del eje de rotación y puede estar hacia arriba ó hacia abajo, dependiendo de la dirección de rotación del electrón. El momento magnético generado por el spin del electrón es conocido como magnetón de Bohr (mB = 9.27 x 10-24A.m2) que puede ser positivo o negativo, teniendo en cuenta el sentido de giro del electrón. Los tipos de magnetismo incluyen diamagnetismo, paramagnetismo y Ferromagnetismo. Además el antiferromagnetismo y el ferrimagnetismo se consideran subclases de ferromagnetismo. Todos los materiales tienen al Menos uno de estos tipos y el comportamiento depende de la respuesta del Electrón y los dipolos magnéticos atómicos a la aplicación de un campo Magnético aplicado externamente.
4.1 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 (Apéndice 5). El diamagnetismo fue descubierto por Faraday en 1846. Ejemplos de materiales diamagnéticos son el cobre y el helio.
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4.2 Paramagnetismo
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Los materiales paramagnéticos se caracterizan por átomos con un momento magnético neto, estos tienden a alinearse paralelamente a un campo aplicado. Las características de los materiales paramagnéticos 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.
4.3 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.
2 Imagen tomada de wikipedia.com
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Estos grupos se denominan dominios, y actúan como un pequeño imán permanente. Los dominios tienen tamaños entre 10-12 y 10-8 m3 y contienen entre 1021 y 1027 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.
La agitación térmica tiende a desalinear los dominios. A temperatura normal, la energía térmica no es en general suficiente para desmagnetizar un material magnetizado sin embargo, por encima de una cierta temperatura, llamada temperatura de Curie, el material se vuelve paramagnético, debido a que los efectos térmicos de desorden son mayores que los efectos de alineamiento de la interacción magnética entre dominios. Una forma de desmagnetizar un material ferromagnético es entonces calentarlo por encima de esta temperatura. Ejemplos de materiales ferromagnéticos son el hierro, el cobalto, el níquel y la mayoría de los aceros.
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3 Imagen tomada de wikipedia.com
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4.5 Antiferromagnetismo
4 Ordenamiento antiferromagnético.
El antiferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección pero en sentido inverso (por pares, por ejemplo, o una subred frente a otra). Un antiferromagneto es el material que puede presentar antiferromagnetismo. La interacción antiferromagnética es la interacción magnética que 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.
Como el ferromagnetismo, la interacción antiferromagnética se destruye a alta temperatura por efecto de la entropía. La temperatura por encima de la cual no se aprecia el antiferromagnetismo se llama temperatura de Neel. Por encima de esta, los compuestos son típicamente paramagnéticos.
Generalmente, los antiferromagnetos están divididos en dominios magnéticos. En cada uno de estos dominios, todos los momentos magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta energía potencial, pero la formación de dominios está compensada por la ganancia en entropía.
Al someter un material antiferromagnético a un campo magnético 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 conseguir alinear todos los momentos magnéticos de la muestra.
Las interacciones antiferromagnética pueden producir momentos magnéticos grandes, incluso imanación. El ferromagnetismo ocurre en sistemas en los que una interacción antiferromagnética entre momentos magnéticos de diferente magnitud implica un
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momento magnético resultante grande. La magnetita es un sólido extendido que presenta ferrimagnetismo: es un imán, aunque las interacciones son antiferromagnéticas. El Mn12 es una molécula que presenta el mismo fenómeno: interacciones antiferromagnética conllevan un momento magnético grande del estado fundamental. Por otro lado, los sistemas con canteo de espín, con interacciones antiferromagnéticas presentan imanación, por pequeñas desviaciones angulares del alineamiento de los momentos magnéticos, no totalmente antiparalelos.
5. Aplicaciones
Las propiedades de magnéticas de los materiales tienen diversas aplicaciones hoy en día. Una de esas aplicaciones es la superconductividad, que es una característica de los materiales diamagnéticos.
Esta propiedad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, cuando observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía cuando se lo enfriaba a 4 Kelvin (-269 °C).
La superconductividad es la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero en determinadas condiciones. También es una fase de ciertos materiales que se da normalmente a bajas temperaturas. No obstante no es suficiente con enfriar, también es necesario no exceder una corriente crítica ni un campo magnético crítico para mantener el estado superconductor.
Su gama de aplicaciones es amplísima, pero abarca esencialmente tres tipos: la generación de campos magnéticos intensos, la fabricación de cables de conducción de energía eléctrica y la electrónica. Dentro del primer tipo tenemos usos tan espectaculares como la fabricación de sistemas de transporte masivo levitados, esto es, trenes que flotan sobre sus rieles sin tener fricción con ellos, haciendo factible alcanzar las velocidades que desarrollan los aeroplanos. En el segundo está la posibilidad de transmitir energía eléctrica desde los centros de producción, como presas o reactores nucleares, hasta los centros de consumo, sin pérdidas de ningún tipo en el trayecto. Para el tercer tipo podemos mencionar la posibilidad de fabricar supercomputadoras extremadamente veloces. La teoría BCS de superconductividad, por las iniciales de los apellidos de los tres científicos que la inventaron (Bardeen, Cooper y Schrieffer), y ha conducido al desarrollo de los superconductores que pueden operar a altas temperaturas y que se pueden emplear para fabricar electroimanes que utilizan poca energía. Estos imanes
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tienen muchos usos posibles, entre los que se incluyen aplicaciones en la mecánica cuántica, en biología y en la generación de electricidad.
Aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material de conductividad infinita, ya que este tipo de material por sí sólo no tiene sentido termodinámico. En realidad un material superconductor es un diamagnético perfecto. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto Meissner.
El efecto Meissner, también denominado efecto Meissner-Ochsenfeld, consiste en la desaparición total de campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica. Fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933. Un material superconductor se convierte en un material diamagnético perfecto, de modo que el campo magnético en su interior se anula completamente. Dado que el campo magnético es solenoidal, es decir, todas las líneas de campo son cerradas, el campo magnético se curva hacia el exterior del material.
La expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos curiosos, como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura.
Hay dos tipos de superconductores:
Los de Tipo I no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo. Esto conlleva un esfuerzo energético alto, con lo que la mayoría de materiales reales se transforman en el segundo tipo.
Los de tipo II son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones. Estos dos tipos de superconductores son de hecho dos fases diferentes que fueron predichas por Lev Davidovich Landau y Aleksey Alekséyevich Abrikósov.
La aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. Éstas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten
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transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía.
En los superconductores de tipo II, la aparición de fluxones provoca que, incluso para corrientes inferiores a la crítica, se detecte una cierta disipación de energía debida al choque de los vórtices con los átomos de la red. Aunque la superconductividad es una propiedad eléctrica, sus mayores aplicaciones han sido en el campo de las fuerzas magnéticas. Un material superconductor es aquel que no opone resistencia al flujo de electricidad cuando se encuentra por debajo de su temperatura crítica (aproximadamente –273 ºC) y no se excede su densidad crítica de corriente ni su campo magnético crítico.
La superconductividad desaparecerá si se excede la temperatura crítica o si se aplica un campo magnético crítico o una densidad crítica de corriente.
5.1 Generadores eléctricos superconductores La aplicación más evidente por supuesto, si no opone resistencia a la corriente eléctrica, un generador eléctrico utilizando materiales superconductores sería mucho más eficiente, pequeños y rentables que los actuales generadores que poseemos, se calcula que la eficiencia de estos está por encima del 99%
Como sabemos, la superconductividad es la propiedad de ciertos materiales de ofrecer, a temperaturas de operación considerablemente bajas, una completa ausencia de resistencia eléctrica, lo que se traduce en una eficiencia eléctrica casi perfecta y operando con un aumento mínimo en la temperatura de operación.
En esta época en que la eficiencia en el consumo de energía eléctrica se ha vuelto una necesidad ante el impresionante aumento registrado en las últimas décadas en la cantidad de energía eléctrica utilizada, y por lo tanto del impacto ambiental que su generación significa, el desarrollo en la tecnología de superconductores puede convertirse en una opción atractiva para lograr una eficiencia prácticamente perfecta, en los próximos años.
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Generador eléctrico superconductor.5
El generador eléctrico superconductor utiliza una clase especial de estos materiales, denominada superconductores de alta temperatura. En esta clasificación se encuentran aquellos materiales que manifiesten el fenómeno de superconductividad a temperaturas iguales o superiores a las del nitrógeno líquido (-196°C). Cabe señalar que la mayoría de los superconductores convencionales requieren operar a temperaturas ligeramente mayores que el cero absoluto (−273.15 °C), para que este fenómeno se presente. El generador, ofrece, además de la importante mejora en la eficiencia eléctrica relacionada con el uso de superconductores, una reducción de aproximadamente un 50% en el volumen y en el peso, en comparación con generadores convencionales de similar capacidad.
Adicionalmente, el generador ofrece mayores niveles de estabilidad eléctrica y mayor capacidad de potencia reactiva, gracias a una reducción significativa de la reactancia longitudinal, lograda en los nuevos generadores, misma que le permite mantener voltajes más estables cuando se presentan variaciones transitorias en la carga.
7. CONCLUSION A partir de este trabajo pudimos profundizar nuestros conocimientos acerca de las propiedades de los materiales magnéticos según sus características y la historia de cada uno de ellos, aprendimos diferenciar cada una de ella y que para cada uno estos materiales hay ciertas aplicaciones que son utilizadas en nuestra vida cotidiana.
5 Fotografía tomada de siemens.com
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BIBLIOGRAFIA
FISICA EXPERIMENTAL ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. Mendoza Aníbal, Ripoll Luis, Miranda Juan; Ediciones Uninorte. http://www.arqhys.com/construccion/superconductores-aplicaciones.html http://lacuevadellobo.blogspot.com/2008/03/superconductores.html http://www.textoscientificos.com/fisica/superconductividad http://www.unalmed.edu.co/~cpgarcia/magneticas.pdf http://www.fisicapractica.com/imanes-magnetismo.php