- Com s'origina la resposta magnètica a l'interior de les substàncies?
- Els dominis magnètics
- histèresi magnètica
- Materials magnèticament durs i tous: aplicacions
- referències
El ferromagnetisme és la propietat que li confereix a algunes substàncies una resposta magnètica intensa i permanent. A la natura hi ha cinc elements amb aquesta propietat: ferro, cobalt, níquel, gadolini i disprosi, aquestes últimes terres rares.
En presència d'un camp magnètic extern, com el produït per un imant natural o un electroimant, una substància respon d'una manera característica, d'acord a la seva configuració interna. La magnitud que quantifica aquesta resposta és la permeabilitat magnètica.
Imants formant un pont. Font: Pixabay
La permeabilitat magnètica és una quantitat adimensional donada pel quocient entre la intensitat de camp magnètic generat a l'interior de l'material i la de el camp magnètic aplicat externament.
Quan aquesta resposta és molt més gran que 1, el material és catalogat com ferromagnètic. En canvi si la permeabilitat no és molt més gran que 1, es considera que la resposta magnètica és més feble, són els materials paramagnètics.
En el ferro la permeabilitat magnètica és de l'ordre de 10 4. Això vol dir que el camp a l'interior de l'ferro és unes 10000 vegades més gran que el camp que s'apliqui externament. La qual cosa dóna una idea de què tan poderosa és la resposta magnètica d'aquest mineral.
Com s'origina la resposta magnètica a l'interior de les substàncies?
Se sap el magnetisme és un efecte associat a el moviment de càrregues elèctriques. En això justament consisteix el corrent elèctric. D'on llavors provenen les propietats magnètiques de l'imant de barra amb el qual s'ha enganxat una nota a la nevera?
El material d'l'imant, i també qualsevol altra substància conté en el seu interior protons i electrons, els quals posseeixen moviment propi i generen corrents elèctrics de diverses maneres.
Un model molt simplificat suposa a l'electró en òrbita circular al voltant de l'nucli conformat per protons i neutrons, formant així una diminuta espira de corrent. Cada espira porta associada una magnitud vectorial denomina "moment magnètic orbital", la intensitat ve donada pel producte del corrent i l'àrea determinada per l'espira: el magnetó de Bohr.
Per descomptat, en aquesta petita espira el corrent depèn de la càrrega de l'electró. Com que totes les substàncies contenen electrons al seu interior, totes tenen en principi, la possibilitat d'expressar propietats magnètiques. No obstant això no totes ho fan.
Això es deu al fet que els seus moments magnètics no estan alineats, sinó disposats a l'interior en forma aleatòria, de tal manera que els seus efectes magnètics a nivell macroscòpic es cancel·len.
La història no acaba aquí. El moment magnètic producte de el moviment d'electró al voltant de el nucli no és l'única font possible de magnetisme a aquesta escala.
L'electró té una mena de moviment de rotació al voltant del seu eix. És un efecte que es tradueix en un moment angular intrínsec. A aquesta propietat se l'anomena espín de l'electró.
Naturalment també té un moment magnètic associat i és molt més intens que el moment orbital. De fet la major contribució a el moment magnètic net de l'àtom és a través de l'espín, però tots dos moments magnètics: el de la translació més el de el moment angular intrínsec, contribueixen a el moment magnètic total de l'àtom.
Aquests moments magnètics són els que tendeixen a alinear-se en presència d'un camp magnètic extern. I també els fan amb els camps creats pels moments veïns en el material.
Ara bé, els electrons solen formar parelles en àtoms amb molts electrons. Les parelles es formen entre electrons amb espín oposat, donant com a resultat que el moment magnètic d'espín es cancel·li.
L'única forma en què l'espín contribueixi a el moment magnètic total és que algun quedi desaparellat, és a dir, l'àtom tingui nombre imparell d'electrons.
Cal preguntar-se que hi ha sobre el moment magnètic dels protons en el nucli. Doncs també tenen moment d'espín, però no es considera que contribueixi significativament a l'magnetisme d'un àtom. Es deu al fet que el moment d'espín depèn inversament de la massa i la massa de l'protó és molt més gran que la de l'electró.
Els dominis magnètics
En el ferro, el cobalt i el níquel, la tríada d'elements amb gran resposta magnètica, el moment net d'espín produït pels electrons no és zero.. En aquests metalls, els electrons en l'orbital 3d, els més externs, són els que contribueixen a el moment magnètic net. Per això aquests materials es consideren ferromagnètics.
No obstant això, aquest moment magnètic individual de cada àtom no és suficient per explicar el comportament dels materials ferromagnètics.
A l'interior dels materials fortament magnètics existeixen regions anomenades dominis magnètics, l'extensió pot oscil·lar entre 10 -4 i 10 -1 cm i que contenen bilions d'àtoms. En aquestes regions, els moments de spin nets d'àtoms veïns aconsegueixen acoblar-fortament.
Quan un material posseïdor de dominis magnètics s'acosta a un imant, els dominis s'alineen entre si, intensificant l'efecte magnètic.
Es deu al fet que els dominis, a l'igual que els imants de barra, tenen pols magnètics, igualment denotats com Nord i Sud, com que els pols iguals es repel·leixen i els oposats s'atrauen.
A mesura que els dominis s'alineen amb el camp extern, el material emet cruixits que es poden escoltar mitjançant una amplificació apropiada.
Aquest efecte es pot apreciar quan un imant atreu els claus de ferro dolç i aquests al seu torn es comporten com imants atraient a altres claus.
Els dominis magnètics no són fronteres estàtiques establertes dins el material. La seva grandària pot modificar refredant o escalfant el material, i també sotmetent-lo a l'acció de camps magnètics externs.
No obstant això el creixement de l'domini no és il·limitat. En el moment en el qual ja no és possible alinear més, es diu que s'ha arribat a el punt de saturació de l'material. Aquest efecte es reflecteix en les corbes d'histèresi que apareixen més endavant.
L'escalfament de l'material ocasiona la pèrdua de l'alineació dels moments magnètics. La temperatura a la qual es perd del tot la magnetització difereixi segons el tipus de material, per un imant de barra en general es perd a uns 770 º C.
Un cop retirat l'imam, la magnetització dels claus es perd a causa de l'agitació tèrmica present en tot moment. Però hi ha altres compostos que sí posseeixen una magnetització permanent, per tenir dominis alineats espontàniament.
Els dominis magnètics es poden observar quan es talla i poleix molt bé una zona plana de material ferromagnètic no magnetitzat, com ferro dolç. En aquest punt s'empolvora amb polsim o llimadures fines de ferro.
Sota el microscopi s'observa que els encenalls s'agrupen sobre el mineral formant regions amb una orientació molt ben definida, seguint els dominis magnètics de l'material.
La diferència de comportament entre diversos materials magnètics es deu a la manera com es comporten els dominis al seu interior.
histèresi magnètica
La histèresi magnètica és una característica que només els materials amb elevada permeabilitat magnètica posseeixen. No la presenten els materials paramagnètics ni diamagnéticos.
Representa l'efecte d'un camp magnètic extern aplicat, el qual es denota com H sobre la inducció magnètica B d'un metall ferromagnètic durant un cicle d'imantació i desimanación. La gràfica mostrada té el nom de corba d'histèresi.
Cicle d'histèresi ferromagnètica
Inicialment en el punt O no hi ha camp aplicat H ni resposta magnètica B, però a mesura que augmenta la intensitat de H, la inducció B augmenta progressivament fins a arribar a la magnitud de saturació B s en el punt A, que és l'esperat.
Ara es disminueix progressivament la intensitat de H fins a fer-0, amb això s'arriba fins al punt C, però la resposta magnètica de l'material no desapareix, retenint 1 magnetització romanent assenyalada pel valor B r. Vol dir que el procés no és reversible.
A partir d'allí la intensitat de H augmenta però amb la polaritat invertida (signe negatiu), perquè la magnetització romanent s'anul·li en el punt D. El valor necessari de H es denota com H c i rep el nom de camp coercitiu.
La magnitud de H augmenta fins arribar de nou a la valor de saturació en E i immediatament la intensitat de H es disminueix fins arribar a 0, però queda una magnetització romanent amb polaritat oposada a l'anteriorment descrita, en el punt F.
Ara s'inverteix la polaritat de H novament i s'augmenta la seva magnitud fins anul·lar la resposta magnètica de l'material en el punt G. Seguint el camí GA seu obté de nou la saturació. Però l'interessant és que no es va arribar fins allà pel camí original assenyalat per les fletxes vermelles.
Materials magnèticament durs i tous: aplicacions
El ferro dolç és més fàcil de magnetitzar que l'acer i donant-li copets a l'material es facilita encara més l'alineació dels dominis.
Quan un material és fàcil de magnetitzar i desmagnetitzar es diu que és magnèticament tou, i per descomptat si succeeix el contrari és un material magnèticament dur. En aquests últims els dominis magnètics són petits, mentre que en els primers són grans, per això es poden veure a través del microscopi, tal com es va detallar amunt.
L'àrea tancada per la corba d'histèresi és una mesura de l'energia necessària per magnetitzar - desmagnetitzar el material. A la figura s'aprecien dues corbes d'histèresi per dos materials diferents. El de l'esquerra és magnèticament tou, mentre que el de la dreta és dur.
Un material ferromagnètic tou té un camp coercitiu H c petit i una corba d'histèresi estreta i alta. És un material apropiat per col·locar-lo al nucli d'un transformador elèctric. Exemple d'ells són el ferro dolç i aliatges de silici- ferro i ferro-níquel, útils per a equipament de comunicacions.
En canvi els materials magnèticament durs són difícils de desimanar un cop imanados, tal com succeeix amb els aliatges de alnico (alumini-níquel-cobalt) i aliatges de terres rares amb les que es fabriquen imants permanents.
referències
- Eisberg, R. 1978. Física Quàntica. Limusa. 557 -577.
- Young, Hugh. 2016. Sears-Zemansky 's University Physics with Modern Physics. 14th Ed. Pearson. 943.
- Zapata, F. (2003). Estudi de mineralogías associades a el pou petrolier Guafita 8x pertanyent a el camp Guafita (Estat Apuri) mitjançant mesuraments de Susceptibilitat magnètica i Espectroscòpia Mossbauer. Treball Especial de Grau. Universitat Central de Veneçuela.