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II Curso de divulgación: Los Avances de la Química
y su Impacto en la Sociedad.
LA QUÍMICA Y LA FÍSICA
TRABAJAN JUNTAS:
MATERIALES CON
PROPIEDADES MAGNÉTICAS
EXPERIMENTACION EN
4 de noviembre de 2010
Josefa Isasi Marín
Profesora Titular
Departamento de Química Inorgánica I
Facultad de CC. Químicas
UCM 28040-MADRID
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
MAGNETISMO
Un imán es un material capaz
de atraer… y de producir un campo
magnético exterior de intensidad H
N
S
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
HISTORIA DEL MAGNETISMO
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Primeros fenómenos magnéticos en la ciudad de Magnesia
Magnetismo
Ciertas piedras (IMANES NATURALES)
atraían trocitos de hierro y éstos atraían
a su vez a otros
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
600 a C. Filósofos griegos describieron las características de piedras
de óxido de hierro.
Siglo IV a. C. En China primera referencia al magnetismo manuscrito
“Libro del amo del valle del diablo”: La magnetita atrae al hierro hacia
sí o es atraída por éste.
Años 20 y 100 de nuestra era. Primera mención en un trabajo: La
magnetita atrae a la aguja.
En 1187 A. Neckham primer europeo que consigue desarrollar
desarrollar la técnica de la navegación empleando la brújula.
El conocimiento del magnetismo limitado a los imanes
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
En 1820, Øersted, profesor de la Universidad de Copenhague.
Campo magnético producido por un hilo conductor de corriente.
Otros muchos experimentos siguieron con Ampère, Gauss, Faraday,
Maxwell.
Maxwell, encontró vínculos entre el magnetismo y la electricidad,
reflejados en sus ecuaciones o Electromagnetismo.
En 1905, Einstein usó estas ecuaciones para comprobar su teoría
de la relatividad especial.
Desde el siglo XX, el
electromagnetismo ha
continuado
desarrollándose siendo incorporado en las teorías fundamentales….
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE
Es un fenómeno natural originado por los movimientos
de metales líquidos en el núcleo del planeta
Polo
Norte
EQUIVALENTE A UN
DIPOLO MAGNÉTICO
Polo
Sur
Los dipolos magnéticos se orientan según las líneas de campo.
Las cargas eléctricas viajan a lo largo de las líneas de campo en
trayectorias espirales
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR
UN HILO CONDUCTOR DE CORRIENTE
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
M. Faraday
1831
Ensayó el campo magnético de Oersted
Voltaje aplicado a un medio o
cuerpo expuesto a un campo
magnético, H.
La magnitud del voltaje inducido D a la
variación del flujo magnético
Concepto de líneas de fuerza
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Solenoide o bobina de hilo de Cu
enrollada de n espiras y de longitud l
INTENSIDAD DEL CAMPO
N
S
H
H = 0.4ʌn i/l
i
El campo H produce líneas de fuerza
La densidad de estas líneas
DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO
O INDUCCIÓN MAGNÉTICA
B = PH
P = permeabilidad magnética
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO
POR UN HILO CONDUCTOR DE CORRIENTE
+
BARRA DE HIERRO
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Barra de hierro dentro de un solenoide = ELECTROIMÁN
Corriente imanadora
H dentro
H fuera
B = PH = Po H + Po M
(Campo externo + Campo inducido)
MAGNETIZACIÓN, IMANTACIÓN Ó
IMANACIÓN , M
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Unidades de magnitudes magnéticas
Magnitud magnética
B (inducción magnética)
Unidades de SI
Weber/metro2 (Wb/m2) o tesla (T)
H (campo aplicado)
Amperio/metro (A/m)
M (imanación)
Amperio/metro (A/m)
Unidades CGS
Gauss (G)
Oersted (Oe)
J.
J.Isasi
Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDO POR
MATERIALES NATURALES O SINTÉTICOS
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
LA MAGNETIZACIÓN SE ANALIZA USUALMENTE EN
TÉRMINOS DE LA SUSCEPTIBILIDAD MAGNÉTICA F
Métodos experimentales usados
para determinar F
F= M/H
Balanza de Faraday
Balanza de Gouy
Muestra de
material
Balanza
Muestra
patrón
Electroimán
Parámetro que se mide
La modificación del peso
aparente de la muestra al
aplicar un campo H
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Fv = Susceptibilidad magnética por unidad de volumen.
Fv= M/H
Sensibilidad a la magnetización
Susceptibilidad por gramo.
Fg= Fv/d d = densidad de la muestra
Relación de propiedades magnéticas con las atómicas.
FM = F g x M
M = peso molecular
+ ó - negativo si la imanación de la muestra refuerza o si se opone al campo.
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
B DH+M
La imanación
se opone a H
La imanación
refuerza a H
M>0
Muestras
paramagnéticas
M<0
Muestras
diamagnéticas
Densidad de flujo en una
muestra diamagnética
Densidad de flujo en una
muestra paramagnética
H
H
N
S
N
S
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
MATERIALES MAGNÉTICOS
Se caracterizan por su permeabilidad:
P= B/H
Medida del incremento del campo magnético debido
a la presencia de un material imanado
P= ȝ0(1+ Ȥm)
P= permeabilidad magnética absoluta
ȝo = permeabilidad magnética del vacío y
Pr = P/ ȝ0 = (1+ Ȥm)
Ȥm = susceptibilidad magnética del material
J. Isasi
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MATERIAL PARAMAGNÉTICO
MATERIAL NO MAGNÉTICO
N
S
S
N
El vacío
Aire, Al, Pd
Paramagnéticos o no magnéticos,
ȝ~1
MATERIAL DIAMAGNÉTICO O
DÉBILMENTE MAGNÉTICO
H
N
S
Cu, He, Bi, Ag, Pb, agua
ȝ<1
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
MAGNETISMO EN SÓLIDOS
Enfísicadeestadosólidosedescribendiferentescomportamientosde
materialessometidosauncampomagnéticoexterno.
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
FISICA CUANTICA: LOS ELECTRONES POSEEN PROPIEDADES MAGNETICAS
Hinteractúaconloselectronesdel
material:
Ͳ Conelmomentoangularorbital
Ͳ Conelmomentoangulardeespín
S
Momento angular de espín
Lorb
p+
e-
ȝS = - e/mS
eMomento angular orbital
Momentos
Magnéticos
ȝorb = - e/2mLorb
J. Isasi
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COMPORTAMIENTOS MAGNÉTICOS
DIAMAGNETISMO
PARAMAGNETISMO
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
DIAMAGNETISMO
Material
H externo
- Desequilibrio ligero de los electrones
en movimiento
- Pequeños dipolos magnéticos en los
átomos que se oponen al H aplicado.
F<0
Fdia = ¦ FAi (contrib diamágn de los átomos) + ¦ FBj (contrib diamágn de los enlaces)
Determinada por la movilidad de los
electrones >>> en átomos grandes con muchos electrones
J. Isasi
DIAMAGNETISMO
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
FAi (contrib diamágn de los átomos)
FBj (contrib diamágn de los enlaces)
Fenómeno que ocurre en todos los materiales, en muchos el efecto magnético
negativo queda cancelado por efectos magnéticos positivos.
J. Isasi
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Diamagnetismo en Ingeniería de transporte
Trenes de levitación magnética
usan poderosos electroimanes superconductores
para flotar sin tocar la pista.
Material con R = 0
Superconductor
Diamagnético: repele
el campo magnético
Se produce el fenómeno de levitación
Objeto de Investigación
Pero se necesita enfriar…………
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
PARAMAGNETISMO. LEY DE CURIE
Origen: momentos angulares de las partículas cargadas.
El núcleo atómico es una partícula cargada y puede tener ȝS
P (10-3) <<< que los generados por un electrón
En un electrón, ȝL y ȝS contribuyen al paramagnetismo.
Generalmente es más significativa.
P= — PL + PS
El P del electrón desapareado tiende a alinearse con H
reforzándolo.
F>0
Fparamagnética =FM Ͳ Fdiamagnética
externo
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
PARAMAGNETISMO. LEY DE CURIE
Los momentos magnéticos individuales
de los electrones, Pi, se orientan
al azar anulándose mutuamente
En ausencia de H, M = 0
Mayor estabilidad de los estados electrónicos
que alinean el momento magnético con H
En presencia del H, M = 0
A mayor I del H
más poblados
La diferencia de población entre estados y la F < al > T
F-1
F
Comportamiento que se resume
en la Ley de Curie F = C /T
C = constante de Curie
PM.B = —8C
Pte = 1/C
T
T
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
PARAMAGNETISMO. LEY DE CURIE-WEISS
Mejor aproximación se obtiene Ley de Curie-Weiss
F =
F-1
FͲ1=1T
T-
C
C
(T- T )
C
Y=AX+B
constante de Weiss
Pte =1/C
C=ConstantedeCurie
T
PM.B.Experimental = —8C
PM.B. teórico =
— P L + PS
Ordenadaenelorigen=T /C
Independiente de T
= —S(S+1/2) = —n(n+2)
En materiales constituidos por
cationes de la primera serie
de transición ya que PL= 0
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
FENÓMENOS DE ORDEN COLECTIVO
Los átomos de algunos metales de transición y de tierras raras
poseen capas internas parcialmente llenas con electrones desapareados
que causan fuertes efectos paramagneticos y en ocasiones producen
efectos colectivos.
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
A bajas temperaturas los sistemas se apartan
del comportamiento descrito por la Ley de Curie
FERROMAGNETISMO
ANTIFERROMAGNETISMO
Con H
F
F
FERROMAGNÉTICO
F>>>0
Sin H
ANTIFERROMAGNÉTICO
PARAMAGNÉTICO
TN
PARAMAGNÉTICO
TC
T
MnF
FERRIMAGNÉTICO
T
D- Fe
Pneto= 0
Fe3O4
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
ANTIFERROMAGNETISMO
Compuesto
CoCl2
CoF2
CoO
Cr
Cr2O3
FeCl2
FeF2
FeO
FeMn
D-Fe2O3
MnF2
TN [K]
Compuesto
25
38
291
475
307
70
79-90
198
490
953
72-75
MnO
MnSe
MnTe
NiCl2
NiF2
NiFeO
NiO
TiCl3
UCu5
V2O3
Los materiales ferromagnéticos
se magnetizan fuertemente
en el mismo sentido que el
H aplicado.
F >>>0 y Pr >>>1
TN [K]
122
173
310-323
50
78-83
180
533-650
100
15
170
Material
ºK = ºC + 273.16
FERROMAGNETISMO
TC (K)
Fe
1043
Co
1388
Ni
627
Gd
293
Dy
85
CrBr3
37
Au2MnAl 200
Cu2MnAl 630
Material
Cu2MnIn
EuO
EuS
MnAs
MnBi
GdCl
Fe2B
MnB
TC (K)
500
77
16.5
318
670
32.2
1015
578
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
MAGNETIZACIÓN
-No puede ser mayor de un determinado valor en M.B
- Depende del nº total de e- desapareados por ion
M
COMPORTAMIENTO
FERROMAGNÉTICO
M s ó Bs
COMPORTAMIENTO
ANTIFERROMAGNÉTICO
H
J. Isasi
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FERRO/FERRIMAGNETISMO
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Los materiales magnéticos interesantes para las aplicaciones
son los que presentan imanación espontánea.
Materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos con TC >>
Propiedades ferromagnéticas
Alineamiento en la red cristalina de electrones
desapareados situados en los orbitales 3d
Fe: d6
Orbitales 3d
Loselectronesdelosorbitales4s,másexternos,
quedanapareadosenlosenlaces
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
FERROMAGNETISMO
HH
Li Be
Be
Na Mg
K
He
Observableenelementosdela1ª seriedetransición
Al
Ca Sc Ti
Rb Sr
V
Cr
C
Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Si
N
O
He
FLi Ne
P
S
Cl Ar
As Se
Br
Kr
I
Xe
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In
Sn Sb Te
Cs Ba La Hf
Ta W
Pb Bi
Fr
Db Sg Bh Hs Mt UunUuu Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
Y
Zr
Ra Ac Rf
Re Os Ir
Pt Au Hg Tl
Po At
Rn
Además de la mayoría de los aceros y en aleaciones
Ce Pr
Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er
Th Pa U
Tm Yb Lu
Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Noobservableenelementosdela2ª y3ª seriedetransición.
Losorbitales4dy5dsonmásdifusosydanorigenabandasmásanchas
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Enelementosdela1ª seriedetransición
Electrones
desapareados
en orbitales 3d
Configuración electrónica de los
orbitales 3d
Electrones
4s
Átomo
Número
de electrones
2
Ti(3d2)
22
2
3
V(3d3)
23
2
5
Cr(4s13d5) 24
1
5
Mn(4s23d5) 25
2
4
Fe(3d6)
26
2
3
Co(3d7)
27
2
2
Ni(3d8)
28
2
0
Cu(4s13d10) 29
1
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Electrones
desapareados
en orbitales 3d
Átomo
2
Ti
2
Ni
Número
de electrones
Configuración electrónica de los
orbitales 3d
22
Electrones
4s
2
28
2
FERROMAGNETISMO
Ocurre en bandas parcialmente llenas con alta
densidad de estados cerca del nivel de Fermi
Ti
Bandas 4s y 4p
Ni
Fe:3d6, Co: 3d7, Ni: 3d8
Bandas 4s y 4p
Banda 3d
Energéticamente favorable tener
electrones no apareados,a costa
de poblar niveles de E más altos
Banda 3d
Fe (4 es-) TC = 1043 K
Co (3 es-) Tc = 1388 K
Ni (2 es-) TC = 627 K
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
FERROMAGNETISMO
A temperatura T < Tc
Alineamiento de los espines de los electrones en
regiones microscópicas
DOMINIOS MAGNÉTICOS
Tamaños entre 10-12 y 10-8 m3
y contienen entre 1021 y 1027 átomos
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
En materiales constituidos por
Fe, Co, Ni ó Gd
Campo magnético externo, H
Monodominios magnéticos orientados
de forma aleatoria
Se genera Mneta
No se genera Mneta
El material posee un H muy potente
(~1000 Gauss, Tierra =0.5 Gauss)
S
N
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
MATERIAL FERROMAGNÉTICO
MAGNETIZACIÓN Y DESMAGNETIZACIÓN
DESMAGNETIZAR
UN MATERIAL
FERROMAGNÉTICO
CALENTARLO A T > TC
ESTUDIO DE LA MAGNETIZACIÓN:
CÓMO CAMBIA LA MAGNETIZACIÓN
CUANDO EL CAMPO APLICADO VARÍA
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
B
H
aplicado
Rotación
de la magnetización
de los dominios
Bs
Br
Más crecimiento
Crecimiento
de dominios
Distribución
aleatoria
-Hc
H
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
MATERIALES FERROMAGNÉTICOS
BLANDOS Y DUROS
B
AltaBs
Según sean fáciles o difíciles de
magnetizar y desmagnetizar
AltaBr
BajoBs
DURO
BLANDO
AltoHc
BajoHc
H
Los blandos se emplean en
electroimanes, como cintas
de registro magnético, etc.
Los duros se usan como imanes
permanentes
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
MAGNETIZACIÓN Y DESMAGNETIZACIÓN
DE UN MATERIAL FERROMAGNÉTICO
Magnetización remanente Br (H = 0)
Indicativo de la habilidad del material
para actuar como imán permanente.
B
Bs = Ms
Br
Campo coercitivo Hc
Campo magnético necesario para anular el
flujo magnético dentro del imán.
Indicativo de la habilidad del imán para
soportar factores desmagnetizantes.
H
Hc
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
MAGNETIZACIÓN Y DESMAGNETIZACIÓN
DE UN MATERIAL FERROMAGNÉTICO
Potencia de un material magnético duro se mide por
Emáximo = [B X H]max
en el cuadrante desmagnetizador del ciclo de histéresis B-H
B
Br
Hc
H
Imán = Material capaz de almacenar E
E = (Br x Hc)max
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
TIPOS DE ENERGÍAS QUE DETERMINAN LA ESTRUCTURA
DE LOS DOMINIOS FERROMAGNÉTICOS EN UN MATERIAL
1. E de cambio
2. E magnetostática
3. E de anisotropía magnetocristalina
4. Energía de las paredes del dominio
5. E de magnetoestricción
Sealcanzalaestructuramagnéticamásestablecuandola
Epotencial totaldelmaterialsereducealmínimo
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
1.ENERGÍADECAMBIO/POSITIVA
Energía asociada a la alineación de los
dipolos atómicos en la misma dirección
La formación de un solo dominio
minimiza la E dentro de un material
ferromagnético
Fe
0
+
Ni
1.5
-
Energía de cambio
Fe, Co, Ni, E de cambio positiva
Ferromagnéticos
Co
2.0
Mn
a/d (Separación atómica/ Diámetro del orbital 3d)
a/d
Mn E de cambio negativa
Antiferromagnetico
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
2.ENERGÍAMAGNETOSTÁTICA
Grancantidad
deenergía
magnetostática
Energía magnética de un material ferromagnético
producida por su propio campo
Menorenergía
Magnetostática
queena)
Menorenergía
Magnetostática
queenb)
Paredes
de los dominios
magnéticos
Undominio
Dosdominios
Cuatrodominios
Laformacióndedominiosmúltiples
reducelaEmagnetos./Vdelmaterial
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
3.ENERGÍADEANISOTROPÍAMAGNETOCRISTALINA
Gran anisotropía: Que haya una dirección preferente de imanación
Esencial para la posterior aplicación de los materiales
ferromagnéticos duros y blandos
D-Fe
MS
Momentos magnéticos
debidos al espín del Fe
alineados y la
orientación coincide
con la red cristalográfica
Ni (FCC)
La dirección de magnetización
no es una dirección simple
H
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
3.ENERGÍADEANISOTROPÍAMAGNETOCRISTALINA
Referida al trabajo realizado
para girar todos los dominios
Inducción magnética B (T)
Monocristales de Fe
Granosquesaturana<<H
(100) Direcciones
de fácil magnetización
(111) Direcciones
de difícil magnetización
0
15
30
Campo magnético H (kA/m)
Losgranosdebengirarsumomento
resultanteenladireccióndelHaplicado
paraalcanzaralcanzar laMs a>>H
J. Isasi
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4.ENERGÍADELAPAREDDELDOMINIO
Referida al cambio de 180º que experimenta
el dominio en la dirección del H
300
300átomos
átomos
de
deespesor
espesor
Anchura ideal de la pared
Energía
E pared
E anisotropía
magnetocristalina
E cambio
Espesor óptimo de la pared del dominio= 100 nm
100 nm
Anchura de la pared
J. Isasi
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5.ENERGÍAMAGNETOESTRICTIVA
Debidaatensionesmecánicasgeneradas
almagnetizarunmaterialferromagnético
Fe positiva para
campos pequeños
Contracción o expansión en la
dirección de magnetización
Hierro
Dominios
de cierre
Cobalto
Níquel
0
10
20
30
40
50
Campo magnético H (kA/m)
60
Magnetoestricción
positiva
Dominios
de cierre
Disminución de la magnetoestricción
por creación de dominios reducidos
Magnetoestricción
negativa
J. Isasi
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EJEMPLOS DE MATERIALES
MAGNÉTICOS BLANDOS
Y SUS APLICACIONES
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Materiales magnéticos blandos.
Propiedades deseables para su aplicación
1. Ciclo de histéresis lo más fino posible
El material se magnetiza con H poco intenso
y muestra alta P = B/H
2. Bajo campo coercitivo, Hc, para desimanar
3. Alta inducción de saturación, BS
BB
HH
4. Libre de defectos (monocristal)
5. Constituido por partículas pequeñas y alargadas de forma
que cada una forme un monodominio
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Cuando un material ferromagnético blando es imanado
y desimanado repetidas veces
se producen pérdidas de energía
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
1. Perdidas por histéresis magnética por disipación de E requerida
para mover las paredes de los dominios durante la magnetización
y la desmagnetización
Influyen:
- Presencia de impurezas
- Precipitados
El área encerrada por la curva
de histéresis es una medida de
la energía perdida
- Imperfecciones cristalinas
2. Perdidas por corrientes parásitas o corrientes inducidas por
variaciones en el flujo magnético
Se pueden reducir >> la Meléctrica del material:
- Añadiendo impurezas sustitucionales
- Utilizando una estructura laminar o de hojas con intercalación
de capas aislantes
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
MATERIALES MAGNÉTICOS BLANDOS
Y
APLICACIONES
FERRITAS BLANDAS
Materiales cerámicos ferrimagnéticos
ALEACIONES DE Fe CON 3-4% DE Si
Materiales magnéticos blandos más utilizados
ALEACIONES DE Fe Y Ni
VIDRIOS METÁLICOS
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Ferritas blandas de composición MO x Fe2O3
(M = Fe2+, Mn2+, Zn2+, Ni2+) y estructura espinela inversa
Muestran Meléctrica >> ~ aislantes
Bajas pérdidas de energía
por corrientes parásitas
Presentan Bs > aunque menor que la
mostrada por materiales ferromagnéticos
Material y composición
Inducción de saturación, Campo coercivo, Permeabilidad
Hc, A/cm
BS, T
relativa inicial ȝi
Hierro magnético, chapa de 0,2 cm
2,15
0,800
250
48% MnO- Fe2O3, 52% ZnO- Fe2O3 (ferrita suave) 0,36
1.000
0,29
650
36% NiO-Fe2O3, 64% ZnO-Fe2O3 (ferrita suave)
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Ferritas blandas de composición MO x Fe2O3
Bobinas de convergencia para televisión.
Cabezas grabadoras
Núcleos de memoria
Tubo de rayos
catódicos
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Ferritas blandas de composición Fe3O4 o J-Fe2O3 con tamaño de partícula nanométrico
Sonicación + Filtración
Secado en estufa
Disolución de FeCl2 + NaOH
pH = 12
Caracterización estructural
y microestructural
Comportamiento magnético
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Superparamagnetismo
20K
Materiales constituidos por
nanopartículas de magnetita,
Fe3O4.
Tamaño < 20 nm
FORMAN MONODOMINIOS
10000
M (emu/mol)
5000
0
NO HAY HISTÉRESIS
-5000
- Posibilidad de generar procesos
reversibles o
-10000
-60000
-40000
-20000
0
20000
Campoaplicado(Oe)
40000
60000
- De ser guiadas con un campo
magnético externo
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Biomedicina y nanomagnetismo
H externo
Cáncer localizado
Disolución de nanopartículas
magnéticas
RMI
Hyperthermia
Sistema de dosificación
de fármacos
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Biología y nanomagnetismo
Fe3O4
Magnetita
Tamaño medio
100 nm
Bacterias contienen dipolos magnéticos
para su orientación
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Biología y nanomagnetismo
Paloma mensajera se guía
con ayuda de las líneas de
campo magnético terrestre
Fe3O4
Magnetita
Corte histológico de nervio
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Tecnología y nanomagnetismo
O
Fe3O4
Fe
J-Fe2O3 maghemita
Fe
Disquete: Granos de G-Fe2O3 de 8.5 nm
dispersas en una matriz plástica
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Tecnología y nanomagnetismo
FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS
Amortiguador de
suspensión semi-activa
J. Isasi
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Tecnología y nanomagnetismo
FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS
EstabilidadymaniobrabilidaddeunamortiguadornoMRyotroMR
J.
J.Isasi
Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Ferritas blandas de composición 3M2O3 x Fe2O3
(M = metal tierra rara)
Se utilizan como guía de ondas para comunicaciones
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
ina
ció
n
Procesado por laminado en frío
de
ión
cc
Di
re
Di r
ec
c
ión
lam
de
l
am
ina
ció
n
Aleaciones de Fe con 3-4% de Si
Materiales magnéticos blandos más utilizados
Aleatoria
Orientada
J. Isasi
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Aleaciones de Fe con 3-4% de Si
- Melectrica >>
Efecto
positivo de la
adición de Si
Pérdidas por corrientes
parásitas <<
- Pérdidas de histéresis son <<
haciéndose magnéticamente más blando
<< intersticiales de oxígeno
defectos que dificultan el
movimiento de las paredes
de los dominios
Efecto
negativo
<< la E anisotropía magnetocristalina
y E magnetoestrictiva
>> P
- << Ms y la Tc de la aleación
- << La ductilidad del Fe y para [Si]>> 4% no se
puede laminar el material
J. Isasi
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Aleaciones de Fe con 3-4% de Si
Material y composición
Inducción
de saturación,
BS, T
Permeabilidad
Campo
relativa
coercivo, Hc,
inicial ȝr
A/cm
Hierro magnético, chapa de 0,2 cm
2,15
0,800
250
M36 Si-Fe laminado en frío (aleatorio)
2,04
0,360
500
M6 (110) [001], 3,2% Si-Fe (orientado)
2,03
0,060
1.500
Se utilizan en motores, transformadores ó generadores
J. Isasi
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Aleaciones de Fe y Ni
Materiales más conocidos: Permalloy (Fe + 45%Ni) y el Supermalloy (79% Ni)
En relación a
Aleaciones de Fe-Si
< < Ea. magnetocristalina y Emagnetostrictiva
A bajos H
Material y composición
Inducción
de saturación,
BS, T
Campo
coercivo, Hc,
A/cm
>> > P
Permeabilidad
relativa
inicial ȝr
45 Ni-55 Fe (45 Permalloy)
1,60
0,024
2.700
75 Ni-5 Cu-2 Cr-18 Fe (Mumetal)
0,80
0,012
30.000
+79 Ni-5 Mo-15 Fe-0,5 Mn (Supermalloy)
0,78
0,004
100.000
Aplicación más importante es la comunicación de alta sensibilidad,
en la que el equipo ha de recibir o transmitir pequeñas señales.
J. Isasi
Vidrios metálicos
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Combinaciones de los metales ferromagnéticos
Fe, Co y Ni con los metaloides B y Si……
Estructura amorfa que se forma por
enfriamiento rápido del fundido
Se producen cintas a una rapidez
de un kilómetro por minuto
- Son muy fuertes y muy duros aunque muestran
alguna flexibilidad
- Muy resistentes a la corrosión.
- Magnéticamente son materiales muy blandos
J. Isasi
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- Melectrica >>>
Pérdidas por corrientes
parásitas <<<
AMORFOS: No existen fronteras de grano.
Las paredes de los dominios se mueven
con facilidad
Dominios magnéticos
inducidos en un vidrio metálico
Pmax
- Eanisotropía ~ 0
>>> P
- Pérdidas de histéresis son <<
Aleación (% atómico)
Bs (T)
Aplicaciones
Fe78B13Si9
1.56
600.000
Transformadores de potencia con bajas pérdidas en el núcleo.
Fe81B13.5Si3.5C2
1.61
300.000
Transformadores de pulso, interruptores magnéticos.
Fe67Co18B14Si1
1.80
4000.000
Transformadores de pulso, interruptores magnéticos.
Fe77Cr2B16Si5
1.41
35.000
Fe74Ni4Mo3B17Si2
1.28
100.000
Co66Fe4Ni1Mo2B12Si12
0.70
1.000.000 Sensores magnéticos, cabezales de grabación.
Transformadores de corriente, núcleos sensores.
Bajas pérdidas en el núcleo a altas frecuencias.
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EJEMPLOS DE MATERIALES
MAGNÉTICOS DUROS
Y SUS APLICACIONES
Con el objeto de maximizar el producto E = [B x H]max
J. Isasi
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Materiales magnéticos duros.
Propiedades deseables para su aplicación
1. Baja permeabilidad magnética inicial, Pi
2. Alto campo coercitivo, Hc, para desimanar
3. Alta inducción de saturación, Bs
BB
4. Alta remanencia, Br
H
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MATERIALES MAGNÉTICOS DUROS
Y
APLICACIONES
FERRITAS DURAS
ALEACIONES DE Alnico
ALEACIONES DE TIERRAS RARAS
ALEACIONES MAGNÉTICAS DE Nd-Fe-B
ALEACIONES DE Co-Pt-Cr
J. Isasi
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Curvas de desmagnetización de varios materiales magnéticos duros
4. Alnico 5.
B(T)
1. Sm(Co, Cu)7.4
2. SmCo5
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Sm(Co, Cu)7.4
SmCo5
SmCo5 aglomerado
Alnico 5
Mn-Al-C
Alnico 8
Cr-Co-Fe
Ferrita
Ferrita aglomerada
3. SmCo5 aglo.
-H(kA/m)
En función de cual vaya a ser la aplicación se hará uso de uno u otro
J. Isasi
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Ferritas hexagonales de composición MO × 6Fe2O3 (M = Ba2+ , Sr2+)
Material y composición
MO-6Fe2O3 (M = Ba, Sr)
Inducción remanente,
Br, T
0,38
Campo coercitivo
Hc, kA/m
235-240
o Bajo coste y baja densidad
oTienen alto Hc y >>Eanisotropia magnetocristalina
o Se aplican en imanes para altavoces, timbres y receptores de telefono
Hexaferrita de Ba
pegado y cierre (nevera)
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Material base de la aleación:
Al, Ni y Co + Fe
Alnico (aleaciones de Al, Ni y Co)
Muchas variantes en función de
la proporción de sus elementos
Mejores imanes permanente desde 1940-1967
Materiales magnéticos duros mas importantes
a nivel comercial
Buena resistencia a la T
Alta inducción remanente, Br
Moderada coercitividad, Hc
Alto producto de E, (B x H)max
Material y composición
Inducción remanente. Campo coercitivo
Hc. kA/m
Br, T
Alnico 1, 12 Al, 21 Ni, 5 Co, 2 Cu, Fe
0,72
37
Alnico 5, 8 Al, 14 Ni, 25 Co, 3 Cu, Fe
1,28
51
Alnico 8, 7 Al, 15 Ni, 24 Co, 3 Cu, Fe
0,72
150
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Alnico (aleaciones de Al, Ni y Co)
Aleaciones frágiles fabricadas en forma de polvo mediante
fundición o procesos de metalurgia de polvos.
Producción de grandes cantidades de pequeños artículos
con formas complejas.
J. Isasi
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Aleaciones de las Tierras Raras
Los P de la mayoría de las tierras raras >>>> que
los de los elementos de transición Fe, Co y Ni
Valores altos de Br
Las tierras raras poseen grandes constantes de anisotropía
magnetocristalina
Valores altos de Hc
(Br x Hc)max altos
Inconveniente: debido al carácter interno de los orbitales 4f
permanecen paramagnéticos a T ambiente
Excepción del Gd con TC = 293 K
Limitación para su uso como imanes permanentes
J. Isasi
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Aleaciones de las Tierras Raras
Para solventarlos se fabrican imanes de tierras raras y
metales de transición que poseen elevada Tc y Hc muy altos
Aleaciones ferromagnéticas de Co y Fe con lantánidos
SmCo5 y aleaciones endurecidas por precipitación de
composición~Sm(Co,Cu)7.5
Inducción remanente. Campo coercitivo
Br,T
Hc. kA/m
Material y composición
0,90
675-1200
Tierra rara-Co, 25,5 Sm, 8 Cu, 15 Fe, 1.5Zr. 50 Co 1,10
510-520
Tierra rara-Co, 35 Sm, 65 Co
Se producen a gran escala
Tc > > y (Brx Hc) tres veces superior al AlNiCo
J. Isasi
Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad
Aleaciones de las Tierras Raras
- Se fabrican como partículas nanométricas mediante técnicas de
metalurgia de polvos
- Al aplicarles P durante
alineadas con H.
la compactación, las partículas son
- La sinterización previene el crecimiento de las partículas prensadas.
Se utilizan en en dispositivos médicos: motores ligeros en
bombas implantables y en válvulas.
J. Isasi
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Aleaciones magnéticas de Nd-Fe-B
Descubiertas en 1984, encarecimiento del precio del Co
Búsqueda de nuevos imanes
Poseen Hc aunque Tc no sea elevada
Nd2Fe14B
(Brx Hc) >>>
B, necesario para conseguir la anisotropía estructural,
define un eje alargado
Fases intergranulares ricas en Nd no ferromagnéticas,
alineados en los granos constitutivos de la matriz Nd2Fe14
Debido a la reducción en peso y la posibilidad de fabricación compacta,
se utilizan en motores eléctricos de arranque de automoción
J. Isasi
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Aleaciones magnéticas de Co-Pt-Cr
Aleaciones depositadas por sputtering sobre películas delgadas
Fase magnética en el
interior del grano/Co
10 nm
Fase no magnética
en junta de grano/Cr
La adición de Pt reduce el tamaño de grano y ayuda a la formación
de la fase no magnética que separa los granos magnéticos.
Material y composición
Fe-Cr-Co, 30 Cr, 10 Co, 1 Si, 59 Fe
Inducción remanente. Campo coercitivo
Hc. kA/m
Br, T
1,17
46
J. Isasi
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Aleaciones magnéticas de Co-Pt-Cr
Interacción débil entre granos
permitiendo
transiciones
magnéticas bien definidas
(bit de almacenamiento).
+
Pequeño tamaño de grano
Aumento de la densidad
de integración de información
Soporte magnético para almacenamiento
de alta densidad de datos, discos duro de
ordenadores
Antiguo disco duro de IBM (modelo 62PC,
«Piccolo»), de 64,5 MB, fabricado en 1979
J. Isasi
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Almacenamiento magnético de alta densidad
Sistemas magnéticos granulares
1990: 20Gb/
2003: 100Gb/
500 Gb
2010: teras-
Discos de aluminio + sistemas granulares de
aleaciones ferromagnéticas separados por
cabezales de lecto-escritura
Generan señales eléctricas que alteran los campos
magnéticos del disco o información
0 o 1 en función de la dirección de orientación
Grabación magnética