materiales magnéticos - Utn
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MATERIALES MAGNETICOS<br />
El vector de inducción magnética dentro de un largo solenoide alineado con el eje z y en el vacío<br />
está dado por<br />
r μ0NI r μ0NIA r Nμ<br />
r r '<br />
B = ez = ez = μ0 ez = μ0M<br />
(1.1)<br />
l lA lA<br />
donde N, l, A,μ y M ’ son respectivamente el número de espiras del arrollamiento, la longitud de la<br />
bobina, su área transversal, el momento magnético de cada espira y el momento magnético por<br />
unidad de volumen del solenoide.<br />
La experiencia demuestra que si el interior del solenoide está ocupado por un medio distinto del<br />
vacío, el valor de la inducción magnética dentro del mismo puede ser levemente menor, algo mayor<br />
o mucho mayor. Se dice que el medio dentro del solenoide es diamagnético, paramagnético o<br />
ferromagnético respectivamente.<br />
Si reemplazamos el solenoide por una barra de las mismas dimensiones, longitud l y área<br />
transversal A con una densidad de dipolos <strong>magnéticos</strong> por unidad de volumen M, todos orientados<br />
paralelamente y en el mismo sentido, la inducción magnética B tendría igual módulo dirección y<br />
sentido.<br />
Si tenemos un solenoide lleno con un material magnetizado, y aplicamos el principio de<br />
superposición, tendríamos que<br />
r μ0NI<br />
r r<br />
B = ez + μ0M<br />
(1.2)<br />
l<br />
lo que es verificado como cierto por la experiencia.<br />
Definimos en forma general un nuevo campo vectorial que llamaremos excitación magnética cómo<br />
r<br />
r B r r r r<br />
H = − M ⇒ B = μ0(<br />
H + M )<br />
(1.3)<br />
μ0<br />
Este nuevo vector tiene en cuenta la contribución magnética de las corrientes libres solamente.<br />
En muchos casos la magnetización de un material depende linealmente del campo magnético<br />
aplicado exteriormente, en cuyo caso se dice que el medio es magnéticamente lineal y<br />
r r<br />
M = κ M H<br />
r r r r r r r (1.4)<br />
B = μ ( H + M ) = μ H + μ κ H = μ (1 + κ ) H = μH<br />
0 0 0 M 0 M<br />
κM es la susceptibilidad magnética del material y μ su permeabilidad. En los <strong>materiales</strong> lineales<br />
la susceptibilidad magnética es pequeña y la permeabilidad muy próxima a la del vacío. La<br />
susceptibilidad es negativa en los <strong>materiales</strong> dia<strong>magnéticos</strong> y positiva en los para<strong>magnéticos</strong>; en<br />
los <strong>materiales</strong> magnéticamente activos como los ferro<strong>magnéticos</strong> o ferri<strong>magnéticos</strong> la<br />
susceptibilidad es positiva, muy grande y no es constante (puede incluso no ser un escalar, sino un<br />
tensor, con lo que la excitación magnética y la magnetización no son colineales).<br />
Se utiliza también la permeabilidad relativa, definida cómo<br />
μ<br />
r<br />
1<br />
μ<br />
μ<br />
= (1.5)<br />
Como vemos, la magnetización tiene las mismas unidades que la excitación magnética, es decir<br />
[ M ] [ H ]<br />
siendo común también hablar de “amperio vuelta/metro”.<br />
0<br />
amperio A<br />
= = = (1.6)<br />
metro m
κM , la susceptibilidad magnética del material, definida a través de (1.4), resulta ser una magnitud<br />
adimensional. La susceptibilidad magnética no está considerada en el Sistema Internacional de<br />
r r r<br />
Unidades y también suele definírsela a partir de B = μ0H<br />
+ M , con lo que se mide en H/m<br />
siendo además diferentes sus valores numéricos.<br />
Modelos microscópicos.<br />
Diamagnetismo:<br />
El diamagnetismo se supone presente en todos los <strong>materiales</strong> afectados por un campo magnético,<br />
pero como es un efecto pequeño, si existe paramagnetismo, ferromagnetismo o ferrimagnetismo,<br />
que son efectos de mayor intensidad lo enmascaran.<br />
La descripción de fenómenos subatómicos como el diamagnetismo escapan a la mecánica y el<br />
electromagnetismo clásicos y son mejor descriptos en términos de la mecánica cuántica, aún<br />
cuando esta teoría sólo da una explicación cualitativa. El movimiento de los electrones en torno del<br />
núcleo, según la mecánica cuántica, tiene trayectorias difusas y las posiciones promediadas en el<br />
tiempo serían las que explican las observaciones macroscópicas. La aplicación de un campo<br />
magnético produciría una fuerza electromotríz que alteraría las “orbitas electrónicas”, generando un<br />
momento magnético inducido según la ley de Lenz, o sea en oposición a esta variación; establecido<br />
el campo final esta fuerza electromotríz desaparece y los electrones permanecen en su nuevo<br />
estado; notemos que dentro del átomo los electrones se moverían en el vacío y que estando en<br />
estados de equilibrio cuántico no irradian aunque estén acelerados. Al eliminarse el campo<br />
magnético exterior el proceso se revierte y el material vuelve a la situación original.<br />
A los efectos de este curso lo importante de considerar es:<br />
1. El diamagnetismo está siempre presente pero es un efecto débil, y en general no se lo considera<br />
técnicamente.<br />
2. Es independiente de la temperatura.<br />
3. El diamagnetismo no tiene efectos residuales.<br />
4. El diamagnetismo atenúa el campo exteriormente aplicado produciendo una susceptibilidad<br />
levemente negativa.<br />
Paramagnetismo:<br />
El paramagnetismo se da en <strong>materiales</strong> cuyos átomos o moléculas tienen momentos <strong>magnéticos</strong><br />
permanentes. Un campo magnético exterior tiende a ordenar estos momentos <strong>magnéticos</strong> en forma<br />
paralela al mismo y la temperatura tiende a desordenarlos (correctamente dicho, otros procesos<br />
térmicamente activados), alcanzándose para cada excitación magnética y temperatura una<br />
magnetización de equilibrio.<br />
NOTA: en estos temas es costumbre llamar paralela a la alineación en la dirección y sentido del<br />
campo exterior y antiparalela a la alineación en igual dirección y sentido opuesto.<br />
Especialmente para<strong>magnéticos</strong> son los metales de transición (excluímos los ferro<strong>magnéticos</strong> Fe, Ni<br />
y Co) y las tierras raras con átomos que tengan electrones desapareados; éste es un efecto cuántico,<br />
pero se puede aproximar a átomos que tengan número impar de electrones en las capas incompletas.<br />
1. El paramagnetismo refuerza el campo magnético aplicado exteriormente.<br />
2. Depende de la temperatura.<br />
2
3. Genera una susceptibilidad positiva<br />
4. No genera efectos residuales al eliminarse el campo exterior.<br />
Ferromagnetismo:<br />
A diferencia de los anteriores, el ferromagnetismo es un efecto que no se debe sólo a propiedades<br />
atómico-moleculares sino que es un efecto colectivo que requiere una estructura condensada (sólo<br />
existe en estado sólido).<br />
Los <strong>materiales</strong> ferro<strong>magnéticos</strong> son el Fe, Ni, Co y aleaciones de los mismos. Son elementos de<br />
transición, con su capa 3d incompleta y a una distancia interatómica que favorece la interacción<br />
entre los dipolos <strong>magnéticos</strong> que se alinean paralelamente dentro de zonas que se llaman dominios.<br />
Estos dominios se orientan formando circuitos <strong>magnéticos</strong> cerrados dentro del material no<br />
magnetizado, por lo cual no hay efectos exteriores al mismo. Estos dominios no tienen relación con<br />
el tamaño de grano cristalino y existen también en monocristales.<br />
Un campo magnético exterior alinea estos dominios produciendo una magnificación del mismo. Un<br />
valor típico de permeabilidad relativa para ferro<strong>magnéticos</strong> es 10.000 (diez mil). También en este<br />
caso la agitación dependiente de la temperatura desordena esta alineación, haciéndola imposible por<br />
encima de una temperatura llamada de Curie, que es propia de cada material, estando para el<br />
hierro y sus aleaciones alrededor de los 770 °C.<br />
Histéresis:<br />
Una característica de los <strong>materiales</strong> ferro<strong>magnéticos</strong> es la de la remanencia, o sea presentar una<br />
magnetización remanente si se elimina el campo magnético exterior. Esta magnetización remanente<br />
puede eliminarse por aplicación de un campo magnético opuesto, por calentamiento por encima de<br />
la temperatura de Curie o por aplicación de un campo alternativo (en signo o sentido) de amplitud<br />
decreciente.<br />
Consideremos el siguiente diagrama, hecho para un material originalmente desmagnetizado en<br />
forma total<br />
3
La aplicación de un campo magnético (excitación) creciente hace que el material comience a<br />
magnetizarse por orientación de los momentos <strong>magnéticos</strong> más “libres” dentro del material,<br />
siguiendo el trazo marcado con a . Si el campo exterior sigue aumentando las zonas de material con<br />
magnetización en una dirección próxima a la del campo crecen a expensas de sus vecinos por<br />
corrimiento de las paredes de Bloch, que son los límites entre ellas (los dominios <strong>magnéticos</strong>).<br />
Eventualmente puede existir una zona lineal que se utiliza en transformadores de señal. La<br />
magnetización (y en consecuencia B) siguen creciendo hasta alcanzar la saturación (en b) cuando<br />
no quedan mas momentos <strong>magnéticos</strong> en el material que puedan reorientarse.<br />
Di el campo magnético de excitación es retirado paulatinamente el material recorre la curva c<br />
quedando parcialmente magnetizado para excitación cero: tendremos una inducción magnética<br />
remanente producida por una magnetización remanente. Para desmagnetizar el material será<br />
necesario aplicar una excitación en sentido contrario a la magnetización remanente que se llama<br />
campo coercitivo o también fuerza coercitiva (en referencia a la fuerza magnetomotríz que<br />
veremos en circuitos <strong>magnéticos</strong>). Si sigue aumentando la excitación en esta dirección y sentido se<br />
alcanzará la saturación en sentido contrario al anterior, en el punto d. Una variación alterna de la<br />
excitación hará que el material muestre un ciclo de histéresis como la curva exterior (b-c-d-e) de la<br />
figura sin volver al recorrido inicial excepto que el material sea devuelto ala condición “virgen”<br />
calentándolo por encima de la temperatura de Curie y enfriándolo lentamente en ausencia de campo<br />
magnético o sometiéndolo a una campo alterno de amplitud decreciente.<br />
Circuitos <strong>magnéticos</strong>:<br />
Consideremos un circuito magnético como el de la figura, formado por un cuadro ferromagnético,<br />
con un μ r muy alto sobre el que se ha bobinado un pequeño arrollamiento circulado por una<br />
corriente i. La líneas, cerradas, del campo magnético B quedarán con mucha aproximación<br />
totalmente confinadas en el material ferromagnético y de allí el nombre de circuito magnético.<br />
Tomando una curva interna al material ferromagnético del cuadro, de longitud media l y si el área<br />
transversal del cuadro, supuesta uniforme, es A (despreciamos también el efecto de los vértices)<br />
tendremos<br />
NiA<br />
Φ = μ<br />
(1.7)<br />
l<br />
4
Se acostumbra a hacer una similitud entre los circuitos eléctricos que ya hemos visto y los circuitos<br />
<strong>magnéticos</strong>, definiendo:<br />
Fuerza magnetomotríz Fmm = Ni<br />
Reluctancia mm<br />
La inversa de la reluctancia se llama permeancia.<br />
Tenemos entonces que<br />
F<br />
R<br />
5<br />
R<br />
l<br />
=<br />
μ A<br />
mm Φ = (1.8)<br />
el flujo magnético es igual a la fuerza magnetomotríz dividida por la reluctancia. Esta suele ser<br />
llamada la Ley de Höpkinson que tiene una similitud muy grande con la Ley de Ohm, en la que la<br />
intensidad de corriente es igual a la fuerza electromotríz dividida por la resistencia. Por este motivo,<br />
también se la cita como la Ley de Ohm para circuitos <strong>magnéticos</strong>.<br />
Si hacemos la relación<br />
ε<br />
i<br />
R<br />
ε ↔ F<br />
mm<br />
= (1.9)<br />
R ↔ R<br />
1<br />
ρ ↔<br />
μ<br />
y consideramos que como la reluctancia crece linealmente con la longitud y decrece con la inversa<br />
del área transversal del circuito, reluctancias en serie se sumarán, y reluctancias en paralelo sumarán<br />
sus permeancias, tendremos lo que se llama en matemática una relación de isomorfismo ya que<br />
hay una relación biunívoca entre elementos y se conservan las operaciones.<br />
La fuerza magnetomotríz, tiene su extremo positivo donde la líneas de campo salen (como la<br />
corriente convencional en una fem) y su extremo negativo donde las líneas de campo entran.<br />
mm<br />
mm<br />
(1.10)
Veamos como ejemplo el siguiente circuito magnético que puede corresponder a un motor o a un<br />
instrumento de medición<br />
al que correspondería el siguiente circuito equivalente<br />
Los cálculos en base a circuitos <strong>magnéticos</strong> son en general aproximados pero dan buenos resultados<br />
prácticos. Los cálculos exactos se tornan rápidamente muy complicados y modernamente sólo se<br />
hacen con programas especiales para aplicaciones muy delicadas o previamente a la fabricación de<br />
grandes series donde la economía de escala lo justifica.<br />
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