Definición de un metal
Definición química
Definición metalúrgica
Definición química (solo incluye elementos)
Definición metalúrgica (Incluye a elementos y aleaciones)
Agregados de átomos (elementos, aleaciones) que poseen propiedades metálicas
Aleación
Sistema de dos o mas elementos (de los cuales uno por lo menos es un metal)
con propiedades metálicas
Listado de propiedades metálicas:
Resistencia mecánica
Ductilidad
Maleabilidad
Dureza
Tenacidad
Fragilidad
+ O2 == +
Definicion química de un elemento
Elemento metal
Óxido básico (Na2O, CaO)
ORÍGEN DEL MOMENTO MAGNÉTICO m⃑
En un átomo aislado a cada electrón se le asocia una masa m, una carga e, una
velocidad variable v⃑, una órbita en torno al núcleo de radio r⃑ y a un giro sobre su
propio eje (spin).
Se define el momentum (cantidad de movimiento o momento lineal) p⃑
p⃑ = mv⃑
Momento cinético orbital L⃑
L⃑ = r⃑ x p⃑
y un momento cinético spin S⃑
El momento cinético total de un átomo es J
J = L + S
A la corriente que origina el electrón existe asociado un momento magnético
orbital m⃑o :
m⃑o=−e2mc
L⃑
Asociado a S⃑ existe un momento magnético spin m⃑s :
m⃑s=−emc
S⃑
El momento magnético total m⃑ es igual a
m⃑=m⃑o+m⃑s
Los valores de L⃑ y S⃑ están cuantizados y dependen de los números cuánticos l y
s . Pueden señalarse las siguientes consecuencias:
1. Dentro de una capa completamente llena L⃑ y S⃑ son nulas y la capa no es
magnética
2. Los valores no nulos de L⃑ y S⃑ provienen de capas incompletas y son las
responsables del magnetismo de los átomos como sucede con los elementos
de transición
3. Los vectores L⃑ y S⃑ de los electrones se combinan para dar el mayor valor
posible de L⃑ y S⃑ en concordancia con el Principio de Pauli y las reglas de
Hund
4. Los momentos L y S se combinan de modo que la resultante J adopta los
siguientes valores
J=L-S si la capa electrónica está ocupada hasta menos de la mitad
J=L+S si la capa electrónica está ocupada hasta mas de la mitad
MAGNETIZACIÓN INDUCIDA M⃑
Si un material no magnético se le aplica un campo magnético, éste sufre una
imantación que puede actuar:
Oponiéndose al campo magnético externo (diamagnetismo)
Ayudando al campo magnético externo (paramagnetismo)
La magnetización total inducida M⃑ definida (Alonso 623) como el momento
magnético total por unidad de volumen, es proporcional a la intensidad del campo
magnético H⃑
M⃑= χ m H⃑
χm es la susceptibilidad magnética del material
m < 0 corresponden a materiales diamagnéticos, m m(T)
m > 0 corresponden a materiales paramagnéticos m = m(T)
Este proceso se explica básicamente por el alineamiento de los momentos
magnéticos internos del material con el campo aplicado. El momento magnético
de un átomo libre se le asocia a tres efectos
1 El cambio del momento angular orbital por la aplicación de un campo
magnético
2 El momento angular orbital de los electrones alrededor del núcleo
3 El spin de los electrones.
DiamagnetismoEl efecto 1 es la causante del diamagnetismo. Cuando un átomo tiene sus
orbitales llenos con un número par de electrones, sus momentos magnéticos spin
y orbital son nulos; solo posee momento magnético inducido por la presencia de
un campo magnético. Este campo magnético imprime una rotación de precesión
(precesión de Larmor) sobre el electrón en torno a la dirección del campo
magnético lo que origina un momento magnético en oposición al campo aplicado,
lo que origina ser rechazado por el campo magnético.
El diamagnetismo es un efecto débil, no son atraídos por los imanes y tampoco
se convierten en imanes permanentes.
Muchos átomos aislados con orbitales incompletos cuando forman moléculas o
estructuras iónicas forman capas electrónicas completas y por lo tanto tienen
momento magnético nulo, comportándose como materiales diamagnéticos. Por
eso los cristales iónicos o los covalentes en los que cada orbital contiene
electrones con spin opuestos no pueden ser paramagnéticos
Paramagnetismo
Los efectos 2 y 3 dan lugar al paramagnetismo. Bajo un campo magnético los
átomos con capas electrónicas incompletas los spines desapareados se alinean
paralelamente al campo aplicado produciéndose un momento magnético que
refuerza ligeramente al campo aplicado. Este efecto se conoce como
paramagnetismo.Los materiales paramagnéticos son atraídos por los imanes y no
se convierten en imanes permanentes.
Este efecto es contrarrestado por la temperatura, razón por la cual la imantación
disminuye con la temperatura
Existe cinco grupos de elementos donde ocurre esto.
Grupo del Fe ==> capa 3d incompleta
Grupo del Pd ==> capa 4d incompleta
Lantánidos ==> capa 4f incompleta
Grupo del Pt ==> capa 5d incompleta
Resumiendo
Un material diamagnético no tiene polarización permanente pero puede
inducírsele a través del mecanismo de precesión de Larmor.
La polarización inducida tiende a reducir el campo interno por lo que D < 0
por que se genera un momento dipolar magnético que se opone al campo
externo.
PARAMAGNERISMO. DIAMAGNETISMO
Los compuestos moleculares iónicos son diamagnéticos porque sus electrones
están apareados.
Los materiales diamagnéticos más comunes son: bismuto metálico, hidrógeno,
helio y los demás gases nobles, cloruro de sodio, cobre, oro, silicio, germanio,
grafito, bronce y azufre. El Sb y el Bi son fuertemente diamagnéticos
Los metales muestran paramagnetismo debido a los electrones de conducción.
Los metales de tierras raras son fuertemente paramagnéticos.
Los metales o los elementos del grupo de transición conteniendo Pd y Pt son
bastantes paramagnéticos.
La mayoría de los buenos conductores de electricidad son débilmente
paramagnéticos lo que implica que los electrones de conducción son
paramagnéticos.
Ferromagnetismo
Existe una tercera clase de sustancia magnética llamada ferromagnéticas, cuya
característica es que presenta una magnetización permanente que sugiere una
tendencia natural a los momentos magnéticos de sus átomos a alinearse debido a
sus interacciones mutuas. Ejemplo de estas sustancias: Magnetita y otros imanes
naturales así como el Fe, Co, Mn y sus correspondientes compuestos.
Puede considerarse como un paramagnetismo enormemente elevado, en donde
la permeabilidad del medio ’ es ciento o miles de veces superior a la del vacío y
Clasificación
DiamagnéticosMateriales débilmente magnéticos
con la particularidad que no es constante sino que es función de los estados
magnéticos por lo que ha pasado previamente la sustancia (ver figura ’ - H).
El ferromagnetismo es el ordenamiento de todos los momentos magnéticos del
material en la misma dirección y sentido resultando que el magnetismo puede
llegar a ser hasta un millón de veces mas intensa que la de un material
paramagnético.
El ferromagnetismo está asociado con la interacción entre los spines S1 y S2 de
dos electrones expresada en la forma –JS1.S2, donde J: Integral de intercambio
que depende de la distancia entre los electrones
Si J > 0, el equilibrio se obtiene cuando S1 y S2 son paralelos
Si J < 0, el equilibrio se obtiene cuando S1 y S2 son antiparalelos
Caso J>0 (ferromagnetismo)
En el equilibrio S1 S2. Esto se cumple en regiones microscópicas denominadas
dominios (10-8 - 10-12 m3 con 1021 - 1017 átomos). Fig 16.47
La dirección de magnetización depende de la estructura cristalina. Ejemplo en el
Fe (BCC) las direcciones de fácil magnetización son a lo largo del eje a.
Dentro de una porción de material pueden existir dominios con distintas
orientaciones que pueden dar un efecto macroscópico nulo o despreciable. En
presencia de un campo sucede:
Los dominios orientados favorablemente al campo crecen a expensas de los
orientados menos favorablemente (ver Fig16.47b).
A medida que la intensidad del campo magnético externo aumenta, la
magnetización de los dominios tienden a alinearse en la dirección del campo,
convirtiendo esa porción del campo en un imán (Fig 16.47c)
Figura 16.47a
Figura 16.47b
Figura 16.47c
El ferromagnetismo depende de la temperatura y para cada sustancia existe la
denominada temperatura Curie Tc donde si
T > Tc, la sustancia se hace paramagnética
T < Tc, la sustancia es ferromagnética
A la temperatura Tc la agitación térmica vence las fuerzas de alineación
Elemento Tc(oC)
Fe 770
Ni 365
Co 1075
Gd 15
Ferromagnetismo según la teoría de bandas
Veamos ahora a nivel atómico las razones del momento magnético permanente
del Fe, Co y Ni. Cada átomo tiene 2 átomos en el nivel 4s y el nivel 3d incompleto
Si las interacciones favorecen los spin paralelos (Regla de Hund) las
configuraciones electrónicas serán
Fe 3d6 4s2
Co 3d7 4s2
Ni 3d8 4s2
Entonces los momentos atómicos expresados en magnetones Bohr serán
respectivamente 4, 3 y 2, pero
Elemento Fe Co Ni
Momento Atóm.esperado 4 3 2
Momento Atóm.medido 2.22 1.70 0.61
La teoría zonal da una explicación para la aparición de valores no enteros
medidos.
Dominios
Dentro de un cristal de Fe existen pequeñas regiones o dominios dentro del cual
los electrones desapareados tienen sus spines paralelos. Las direcciones de
estos spines varían de dominio a dominio. Este paralelismo de spin es causado
por una contribución pequeña pero finita de los momentos angulares orbitales de
estos electrones a la magnetización.
Cuando se aplica un campo externo los dominios que tiene sus momentos
paralelos al campo reducen su energía, en caso contrario la incrementan. La
energía del cristal puede reducirse si los dominios se alinean paralelamente al
campo lo que puede hacerse de dos maneras.
1. La dirección de todo el dominio cambia
2. Los dominios con direcciones favorables crecen a expensas de los que tienen
direcciones menos favorables.
Cuando el campo externo es invertido de dirección todos los dominios deberían
re-orientarse pero debido a varias causas se requiere de un campo adicional para
vencer los factores que se oponen a la re-orientación lo que se traduce en una
histéresis.
Magneto estricción, fenómeno por el que la magnetización de un cristal
ferromagnético depende del modo en que la estructura es deformada.
La magnetoestricción está relacionada con las propiedades elásticas del cristal y
puede usarse par explicar la formación de dominios.
En un cristal de Fe existen 6 direcciones 100 equivalentes de fácil
magnetización. Los momentos magnéticos se alinean paralelamente a estas 6
direcciones. Los dominios están separados por límites a través de los cuales se
produce el cambio gradual de dirección de los momentos magnéticos.
Materiales Ferromagnéticos
La fabricación de materiales ferromagnéticos es en base a materiales
policristalinos. La existencia de granos con orientaciones al azar impide la
magnetización del material. Dentro de un distribución aleatoria una pequeña
fracción de granos tiene una dirección de fácil magnetización paralela a la
dirección del campo. Mas aun la magnetoestricción en estos cristales producen
deformaciones en los granos vecinos lo que a su vez afecta la fácil magnetización
en una manera mas complicada.
En el caso de un imán para altoparlantes se requiere de un material de una gran
área de histéresis y extrema magnetoestricción. Una gran área de histéresis
indica que después que se alcanza la saturación de magnetización el campo
externo puede removerse sin pérdida apreciable en la magnetización inducida.
Una pronunciada magnetoestricción significa que es mas difícil cambiar la
dirección de magnetización de un grano una vez que ha alcanzado la saturación
para una dirección en particular. Un material típico con estas características es
Alnico (en % atómico 62Fe26Ni12Al). Tal material es recocido a temperatura
elevada y por un prolongado tiempo durante el cual una nueva fase precipita en
los b.g. endureciendo mecánicamente el material. El efecto magnético de este
endurecimiento por precipitación es que la fuerza coercitiva requerida para
remover una subsecuente magnetización inducida es muy grande. Este material
permite una saturación de magnetización por unidad de volumen razonablemente
alta, de manera que la fuerza deseada del campo magnético puede obtenerse sin
requerir imanes excesivamente grande.
Cuando un material ferromagnético es colocado en un campo magnético
alternante, el área encerrada por el lazo de histéresis mide la pérdidad de energía
por ciclo en invertir y re-invertir la dirección de magnetización.
En el diseño de transformadores se requiere de materiales ferromagnéticos con
pequeñas áreas de histéresis. Una mínima área de histéresis requiere a su vez
una mínima magneto-estricción por lo que debe usarse un material libre de
tensiones internas. Una manera de lograr ello es inducir una orientación preferida
en vez de granos aleatorizados para una placa de transformador. La orientación
preferida se puede obtener por laminación. Durante el subsecuente recocido,
minetras la lámina se encuentra en un fuerte campo magnético, se produce el
crecimiento de granos que tiene su dirección de fácil magnetización paralelo al
campo.
Ejemplo de este material es el Permalloy (Ni3Fe) tiende a semejarse a un
monocristal y puede alcanzar permeabilidades tan alta como 100 000 y tiene
campos coercitivos de valores muy pequeños.
mmm
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