Introducción
La mayoría de los materiales interactúan con un campo magnético, igual que los dieléctricos interactúan con un campo eléctrico. Los materiales magnéticos se utilizan para operar motores, generadores y transformadores eléctricos; para almacenar y recuperar información sobre cinta magnética o en computadores; para servir como accionadores y sensores; para enfocar haces electrónicos; para ayuda en dispositivos de diagnóstico médico y para todo un cúmulo de más aplicaciones. Los materiales magnéticos más usados son los basados en metales ferromagnéticos como el hierro, el níquel y el cobalto y sus aleaciones o en cerámicos ferrimagnéticos, incluyendo varias ferritas y granates.
El comportamiento magnético está determinado principalmente por la estructura electrónica del material, que es la que proporciona dipolos magnéticos. Las interacciones entre estos dipolos determinan el tipo de comportamiento magnético que se observará. El comportamiento magnético puede ser modificado al cambiar la composición, la microestructura y el procesamiento de estos materiales básicos.
Dipolos y momentos magnéticos
La magnetización ocurre cuando los dipolos magnéticos, ya sea los inducidos o los permanentes, se orientan por interacción entre el material magnético y un campo magnético. La magnetización aumenta la influencia del campo magnético, permitiendo que se almacene mayor energía magnética que si el material no estuviera presente. Esta energía puede almacenarse permanente o temporalmente, y puede ser utilizada para realizar trabajo.
Cada electrón en un átomo tiene dos momentos magnéticos. Un momento magnético es simplemente la intensidad de campo magnético asociado con el electrón. Este momento, conocido como el magnetón de Bohr, es
Magnetón de Bohr =
qh ∕ 4Πm℮9.27 x 10-24 A*m2
qh ∕ 4Πm℮9.27 x 10-24 A*m2
donde q es la carga del electrón, h es la constante de Planck y m, la masa del electrón. Los momentos magnéticos se originan por el movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo y por el giro del electrón sobre su propio eje o spin (figura 1)
FIGURA 1 Origen de los dipolos magnéticos: (a) El spin del electrón produce un campo magnético con una dirección, que depende del número cuántico ms (b). Los electrones al orbitar alrededor del núcleo, generan un campo magnético en torno al átomo.
Recordemos que cuando analizamos las estructuras electrónicas y números cuánticos se aprecia que cada nivel discreto de energía podría contener dos electrones, cada uno de ellos con un spin opuesto al otro. Los momentos magnéticos de cada par de electrones en un nivel de energía están en oposición. En consecuencia, siempre que un nivel de energía esté totalmente ocupado, no habrá momento magnético neto.
Con base en este razonamiento, se esperaría que cualquier átomo de un elemento con número atómico impar tenga un momento magnético neto proveniente del electrón solitario, pero no es así; en la mayoría de estos elementos, el electrón no "apareado" es de valencia. Dado que los electrones de valencia de cada átomo interactúan, los momentos magnéticos, en promedio, se cancelan entre sí y en el material no está asociado ningún momento magnético neto.
Sin embargo, ciertos elementos, como los metales de transición, tienen un nivel interno de energía que no está totalmente ocupado. En este caso, son típicos los elementos desde el escandio hasta el cobre, cuyas estructuras electrónicas aparecen en la tabla 1. La excepción son el cromo y el cobre, los electrones de valencia del nivel 4s están apareados; los electrones no apareados en el cromo y en el cobre se cancelan mediante interacción con otros átomos. El cobre también tiene una capa 3d completamente ocupada, por lo que no presenta un momento magnético neto.
Los electrones en el nivel 3d de los demás elementos de transición no entran por pares en las capas. En vez de ello, como en el manganeso, los primeros cinco electrones tienen el mismo spin. Únicamente después de que la mitad del nivel 3d está ocupado se forman pares de electrones con spins opuestos. Así, en un metal de transición cada átomo tiene un momento magnético permanente, relacionado con el número de electrones no apareados. Cada átomo se comporta como un dipolo magnético.
La respuesta del átomo a un campo magnético depende de la forma en que los dipolos magnéticos, representados por cada átomo, reaccionan ante el campo. La mayoría de los elementos de transición reaccionan de tal forma que la suma de los momentos magnéticos de los átomos es igual a cero. Sin embargo, en el níquel, hierro y cobalto los átomos sufren una interacción de intercambio, en la cual la orientación del dipolo de un átomo influye a los que lo circundan para que tengan una misma orientación, esto produce una ampliación del efecto del campo magnético en el material. Este fenómeno muchas veces es deseable producirlo.
3 Magnetización, permeabilidad y el campo magnético
Obsérvese la relación entre el campo magnético y la magnetización. La figura 2 ilustra una bobina con n vueltas/Cuando pasa una comente eléctrica a través de ésta se produce un campo magnético H: la intensidad de campo está dada por H = nI / l
ni donde n es el número de vueltas, l es la longitud de la bobina (m) e I es la corriente (A).Las
unidades de H son, por tanto, amperes • vuelta/m, o simplemente A/m. Una unidad alterna para
el campo magnético es el oersted, que se obtiene al multiplicar A/m por 4Π x 10~3 .
Cuando se aplica un campo magnético en el vacío, se inducen líneas de flujo magnético.
Campo magnético
FIGURA 2 Una corriente que pasa a través de una bobina establece un campo magnético H con una densidad de flujo B. La densidad de flujo es mayor cuando se coloca un núcleo magnético dentro de la bobina.
La mayoría de los materiales interactúan con un campo magnético, igual que los dieléctricos interactúan con un campo eléctrico. Los materiales magnéticos se utilizan para operar motores, generadores y transformadores eléctricos; para almacenar y recuperar información sobre cinta magnética o en computadores; para servir como accionadores y sensores; para enfocar haces electrónicos; para ayuda en dispositivos de diagnóstico médico y para todo un cúmulo de más aplicaciones. Los materiales magnéticos más usados son los basados en metales ferromagnéticos como el hierro, el níquel y el cobalto y sus aleaciones o en cerámicos ferrimagnéticos, incluyendo varias ferritas y granates.
El comportamiento magnético está determinado principalmente por la estructura electrónica del material, que es la que proporciona dipolos magnéticos. Las interacciones entre estos dipolos determinan el tipo de comportamiento magnético que se observará. El comportamiento magnético puede ser modificado al cambiar la composición, la microestructura y el procesamiento de estos materiales básicos.
Dipolos y momentos magnéticos
La magnetización ocurre cuando los dipolos magnéticos, ya sea los inducidos o los permanentes, se orientan por interacción entre el material magnético y un campo magnético. La magnetización aumenta la influencia del campo magnético, permitiendo que se almacene mayor energía magnética que si el material no estuviera presente. Esta energía puede almacenarse permanente o temporalmente, y puede ser utilizada para realizar trabajo.
Cada electrón en un átomo tiene dos momentos magnéticos. Un momento magnético es simplemente la intensidad de campo magnético asociado con el electrón. Este momento, conocido como el magnetón de Bohr, es
Magnetón de Bohr =
qh ∕ 4Πm℮9.27 x 10-24 A*m2
qh ∕ 4Πm℮9.27 x 10-24 A*m2
donde q es la carga del electrón, h es la constante de Planck y m, la masa del electrón. Los momentos magnéticos se originan por el movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo y por el giro del electrón sobre su propio eje o spin (figura 1)
FIGURA 1 Origen de los dipolos magnéticos: (a) El spin del electrón produce un campo magnético con una dirección, que depende del número cuántico ms (b). Los electrones al orbitar alrededor del núcleo, generan un campo magnético en torno al átomo.
Recordemos que cuando analizamos las estructuras electrónicas y números cuánticos se aprecia que cada nivel discreto de energía podría contener dos electrones, cada uno de ellos con un spin opuesto al otro. Los momentos magnéticos de cada par de electrones en un nivel de energía están en oposición. En consecuencia, siempre que un nivel de energía esté totalmente ocupado, no habrá momento magnético neto.
Con base en este razonamiento, se esperaría que cualquier átomo de un elemento con número atómico impar tenga un momento magnético neto proveniente del electrón solitario, pero no es así; en la mayoría de estos elementos, el electrón no "apareado" es de valencia. Dado que los electrones de valencia de cada átomo interactúan, los momentos magnéticos, en promedio, se cancelan entre sí y en el material no está asociado ningún momento magnético neto.
Sin embargo, ciertos elementos, como los metales de transición, tienen un nivel interno de energía que no está totalmente ocupado. En este caso, son típicos los elementos desde el escandio hasta el cobre, cuyas estructuras electrónicas aparecen en la tabla 1. La excepción son el cromo y el cobre, los electrones de valencia del nivel 4s están apareados; los electrones no apareados en el cromo y en el cobre se cancelan mediante interacción con otros átomos. El cobre también tiene una capa 3d completamente ocupada, por lo que no presenta un momento magnético neto.
Los electrones en el nivel 3d de los demás elementos de transición no entran por pares en las capas. En vez de ello, como en el manganeso, los primeros cinco electrones tienen el mismo spin. Únicamente después de que la mitad del nivel 3d está ocupado se forman pares de electrones con spins opuestos. Así, en un metal de transición cada átomo tiene un momento magnético permanente, relacionado con el número de electrones no apareados. Cada átomo se comporta como un dipolo magnético.
La respuesta del átomo a un campo magnético depende de la forma en que los dipolos magnéticos, representados por cada átomo, reaccionan ante el campo. La mayoría de los elementos de transición reaccionan de tal forma que la suma de los momentos magnéticos de los átomos es igual a cero. Sin embargo, en el níquel, hierro y cobalto los átomos sufren una interacción de intercambio, en la cual la orientación del dipolo de un átomo influye a los que lo circundan para que tengan una misma orientación, esto produce una ampliación del efecto del campo magnético en el material. Este fenómeno muchas veces es deseable producirlo.
3 Magnetización, permeabilidad y el campo magnético
Obsérvese la relación entre el campo magnético y la magnetización. La figura 2 ilustra una bobina con n vueltas/Cuando pasa una comente eléctrica a través de ésta se produce un campo magnético H: la intensidad de campo está dada por H = nI / l
ni donde n es el número de vueltas, l es la longitud de la bobina (m) e I es la corriente (A).Las
unidades de H son, por tanto, amperes • vuelta/m, o simplemente A/m. Una unidad alterna para
el campo magnético es el oersted, que se obtiene al multiplicar A/m por 4Π x 10~3 .
Cuando se aplica un campo magnético en el vacío, se inducen líneas de flujo magnético.
Campo magnético
FIGURA 2 Una corriente que pasa a través de una bobina establece un campo magnético H con una densidad de flujo B. La densidad de flujo es mayor cuando se coloca un núcleo magnético dentro de la bobina.
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