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PROPIEDADES MAGNETICAS DE LOS MATERIALES.

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Cristina F. Gómez

on 27 March 2015

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PROPIEDADES MAGNETICAS DE LOS MATERIALES.
Fuerzas magnéticas.
Las fuerzas magnéticas se generan mediante el movimiento de partículas cargadas Eléctricamente; existen junto a las fuerzas electrostáticas.
Las propiedades magnéticas macroscópicas de los materiales son producto de los momentos magnéticos asociados con los electrones individuales.
Cuando el electrón gira al rededor del núcleo se convierte en una carga magnética en movimiento, por lo que se genera un momento magnético
TIPOS DE MAGNETISMO.
APLICACIONES MAGNÉTICAS EN LA INDUSTRIA.
El magnetismo es el fenómeno por medio del cual los organismos ejercen fuerzas de atracción o de repulsión sobre otros materiales.
Las fuerzas magnéticas se generan cuando se mueven partículas cargadas eléctricamente
Campo Magnético.
Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos.

El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial. Específicamente, el campo magnético es un vector axial, como lo son los momentos mecánicos y los campos rotacionales.

El campo magnético es más comúnmente definido en términos de la fuerza de Lorentz ejercida en cargas eléctricas. Campo magnético puede referirse a dos separados pero muy relacionados símbolos B y H.
DIAMAGNETISMO.
Es una forma muy débil de magnetismo, la cual es no permanente y persiste no solamente cuando se aplica un campo externo.

Es inducidos por un cambio en el movimiento orbital de los electrones, debido al campo magnético aplicado.
PARAMAGNETISMO
Para algunos materiales solidos, cada átomo posee un dipolo permanente debido a la cancelación incompleta de los momentos causados por la rotación del electrón y la orbita del electrón.

Cuando no existe un campo magnético externo, las orientaciones de los momentos magnéticos de los átomos son aleatorias, y el material no posee magnetismo macroscópico neto.

Los dipolos atómicos pueden rotar libremente, y el paramagnetismo resulta cuando se alinean, por rotación, con un campo externo.
Distribuciones del campo magnético de :

una espira por la que circula corriente y de un imán en forma de barra.

En los materiales magnéticos existen polos magnéticos, Son análogos a los dipolos eléctricos. Los dipolos magnéticos pueden considerarse como pequeños imanes formados por un polo norte y un polo sur
Dentro de un campo magnético, la fuerza del campo
orienta los dipolos en la dirección del campo
Campo magnético generado por un anillo de corriente.
Campo magnético generado por un imán
cada electrón gira al rededor de si mismo en un momento magnético.
El momento magnético neto de un atomo es la suma de los momentos maniáticos generados por los electrones. Si incluyen los momentos orbitales, de rotación y el hecho que los momentos pueden cancelarse.
En los átomos donde los niveles de energía de los electrones están completamente llenos, todos los momentos se cancelan.

Estos materiales no pueden ser magnetizados permanentemente.
( Gases inertes y algunos materiales iónicos)
El diamagnetismo se encuentra en los materiales, pero debido a que es muy débil, solo puede ser observado cuando otros tipos de magnetismo están ausentes.


Esta forma de magnetismo no tiene uso practico.
Los materiales diamagnéticos y los paramagnéticos se consideran no magnéticos, por que solamente presentan magnetismo en presencia de un campo externo.
FERROMAGNETISMO.
Ciertos metales poseen un momento magnético en la ausencia de un campo externo, y muestran características del ferromagnetismo, y son mostrados por el hierro BCC (ferrita), cobalto, níquel y algunos metas de las tierras raras.

El momento magnético permanente en los materiales ferromagnéticos resultan de los momentos causados por la rotación (spin) de los electrones, los cuales no se cancelan a causa de la estructura electrónica.
En los materiales ferromagnéticos, los momentos de los átomos adyacentes hacen que estos se alineen aun en la ausencia de un campo externo
El cumplimiento de normas nacionales e internacionales, así como el aseguramiento de un sistema de calidad confiable, a inducido a diversas industrias a incursionar en el campo de la metrología, para cumplir con estándares que les permitan ser competitivas y poder exportar sus productos. Tal es el caso, por ejemplo, de industrias del sector:

Agroalimentario
Auto partes y Automotriz
Aeronáutico
Metal-mecánico
Enseres domésticos

En las cuales el desarrollo de algunos de sus productos, se basan
en la medición de propiedades magnéticas de materiales. En la
tabla siguiente se da una descripción de las necesidades metrológicas detectadas en estos sectores.
Caracterización magnética de filtros o trampas magnéticas, empleados por fabricantes de jugos, aditivos nutricionales y colorantes de alimentos, ingenios azucareros, y alimentos para niños, entre otros, para la retención de partículas ferromagnéticas, producidas durante el proceso de molienda, y el aseguramiento de calidad de sus productos.

Calibración de magnetómetros para la medición de los campos magnéticos producidos por los filtros o trampas magnéticos y cumplimiento con los requerimientos de su sistema de calidad.

Capacitación en mediciones magnéticas.
Industria Agroalimentaria

Medición de magnetismo residual en partes automotrices , que han sido sujetas a campos magnéticos para la detección de fisuras por partículas ferromagnéticas, para el cumplimiento de normas internacionales y el aseguramiento de su sistema de calidad.

Medición de campo magnético B y capacitación para realizar buenas prácticas de medición de magnetismo residual.

Medición del campo magnético B y H, generado por imanes.
Industria de Autopartes y Aeronáutica.

Medición de magnetismo residual en centralizadores y tubos de acero para la industria petrolera.

Calibración de magnetómetros para la medición de magnetismo residual o remanente.

Medición de campos magnéticos generados por imanes, empleados en la fabricación de filtros o trampas magnéticas. Calibración de magnetómetros para la medición del campo magnético B, generado por estos imanes y para el control de calidad de productos.

Capacitación para realizar buenas prácticas de medición de campos magnéticos
Industria Metal-Mecánica.
Industria Minera

Caracterización magnética de “orebeds” :

medición del campo magnético B, generado por los imanes que constituyen los “orebeds”, los cuales son empleados para el recubrimiento de molinos.

Asegurar la calidad de este producto .

Medición del campo magnético B, de lotes de “orebeds”,para el cumplimiento de normas internacionales, como la International Air Transport Asociation (IATA), para la exportación de producto vía aérea.

Tener conocimiento del material, cuya propiedad magnética se quiere medir.

Tener conocimiento de la magnitud o propiedad magnética del material, que se quiere medir o determinar su valor.

Conocer los factores de influencia que pueden afectar el o los resultados de una medición.

Determinar y conocer el equipo más adecuado para realizar las mediciones.

Contar con patrones o instrumentos de medición calibrados, para hacer correcciones por el error de medición del instrumento utilizado.

Contar con métodos de medición validados.
Medir bien, para asegurar la calidad de los
productos, implica:
FERRIMAGNETISMO
El término ferrimagnetismo fue utilizado en un principio para designar el orden de spins ferromagnéticos de las ferritas y por extensión, de todas las sustancias con ordenación de spin similar. Generalmente las ferritas son los óxidos mixtos derivados de y de fórmula general o . Por las propiedades magnéticas que presentan se usan como dispositivos electromagnéticos para el almacenamiento de información.

Las ferritas cúbicas presentan una estructura espinela como la que vemos en la siguiente figura, la cual se corresponde con la espinela . En ella los iones ocupan huecos tetraédricos, rodeados de 4 y los iones ocupan lugares octaédricos rodeados de 8 .
La magnetita es una espinela inversa que presenta la siguiente fórmula:


En ella, los iones tienen spin S = 5/2 y momento orbital = 0, es decir, cada ion contribuye con 5 . Los iones tienen spin S = 2 y contribuyen con 4 . El número efectivo de magnetones de Bohr por molécula de debería ser (2x5) + 4 = 14, si todos los spins fueran paralelos, en cambio el valor observado es de 4,1. Esto se explica si los momentos magnéticos de los iones son antiparalelos entre ellos de forma que se anulan, y el observado es el que corresponde al ion .
La siguiente figura es un esquema de los iones de hierro presentes en la celda unidad de la magnetita de estructura espinela inversa.
ANTIFERROMAGNETISMO
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). 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.
Al igual que en el ferromagnetismo, hay una temperatura por encima de la cual no se aprecia comportamiento antiferromagnético. Esta temperatura se denomina temperatura de Néel, por encima de la cual, los compuestos son típicamente paramagnéticos. Esto se puede ver en el siguiente gráfico donde aparece representada la susceptibilidad magnética frente a la temperatura:
Ejemplos de materiales magneticos
Aparatos de medicion.
Magnometros nucleares.
Magnetómetro protónico de precesión

Este magnetómetro mide la intensidad total absoluta del campo magnético a tiempos discretos. El instrumento se basa en la mecánica cuántica, específicamente en el fenómeno de la resonancia magnética nuclear. Aproximadamente los dos tercios de todos los núcleos atómicos (protones) tienen un momento magnético. Estos núcleos pueden ser considerados como diminutos imanes en forma de esferas, que giran alrededor de sus ejes magnéticos. Se aplica repentinamente un campo magnético intenso en una dirección en ángulo recto con la del campo terrestre a una botella de agua o de una otra sustancia, que contiene una gran cantidad de protones H+ y que está polarizada solamente por el campo terrestre. Los protones se orientan hasta que apunten en la dirección correspondiente a la resultante de los dos campos.
Magnetómetro protónico del tipo Overhauser

Un otro tipo de magnetómetro nuclear, denominado magnetómetro protónico basándose en el efecto Overhauser fue desarrollado al principio de la década sesenta. En lo que sigue se explica el efecto Overhauser en forma sencilla en términos mecánicos como lo fue hecho en el caso del magnetómetro protónico de precesión. Una explicación más detallada requiere conocimientos de la mecánica cuántica. Los magnetómetros de este tipo usan una solución rica en protones y iones paramagnéticos. Bajo la influencia de la llamativa frecuencia propia del electrón no perturbado, que está en el rango de las frecuencias muy altas (VHF) de radio, los iones paramagnéticos muestran una resonancia.
Brújula de inclinación

Este instrumento mide la variación de la intensidad vertical Z (o V respectivamente). Se constituye de una aguja imantada que puede moverse libremente en un plano vertical y que lleva fijada a un lado del eje un peso ajustable. Un par de torsión gravitatorio (peso ajustable) es equilibrado por un par de torsión magnético (imán).


Superbrujula de Hotchkiss

Esta brújula mide la variación de la intensidad total F de un campo magnético. Su construcción es semejante a la de la brújula de inclinación, además tiene una barra auxiliar no magnética, que lleva un contrapeso regulable. Para medir la variación de F se orienta los polos del imán paralelamente a la dirección del campo total, la medición se realiza orientando la superbrújula en una dirección perpendicular al meridiano (longitud) magnético.




Variómetro del tipo Schmidt

Este instrumento mide la variación de la intensidad vertical Z (o V respectivamente) y un variómetro modificado mide la variación de la intensiad horizontal H de un campo magnético. El variómetro consiste en un imán pivotado cerca, pero no directamente en el centro de su masa, de tal modo que el campo geomagnético origine un par de torsión magnético en torno del pivote opuesto al par de torsión de la atracción gravitatoria sobre el centro. El ángulo para el cual se alcanza el equilibrio depende de la intensidad del campo. El imán pivotado tiene que ser orientado horizontalmente y en la dirección este-oeste geomagnético para medir la variación de Z.

La construcción del variómetro para la medición de la variación de la intensidad horizontal H es parecida salvo que el sistema magnético (imán pivotado) tiene por posición inicial la vertical y la dirección norte-sur geomagnético.



Variómetro de compensación

Este instrumento mide la variación de la intensidad vertical Z y un variómetro modificado mide la variación de la intensidad horizontal H. La construcción del variómetro de compensación es semejante a aquella del variómetro del tipo Schmidt, pero en vez de medir la inclinación del sistema con respecto a la horizontal (variómetro vertical) se mide la fuerza necesaria para devolverlo a la horizontal. El imán pende de finos hilos y la fuerza restauradora se obtiene mediante el desplazamiento de imanes compensadores. En el caso del magnetómetro de torsión por ejemplo de 'Askania' según Haalck la aguja magnética tiene que ser orientada horizontalmente.
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