Imanes 442ot

3.3.- Imanes Suele llamarse imán a cualquier objeto que produce un campo magnético externo. Un imán permanente es un material que, cuando se lo coloca en un campo magnético suficientemente intenso, no sólo produce un campo magnético propio o inducido, sino que continúa produciendo campo inducido aún después de ser retirado del campo aplicado. Esta propiedad no se altera ni se debilita con el tiempo salvo cuando el imán se somete a cambios de temperatura, campos desmagnetizantes, tensiones mecánicas, etc. La habilidad del material para soportar sin cambios en sus propiedades magnéticos diversos tipos de ambientes y condiciones de trabajo define los tipos de aplicaciones en que se lo puede usar. 3.3.1. Polos magnéticos Tanto si se trata de un tipo de imán como de otro, la máxima fuerza de atracción se halla en sus extremos, llamados polos. Un imán consta de dos polos, denominados polo norte y polo sur, o, alternativamente, polo positivo y polo negativo. Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen. No existen polos aislados (véase monopolo magnético) y, por lo tanto, si un imán se rompe en dos partes, se forman dos nuevos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur, aunque la fuerza de atracción del imán disminuye. Entre ambos polos se crean líneas de fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en el interior del imán también van de un polo al otro. Como se muestra en la figura, pueden ser visualizadas esparciendo limaduras de hierro sobre una cartulina situada encima de una barra imantada; golpeando suavemente la cartulina, las limaduras se orientan en la dirección de las líneas de fuerza.

3.3.2. Polaridad de un imán Para determinar los polos de un imán se considera la tendencia de éste a orientarse según los polos magnéticos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural: el polo norte de un imán se orienta hacia el polo sur magnético, que está próximo al polo sur geográfico, mientras que el polo sur del imán se orienta hacia el polo norte magnético, que está próximo al polo norte geográfico. El ángulo comprendido entre el norte magnético local, indicado por una brújula, y el norte verdadero (o norte geográfico) se denomina declinación magnética.

3.3.3. Magnetización La magnetización de un objeto es el valor local de su momento angular-magnético por unidad de volumen, usualmente denotado M, con unidades A/m. Es un campo vectorial, más allá que simplemente un vector (como el momento magnético), porque las diferentes secciones de una barra magnética generalmente están magnetizadas con diferentes direcciones y fuerzas. Una buena barra magnética puede tener un momento magnético de magnitud 0,1 A·m² y de volumen de 1 cm³, o 0,000001 m³; por tal razón el promedio de la magnitud de magnetización es de 100.000 A/m. El acero puede tener una magnetización de alrededor de un millón A/m. 3.3.4. Tipos de Materiales Magneticos 3.3.4.1. Imanes metálicos Los imanes metálicos comerciales más importantes son ferromagnéticos. En general, esos materiales se clasifican como blandos o duros. Los materiales ferromagnéticos con paredes de dominios magnéticos que se mueven fácilmente cuando se aplica un campo se denominan imanes blandos. Aquellos con menor movilidad de las paredes de los dominios se denominan imanes duros. Los factores estructurales y constitutivos que llevan a la dureza magnética son generalmente los mismos que los que provocan la dureza mecánica. La apariencia relativa del ciclo de histéresis de los materiales duros y blandos se muestra en la Figura 06. Hasta el reciente desarrollo de los cerámicos superconductores, los mejores ejemplos de imanes superconductores eran ciertos metales, como el Nb y sus aleaciones.

Figura 06 Comparación entre los ciclos de histéresis de un imán duro y un imán blando.

3.3.4.2. Imanes blandos La mayor utilización de los materiales magnéticos tiene lugar en la generación de potencia. Un ejemplo es el núcleo ferromagnético de un transformador. Esta aplicación requiere un imán blando. El área encerrada por el ciclo ferromagnético de histéresis representa la energía consumida en el recorrido de todo el ciclo. En aplicaciones de potencia de corriente alterna (Ca) el ciclo debe recorrerse a frecuencias

de 50 a 60 Hz (hercios5, o ciclos por segundo) e incluso mayores. Como resultado, la pequeña área encerrada por el ciclo de histéresis de un imán blando (06) proporciona una fuente mínima de pérdidas de energía. Por supuesto, es importante que el área sea pequeña, pero también es igualmente deseable una alta inducción de saturación (Bs) para minimizar el tamaño del núcleo del transformador. Una segunda fuente de pérdidas de energía en aplicaciones de energía alterna es la generación de una corriente eléctrica oscilante (corriente inducida) provocada por un campo magnético oscilante. Las pérdidas de energía provienen directamente del calentamiento Joule6 (= I2 R , donde I es la corriente y R es la resistencia). Estas pérdidas se pueden reducir incrementando la resistividad del material. A primera vista, el incremento de resistividad puede parecer que incrementa el término I2R porque es proporcional a la resistencia, R. Pero la reducción de corriente, /, elevada al cuadrado, compensa sobradamente el incremento de R (I2 R = [V2/R2]R = V2/R). Por esta razón las aleaciones hierro- silicio de alta resistencia han sustituido a los aceros al carbono no aleados en aplicaciones de potencia de baja frecuencia. La adición de silicio también incrementa la permeabilidad magnética y, consecuentemente, Bs. Una mejora adicional de las propiedades magnéticas se produce por el laminado en frío de las láminas de acero al silicio. Esto tiene la ventaja de conseguir una mayor permeabilidad a lo largo de ciertas direcciones cristalográfica.

. Figura o7

figura 08

La producción de tales orientaciones preferentes o microestructura orientada se muestra en la Figura 07. La Figura 08 proporciona una comparación de la magnetización inicial de tres materiales: fundición de hierro al carbono (3 por ciento en peso de carbono), una aleación de hierro con un 3.25 por ciento de silicio de orientación aleatoria, y una aleación de hierro con un 3.25 por ciento en peso de silicio de orientación (100) [001]. En la Tabla 01 se presentan algunas propiedades magnéticas típicas de varios metales magnéticos. Estas aleaciones férreas difieren químicamente de los aceros convencionales en que, en lugar del carbono, es el boro el principal elemento aleante. La ausencia de bordes de grano en estos materiales facilita el movimiento de las paredes de los dominios. Esto se ve aparejado con una relativamente alta resistividad que hace a estos materiales atractivos en aplicaciones tales como núcleos

de transformador. La Tabla 01 incluye datos de aleaciones férreas amorfas. En la Sección 20.3 se incluye un estudio del diseño del núcleo de un transformador mediante el uso de un metal amorfo. Ejemplos de materiales magnéticos blandos y sus aplicaciones Aleaciones de Fe y Si. Los materiales magnéticos blandos de más amplia utilización, por ejemplo en motores, transformadores o generadores, son las aleaciones de Fe con 3-4% en peso de Si. Al añadir Si en solución sólida al Fe, la aleación resultante presenta unas pérdidas de energía por histéresis menores, volviéndose más blando magnéticamente, como consecuencia de varios fenómenos. Primero disminuyen los intersticiales de oxígeno presentes atrapados por el Si; estos intersticiales son unos defectos que dificultan el movimiento de las paredes de los dominios. Además existe una reducción de la energía de anisotropía magnetocristalina y de la magnetostricción provocando un aumento de la permeabilidad magnética. Finalmente, la adicción de Si da lugar a un aumento en la resistividad eléctrica disminuyendo las perdidas por corrientes parásitas, hecho importante en transformadores y máquinas funcionando en corriente alterna. Como efectos negativos aparecen la disminución de la imanación de saturación y de la temperatura de Curie de la aleación. Además disminuye la ductilidad del Fe provocando que para contenidos de Si mayores del 4% no se puede laminar el material. Vidrios metálicos. Los vidrios metálicos son una clase relativamente nueva de materiales metálicos cuya característica dominante es una estructura no cristalina (amorfa). Se fabrican por un proceso de solidificación rápida (~106 °C/s). Los vidrios metálicos tienen unas propiedades notables: son muy fuertes, muy duros con alguna flexibilidad, y muy resistentes a la corrosión. Magnéticamente son materiales muy blandos, y esa es una de las principales razones de su importancia. Consisten esencialmente en combinaciones de los metales ferromagnéticos Fe, Co y Ni con los metaloides B y Si. En los vidrios metálicos, al no haber fronteras de grano ni anisotropía cristalina de gran alcance, las paredes de los dominios se mueven con facilidad, la energía de anisotropía es prácticamente 0, las pérdidas de histéresis son muy pequeñas y poseen una alta permeabilidad. Además, al ser materiales amorfos, su resistividad es alta, es decir, las pérdidas por corrientes parásitas serán muy pequeñas. Aleaciones de Fe y Ni. Poseen energías magnetocristalina y magnetostrictiva muy bajas, y por eso tienen mayores permeabilidades a campos bajos que las aleaciones de Fe-Si. Los materiales más conocidos son el Permalloy (Fe + 45%Ni) y el Supermalloy (79% Ni). Su aplicación más importante es la comunicación de alta sensibilidad, en la que el equipo ha de recibir o transmitir pequeñas señales. 3.3.3.4. Imanes duros Aunque usados raramente en aplicaciones de potencia de corriente alterna, los imanes duros (Figura 06) son ideales como imanes permanentes. La gran área contenida en el ciclo de histéresis, que implica grandes pérdidas en corriente alterna, define simultáneamente la «potencia» de un imán permanente.

Concretamente, el producto de B y H en la zona de desmagnetización del ciclo de histéresis alcanza un valor

máximo,

(BH)

máximo,

que

es

una

medida

de

esta

potencia

(Figura

09).

Figura 09 Dibujando los datos del cuadrante de desmagnetización del ciclo de histéresis se demuestra el valor máximo del producto, (BH)máx. Esta cantidad es una medida adecuada de la «potencia» de los imanes permanentes. proporciona (BH)m„ para varios imanes Ejemplos de materiales magnéticos duros y sus aplicaciones Alnico (aleaciones de Al, Ni y Co). Las aleaciones alnico son aleaciones de Al, Ni y Co más Fe como material base, y son los más importantes materiales magnéticos duros que se utilizan hoy en día. En EEUU cuentan con un 35% del mercado de los materiales magnéticos. Estas aleaciones se caracterizan por un producto (BH)máx muy alto, una alta imanación remanente y una fuerza coercitiva moderada. Las aleaciones de alnico son frágiles y se fabrican mediante fundición o procesos de metalurgia de polvos. Los polvos de alnico se usan principalmente para producir grandes cantidades de pequeños artículos con formas complejas. En cuanto a su estructura, por encima de la temperatura de tratamiento térmico por solución (~1250°C), las aleaciones alnico son de fase sencilla, con estructura cristalina bcc. Durante el enfriamiento a 750-850°C se descomponen en otras dos fases bcc, a y a’. La matriz de la fase a es rica en Ni y Al y poco magnética, mientras que el precipitado a’ es rico en Fe y Co y por lo tanto posee una imanación más alta que la fase a. La fase a’ se asemeja a una varilla alineada en las direcciones á100ñ, y tiene dimensiones aproximadas de unos 10 nm de diámetro y 100 nm de longitud. Si el tratamiento térmico se hace en presencia de un campo magnético, el precipitado a’ forma minúsculas partículas delgadas y alargadas en la dirección del campo magnético en una matriz de fase a. La alta coercitividad de los alnicos se atribuye a la dificultad de rotación de las partículas de dominio sencillo de la fase a’, debido a su anisotropía geométrica. Cuanto mayor sea la relación de aspecto (longitud/anchura), mayor será la coercitividad de la aleación.

Aleaciones magnéticas Co-Pt-Cr: El soporte magnético para almacenamiento de alta densidad de datos, discos duro de ordenadores, está basado en películas delgadas de este tipo de aleaciones depositadas por sputtering. La elección de este material está basada en la segregación química en dos fases, una magnética en el interior del grano, con un tamaño de grano alrededor de 10 nm, y otra no magnética en junta de grano que los separa. Este hecho permite una interacción entre granos débil permitiendo transiciones magnéticas bien definidas (bit de almacenamiento). Este hecho, unido a un pequeño tamaño de grano, posibilita aumentar la densidad de integración de información. En películas delgadas de CoPtCr, el Cr difunde hacia la junta de grano resultando en un grano magnético rico en Co rodeado de juntas de grano ricas en Cr y pobremente magnéticas. La adición de B reduce el tamaño de grano y ayuda a la formación de la fase no magnética que separa los granos magnéticos. 3.3.4.5. Imanes cerámicos Los imanes cerámicos pueden dividirse en dos categorías. Los tradicionales tienen la baja conductividad característica de la mayoría de los cerámicos, aproximadamente el 80 por ciento de los cerámicos industriales se utiliza por su comportamiento electrónico o magnético. Como se explicó en la Sección 3.3.1.3, los imanes superconductores más potentes pertenecen a una nueva familia de óxidos cerámicos. Imanes cerámicos de baja conductividad Los imanes cerámicos tradicionales, de importancia comercial, son ferrimagnéticos. Los principales ejemplos son las ferritas, basadas en la estructura cristalina de la espinela inversa explicada en detalle en la Sección 3.2. En la sección precedente se observó que las aleaciones de acero para los núcleos de transformador eran seleccionadas para tener una resistividad máxima que minimizara las pérdidas por corriente inducida. En aplicaciones de alta frecuencia, las aleaciones no metálicas tienen una resistividad lo suficientemente alta para prevenir las pérdidas por corriente inducida. Las altas resistividades características de los cerámicos hacen de las ferritas el material apropiado para tales aplicaciones. Muchos transformadores en la industria de las comunicaciones están hechos de ferrita. Los transformadores de deflexión utilizados para la formación de imágenes electrónicas en las pantallas de televisión son claros ejemplos. Otro grupo es el de los granates, que tienen una estructura cristalina similar a la de la gema natural, Al2Mg3SÍ3 012. Esta estructura tiene tres tipos de huecos para los cationes. El catión Si4+ está tetraédricamente coordinado, el Al3

+

está octaédricamente coordinado, y el Mg2+ está en un

dodecaedro. Los granates ferrimagnéticos contienen iones Fe3+. Por ejemplo, el granate de hierro e itrio (YIG) tiene la fórmula Fe2+ [Y3+Fe3+] 012-2. Los dos primeros Fe3+ de la fórmula se encuentran en huecos octaédricos, los tres iones Fe3+restantes están en huecos tetraédricos, y los tres iones Y3+ están en huecos dodecaédricos. Los granates son los principales materiales utilizados en los componentes de

guías de onda para la comunicación por microondas. En la Tabla 03 se da una lista de las composiciones de los granates comerciales. Tanto las ferritas como los granates son imanes blandos. Se han desarrollado algunos cerámicos que son magnéticamente duros. Un ejemplo importante son las magnetoplumbitas. Estos materiales tienen una estructura hexagonal con una composición química MO • 6Fe20 3 (M = catión bivalente) similar a la de la magnetoplumbita mineral. Como en los granates, la estructura cristalina de las magnetoplumbitas es más compleja que la de las espinelas de ferrita. Hay, de hecho, cinco tipos diferentes de entornos de coordinación para los cationes (a diferencia de los dos de la espinela invertida y los tres de los granates). Los tres cationes bivalentes de mayor interés comercial son el estroncio (Sr2+), bario (Ba2+) y plomo (Pb2+). Los imanes permanentes fabricados con estos materiales se caracterizan por un alto campo coercitivo y bajo coste. Tienen aplicaciones en pequeños motores de corriente continua, altavoces de radio y cerraduras magnéticas. Uno de los ejemplos más comunes de imanes magnéticos es la cinta de grabación. Consiste en finas partículas de Fe203 y orientadas sobre una cinta de plástico. La fina lámina resultante de Fe203 tiene un ciclo de histéresis «duro». La grabación de alta fidelidad es el resultado de la magnetización residual de la película, siendo proporcional a la señal eléctrica producida por el sonido. El mismo concepto ha sido aplicado a la producción tanto del disco duro como de los discos flexibles de los ordenadores. Los discos flexibles están compuestos de un óxido de hierro similar que cubre un sustrato plástico flexible. Los discos duros normalmente tienen un sustrato de aleación de aluminio excepcionalmente plano y liso. El principio general de grabación magnética demuestra cómo están alineadas las partículas en forma de aguja de Fe2C3 y, almacenando la información binaria como ceros y unos por su orientación (señalando a la derecha o a la izquierda en la ilustración). Los datos se escriben en la cinta o disco por la señal eléctrica en la bobina, que genera un campo magnético a través del hueco en la cabeza de grabación. Este campo magnetiza una región pequeña del medio próximo. La región del medio avanza más allá de la cabeza de grabación, mantiene la magnetización, y se ha almacenado la señal. La misma cabeza puede leer los datos almacenados. Las cabezas de grabación se hacen de ferritas de cerámica tales como ferrita del cinc-níquel y ferrita del cinc-manganeso. Para las antiguas cabezas de grabación, esa cerámica era suficiente. Para una alta densidad de la grabación, sin embargo, requieren campos coactivos más altos y han conducido al uso de las películas finas de aleaciones metálicas dentro del hueco. Un diseño de la cabeza de grabación del metal-en-hueco (MiG). Las aleaciones de Permalloy (NiFe) y de Sendust (FeAISi) se emplean para este propósito. Imanes cerámicos superconductores Una familia relativamente nueva de materiales cerámicos ha manifestado superconductividad. La superconductividad en los metales ha estado asociada con un conjunto limitado de metales y aleaciones que, por encima de Tc, eran relativamente malos conductores. De manera similar se encontró que una familia específica de óxidos cerámicos, tradicionalmente incluidos en la categoría de aislantes,

presentaban superconductividad con valores de Tc sensiblemente mayores de los que era posible conseguir con los mejores superconductores metálicos. Se contrasta el favorable aumento en la temperatura crítica, Tc, con la desfavorable limitación de la intensidad crítica. Hay una tercera propiedad importante de los materiales superconductores, denominada campo magnético crítico, por encima del cual el material deja de ser superconductor. A diferencia de la intensidad critica, el campo magnético crítico aumenta con la temperatura crítica en materiales de alta Tc, tal y como se muestra en la Figura 10. Desafortunadamente, la limitada densidad de corriente (debida a la penetración del campo magnético) continúa siendo el principal obstáculo, especialmente en aplicaciones a gran escala tales como transmisión de potencia y transporte, algunas de las aplicaciones más prometedoras de estos materiales parecen ser los dispositivos de película delgada, como la unión Josephson8, que consiste en una fina lámina de aislante entre láminas superconductoras. Estos dispositivos conmutan voltajes a muy altas frecuencias consumiendo mucha menos energía que los dispositivos convencionales. Las aplicaciones resultantes pueden incluir computadoras más compactas y detectores de campos magnéticos ultrasensibles.

Figura 10 Comparación del campo magnético crítico frente a la temperatura en el metal superconductor (Nb3Ge) y dos cerámicos. superconductores.