Fundamentos del Comportamiento Magnético

Tipos de Magnetismo y sus Diferencias

1. Explique y justifique las diferencias en el comportamiento magnético del níquel y del cromo.

El níquel es ferromagnético, y el cromo es antiferromagnético. En ambos existe un momento magnético atómico (μat ≠ 0), es decir, ambos tienen electrones desapareados en niveles 3d. Sin embargo, en el caso del níquel, estos momentos magnéticos se alinean en la misma dirección cuando se le aplica un campo magnético, y se orientan de forma paralela. En el caso del cromo, se orientan de forma antiparalela.

6. Explicar y justificar las dos condiciones que debe cumplir un material para presentar un comportamiento ferromagnético.

Para que un material presente ferromagnetismo, debe cumplir dos condiciones fundamentales:

1. Tener electrones desapareados en capas internas (como 3d o 4f), que generen momentos magnéticos individuales por átomo.
2. Que la energía de intercambio entre átomos vecinos sea positiva, es decir, que los momentos magnéticos tiendan a alinearse paralelamente, formando dominios magnéticos.

Estas condiciones se cumplen en materiales como el hierro, cobalto y níquel.

8. Explique y justifique las diferencias que existen entre un material ferromagnético y antiferromagnético.

Un material ferromagnético presenta dipolos magnéticos alineados en la misma dirección, lo que genera una magnetización neta elevada incluso sin campo aplicado. Ejemplos: hierro, níquel, cobalto. En cambio, en un material antiferromagnético, los dipolos se alinean en direcciones opuestas de forma que se cancelan entre sí, dando como resultado una magnetización neta nula. Ejemplo: óxido de manganeso (MnO). La diferencia clave está en la orientación de los dipolos: paralela en el ferromagnetismo, antiparalela en el antiferromagnetismo.

12. Diferencias entre antiferromagnetismo y ferrimagnetismo.

Las líneas de campo magnético de un material ferromagnético están orientadas de forma paralela, mientras que las de un material antiferromagnético están orientadas de forma antiparalela.

16. Diferencias entre ferromagnetismo y ferrimagnetismo.

Las principales diferencias entre el ferromagnetismo y el ferrimagnetismo se basan en la orientación de los dipolos magnéticos y el resultado de su suma. En los materiales ferromagnéticos, como el hierro, el cobalto o el níquel, los dipolos magnéticos se alinean paralelamente bajo la influencia de un campo magnético, lo que genera una magnetización neta muy elevada. Esta alineación puede mantenerse incluso después de retirar el campo externo, permitiendo que el material actúe como un imán permanente. En cambio, en los materiales ferrimagnéticos, como las ferritas, los dipolos también se alinean en regiones (dominios), pero lo hacen en direcciones opuestas y con momentos magnéticos de diferente magnitud, por lo que no se cancelan completamente y queda una magnetización neta, aunque menor que en los ferromagnéticos. Otra diferencia clave es que los ferromagnéticos son metálicos y buenos conductores, mientras que los ferrimagnéticos son cerámicos y actúan como aislantes, lo que los hace ideales para aplicaciones en alta frecuencia como núcleos de transformadores o cabezales de grabación.

22. Indicar las principales similitudes y diferencias entre un material ferromagnético y antiferromagnético.

Similitudes:

• Ambos presentan momentos magnéticos permanentes debido a electrones desapareados.
• En ambos casos, los dipolos magnéticos se organizan de forma ordenada dentro del material.
• Son sensibles a la temperatura, y por encima de un cierto valor crítico (temperatura de Curie en ferromagnéticos, temperatura de Néel en antiferromagnéticos), pierden su orden magnético y se comportan como materiales paramagnéticos.

Diferencias:

En los ferromagnéticos, los dipolos magnéticos se alinean paralelamente, generando una magnetización neta elevada. En los antiferromagnéticos, los dipolos se alinean antiparalelamente, cancelándose mutuamente, y la magnetización neta es nula. El ferromagnetismo produce una alta intensidad de campo magnético, mientras que el antiferromagnetismo no genera campo externo detectable en equilibrio.

Comportamiento Magnético de Elementos Específicos

10. Explique y justifique las diferencias en el comportamiento magnético del hierro y del cromo.

El hierro es ferromagnético, y el cromo es antiferromagnético. En ambos existe un momento magnético atómico (μat ≠ 0), es decir, ambos tienen electrones desapareados en niveles 3d. Sin embargo, en el caso del hierro, estos momentos magnéticos se alinean en la misma dirección cuando se le aplica un campo magnético, y se orientan de forma paralela. En el caso del cromo, se orientan de forma antiparalela.

13. Explique y justifique por qué el manganeso y el cromo no presentan comportamiento ferromagnético a pesar de tener más electrones desapareados en capas internas que el hierro.

Aunque el manganeso y el cromo tienen más electrones desapareados en capas internas y, por tanto, mayor valor para su momento magnético, estos momentos se orientan en direcciones opuestas, de manera que presentan magnetización nula. La causa está en la energía de intercambio o de interacción entre átomos, puesto que esta es negativa. Sin embargo, en el hierro, la energía es positiva, ya que a diferencia del manganeso y el cromo, la relación a/d está dentro del intervalo 0,25.

17. Justifique por qué el cobre, a pesar de tener más electrones que el hierro en la capa d, no presenta un comportamiento ferromagnético. Cu: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹; Fe: [Ar] 3d⁶ 4s².

El cobre (Cu) no presenta comportamiento ferromagnético porque su capa 3d está completamente llena (3d¹⁰), lo que significa que todos sus electrones están emparejados y, por tanto, sus momentos magnéticos se cancelan entre sí. En cambio, el hierro (Fe) tiene una configuración 3d⁶, es decir, electrones desapareados en la capa 3d. Estos electrones generan momentos magnéticos individuales que pueden alinearse paralelamente por la interacción de intercambio, dando lugar a una magnetización neta, lo cual es característico del ferromagnetismo. Por tanto, la clave no está en la cantidad total de electrones, sino en la presencia de electrones desapareados que permitan la alineación de momentos magnéticos.

19. Justifique por qué el cromo, a pesar de tener más electrones desapareados que el hierro en la capa d, no presenta un comportamiento ferromagnético. Cr: [Ar] 3d⁵ 4s¹; Fe: [Ar] 3d⁶ 4s².

Aunque el cromo (Cr) tiene más electrones desapareados en la capa 3d que el hierro (Fe) (Cr: 5, Fe: 4), no presenta ferromagnetismo porque la energía de intercambio entre sus momentos magnéticos es negativa. Esto provoca que los dipolos magnéticos de los átomos de Cr se alineen antiparalelamente, cancelándose entre sí, lo que da lugar a un comportamiento antiferromagnético, sin magnetización neta. En cambio, en el hierro, la energía de intercambio es positiva, permitiendo la alineación paralela de los momentos magnéticos y generando una magnetización neta, característica del ferromagnetismo.

21. Justifique por qué el cobre, a pesar de tener más electrones que el hierro en la capa d, no presenta un comportamiento ferromagnético. Cu: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹; Fe: [Ar] 3d⁶ 4s².

El cobre (Cu) no presenta comportamiento ferromagnético porque su capa 3d está completamente llena (3d¹⁰). Esto significa que todos los electrones están emparejados, y sus momentos magnéticos individuales se cancelan entre sí, resultando en un momento magnético neto nulo. En cambio, el hierro (Fe) tiene configuración 3d⁶, lo que implica que posee electrones desapareados en la capa d, generando momentos magnéticos individuales que pueden alinearse paralelamente bajo ciertas condiciones, dando lugar al ferromagnetismo. Por tanto, el número total de electrones no determina el ferromagnetismo, sino la existencia de electrones desapareados en orbitales internos como el 3d.

24. a) Indique y justifique el distinto comportamiento magnético que presentan el cobre y el hierro a temperatura ambiente. Cu: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹; Fe: [Ar] 3d⁶ 4s².

El hierro presenta comportamiento ferromagnético a temperatura ambiente porque tiene electrones desapareados en su capa 3d (3d⁶), lo que le confiere un momento magnético neto. Estos momentos magnéticos se alinean paralelamente en dominios magnéticos, permitiendo la magnetización. En cambio, el cobre tiene su capa 3d completamente llena (3d¹⁰), por lo que no tiene electrones desapareados y, en consecuencia, no presenta momento magnético neto. Por tanto, es diamagnético, aunque este comportamiento es muy débil.

26. Explique y justifique el comportamiento magnético del cobre puro.

El cobre puro no presenta comportamiento ferromagnético porque no tiene electrones desapareados en su capa 3d. Su configuración electrónica es: Cu: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. La capa 3d está completamente llena (10 electrones), por lo tanto, todos los electrones están emparejados y sus momentos magnéticos se cancelan entre sí. Como resultado, no existe un momento magnético neto por átomo. Esto significa que el cobre se comporta como un material diamagnético, es decir, se opone débilmente a los campos magnéticos aplicados y no se magnetiza permanentemente.

Imanes Permanentes y Dureza Magnética

Conceptos Clave y Medición

2. Justifique cómo podría comparar la dureza magnética de varios imanes permanentes.

Para comparar la dureza magnética de varios imanes permanentes, debemos conocer el índice de calidad (IC) de cada uno. Este se calcula a partir de la curva de desmagnetización o de forma analítica. Un imán permanente será más duro magnéticamente si presenta un mayor IC.

3. Explique si existe alguna relación entre la dureza magnética de un imán y la facilidad en el desplazamiento de las paredes de sus dominios ferromagnéticos.

Sí, hay una relación directa. En un imán blando que magnetiza y desmagnetiza fácilmente, será muy fácil desplazar las paredes de los dominios ferromagnéticos. Todo lo contrario ocurrirá en un imán duro o permanente. Estos materiales (imanes) se someten a distintos tratamientos con el fin de conseguir en ellos cambios microestructurales que dificultan o impidan el desplazamiento de las paredes de Bloch.

9. Explique qué es y cómo se puede calcular el índice de calidad de un imán duro.

El índice de calidad es la referencia que usamos para cuantificar la dureza magnética de un imán. Este se calcula a partir de la curva de desmagnetización, ya sea de forma gráfica o analítica. Cuanto mayor índice de calidad, más duro magnéticamente.

11. Explique si existe alguna relación entre la dureza magnética de un imán y su dureza mecánica.

Sí, existe una relación directa entre la dureza magnética y la dureza mecánica de un imán. Los materiales con mayor dureza mecánica (más resistencia a la deformación) suelen tener también mayor dureza magnética, es decir, una alta fuerza coercitiva (Hc) que dificulta la desmagnetización. Esto se debe a que las imperfecciones cristalinas (como dislocaciones, tensiones internas o acritud), que aumentan la dureza mecánica, dificultan el movimiento de las paredes de dominio magnético, lo que impide que el material se desmagnetice fácilmente. Por tanto, mayor resistencia mecánica implica mayor resistencia a cambios en la magnetización.

15. Justifique mediante la teoría de Weiss cómo se puede aumentar el índice de calidad de un imán permanente.

La facilidad para magnetizar y desmagnetizar un imán está relacionada con la facilidad para desplazar las paredes de los dominios ferromagnéticos. Cuanto más difícil sea el desplazamiento de las paredes de Bloch, mayor dureza magnética presentará el imán. Para hacer difícil el desplazamiento de las paredes, se someten a distintos tratamientos que provocan cambios microestructurales, como por ejemplo un temple, etc.

20. ¿Cómo se puede determinar la dureza magnética de un imán permanente?

La dureza magnética de un imán permanente se determina mediante su curva de desmagnetización (segundo cuadrante del ciclo de histéresis), evaluando dos parámetros clave:

1. Inducción remanente (Br): mide el magnetismo retenido cuando el campo aplicado se reduce a cero.
2. Fuerza coercitiva (Hc): es el valor del campo inverso necesario para reducir a cero la inducción remanente.

Además, se calcula el índice de calidad o energía máxima (BH)max, que es el valor máximo del producto B⋅H en la curva de desmagnetización. Este valor representa la máxima energía magnética que el imán puede entregar.

23. Si tenemos dos imanes permanentes con sus respectivas curvas de desmagnetización. ¿Cómo podría saber cuál de los dos tiene mayor dureza magnética?

Para saber cuál de los dos imanes tiene mayor dureza magnética, se debe observar la fuerza coercitiva (Hc), es decir, el valor del campo aplicado necesario para anular la inducción magnética (B = 0) en la curva de desmagnetización. ➡ El imán con mayor dureza magnética será el que tenga mayor Hc, es decir, aquel cuya curva de desmagnetización corte el eje H más a la izquierda. En el gráfico, el imán 2 (línea roja) alcanza B = 0 con un valor de H más negativo que el imán 1, por lo tanto: ✅ El imán 2 tiene mayor dureza magnética.

25. Defina (BH)max e indique cómo se determina.

El (BH)max es el índice de calidad de un material magnético duro. Representa la máxima energía magnética que puede almacenar un imán permanente y se expresa como el máximo valor del producto B·H (inducción magnética por campo aplicado) obtenido en la curva de desmagnetización del ciclo de histéresis.

¿Cómo se determina?

• Gráficamente, representando la curva de desmagnetización (2º cuadrante del ciclo de histéresis) y buscando el rectángulo de mayor área que se pueda inscribir bajo dicha curva. El punto de ese rectángulo define el valor (BH)max = Bd · Hd.
• Analíticamente, como una aproximación, se puede calcular mediante fórmulas empíricas:
  • Para imanes metálicos: (BH)max ≈ (Br · Hc) / 2
  • Para imanes no metálicos: (BH)max ≈ (Br²) / 4

Donde:

• Br: Inducción remanente
• Hc: Fuerza coercitiva

Ferritas: Propiedades y Aplicaciones

4. Dibujar la curva de histéresis para una ferrita de Mn-Zn (Br=0,25T; Hc=0,8 Am⁻¹) y para una ferrita de bario (Br=0,4T; Hc=2,6×10⁴ Am⁻¹). ¿Qué diferencias existen en el comportamiento magnético de estos dos materiales?

Las ferritas de Mn-Zn son ferritas blandas, ya que tienen menor Br y Hc. Se magnetizan y desmagnetizan muy fácilmente. En cambio, la ferrita de bario es una ferrita dura, ya que presenta una mayor Br y Hc. Esto implica que la ferrita de bario se comporta como un imán permanente, mientras que la ferrita blanda se usa en aplicaciones donde interesa una alternancia de magnetización/desmagnetización muchísimo menor.

5. Diferencias entre ferritas blandas y duras.

Las ferritas duras son usadas como imanes permanentes y cristalizan en el sistema hexagonal. Poseen propiedades mecánicas comparables a la cerámica o porcelana, no pueden recibir impactos ni ser retorcidos. No se oxidan, pueden recubrirse superficialmente con pinturas o recubrimientos plásticos, y presentan una excelente estabilidad magnética. Las ferritas duras se usan como aislantes pues tienen grandes resistividades eléctricas, por lo que son usadas ampliamente en aquellas aplicaciones magnéticas de alta frecuencia donde las pérdidas de energía por corrientes parásitas son un problema con campos alternos.

Otros Conceptos en Magnetismo

7. ¿Qué es un vidrio metálico magnético y qué se persigue en el procedimiento utilizado para su obtención?

Son materiales magnéticos blandos que no presentan una estructura cristalina ordenada, que están basados en materiales magnéticos metálicos (Fe, Co y Ni) y presentan propiedades magnéticas. Se obtienen mediante un proceso de solidificación rápida, de manera que los átomos no tienen tiempo suficiente para ordenarse en sus posiciones de equilibrio en la red cristalina.

18. ¿Cómo pueden reducirse las pérdidas por corrientes parásitas que se producen en los núcleos de transformador magnéticos metálicos?

Las pérdidas por corrientes parásitas en los núcleos de transformadores magnéticos metálicos se pueden reducir mediante:

1. Laminación del núcleo: Se fabrica el núcleo con chapas delgadas aisladas entre sí. Esto limita el área cerrada por las corrientes parásitas, reduciendo su intensidad.
2. Uso de materiales con alta resistividad: Se emplean aleaciones como el acero al silicio (Fe-Si), que presentan mayor resistividad eléctrica que el hierro puro, dificultando el flujo de estas corrientes.
3. Sustitución por materiales no metálicos (ferritas) en alta frecuencia: En aplicaciones de alta frecuencia, se utilizan ferritas, que son materiales cerámicos con muy alta resistividad eléctrica, reduciendo casi totalmente las corrientes parásitas.

Estas medidas disminuyen el calentamiento y las pérdidas de energía, mejorando la eficiencia del transformador.

24. b) ¿Qué le pasa al hierro cuando se calienta por encima de 768 ºC? ¿A qué es debido?

Cuando el hierro se calienta por encima de 768 ºC (temperatura de Curie), pierde su comportamiento ferromagnético y se convierte en paramagnético. Esto se debe a que la energía térmica supera la energía de intercambio responsable de la alineación de los dipolos magnéticos. Como resultado, los momentos magnéticos se desordenan térmicamente y la magnetización neta desaparece.

Etiquetas: antiferromagnetismo, dureza magnética, ferrimagnetismo, ferromagnetismo, imanes permanentes, magnetismo