Imán

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Un "imán de herradura" hecha de aleación de acero , una aleación de hierro. El imán está hecho en la forma de una herradura para que los dos polos magnéticos cerca uno del otro, para crear un campo magnético fuerte hay que puedan recoger las piezas pesadas de hierro
Limaduras de hierro que han orientado en el campo magnético producido por un imán de barra
Líneas de campo magnético de un solenoide electromagnético , que son similares a un imán de barra como se ilustra anteriormente con las limaduras de hierro

Un imán (del griego μαγνήτις λίθος Magnetis Lithos ", Magnesia piedra ") es un material u objeto que produce un campo magnético . Este campo magnético es invisible pero es responsable de la propiedad más notable de un imán: una fuerza que tira sobre otros ferromagnéticos materiales, tales como hierro , y atrae o repele otros imanes.

Un imán permanente es un objeto hecho de un material que está magnetizado y crea su propio campo magnético persistente. Un ejemplo cotidiano es un imán de refrigerador utiliza para guardar notas en una puerta del refrigerador. Los materiales que pueden ser magnetizadas, que son también los que están fuertemente atraídos por un imán, se llaman ferromagnético (o ferrimagnético ). Estos incluyen hierro , níquel , cobalto , algunas aleaciones de metales de tierras raras , y algunos minerales de origen natural, tales como magnetita . Aunque ferromagnéticos (y ferrimagnético) materiales son los únicos atraídos por un imán con suficiente fuerza para ser considerados comúnmente magnético, todas las demás sustancias responden débilmente a un campo magnético, por uno de varios otros tipos de magnetismo .

Los materiales ferromagnéticos se puede dividir en magnéticamente "blandos" materiales como el recocido de hierro , que puede ser magnetizado pero no tienden a permanecer magnetizado, y magnéticamente materiales "duros", que hacer. Los imanes permanentes están hechos de materiales "duros" ferromagnéticos tales como la aleación de acero y de ferrita que se someten a un proceso especial en un potente campo magnético durante la fabricación, para alinear su interior microcristalina estructura, haciendo muy difícil de desmagnetizar. Para desmagnetizar un imán saturado, un determinado campo magnético debe ser aplicado, y este umbral depende de la coercitividad del material respectivo. Materiales "duros" tienen alta coercitividad, mientras que "suaves" materiales tienen baja coercitividad.

Un electroimán se hace de una bobina de alambre que actúa como un imán cuando una corriente eléctrica pasa a través de ella, pero deja de ser un imán cuando la corriente se detiene. A menudo, la bobina está enrollada alrededor de un núcleo de "suave" material ferromagnético tal como acero, que mejora en gran medida el campo magnético producido por la bobina.

La fuerza total de un imán se mide por su momento magnético o, alternativamente, el total de flujo magnético que produce. La fuerza local del magnetismo en un material se mide por su magnetización .

Contenido

Descubrimiento y desarrollo


Los antiguos aprendieron acerca de magnetismo magnetita , naturalmente magnetizada pedazos de mineral de hierro. Ellos son, naturalmente, creado imanes que atraen a las piezas de hierro. El imán de la palabra en griego significa "piedra de Magnesia ", una parte de la antigua Grecia, donde magnetitas fueron encontrados. Magnetitas suspendido para que pudieran a su vez fueron los primeros compases magnéticos . Las primeras descripciones conocidas supervivientes de los imanes y sus propiedades son de Grecia, India y China alrededor de 2500 años. [1] [2] [3] Las propiedades de las magnetitas y su afinidad por el hierro estaban escritas de por Plinio el Viejo en su enciclopedia Naturalis Historia . [4]

En los siglos 12 al 13, magnéticos compases fueron utilizados en la navegación en China, Europa y otros lugares. [5]

Antecedentes sobre la física de campos magnéticos y los imanes

Una forma de ovoide imán de tierras raras que cuelga de otro

Campo magnético

La densidad de flujo magnético (también llamado campo magnético B o el campo magnético sólo, denotado generalmente B) es un campo vectorial . El campo magnético B vector en un punto dado en el espacio se especifica mediante dos propiedades:

  1. Su dirección, que es a lo largo de la orientación de una aguja de una brújula .
  2. Su magnitud (también denominada fuerza), que es proporcional a la fuerza con la aguja de la brújula se orienta a lo largo de esa dirección.

En SI de unidades, la fuerza del campo magnético B se da en teslas . [6]

Momento magnético

Momento magnético de un imán (también llamado momento de dipolo magnético y μ denota generalmente) es un vector que caracteriza el imán propiedades magnéticas generales. Para un imán de barra, la dirección de los puntos de momento magnético del polo sur del imán a su polo norte, [7] y la magnitud se relaciona con lo fuerte y lo lejos que estos polos son. En SI de unidades, el momento magnético se especifica en términos de A m • 2.

Un imán tanto produce su propio campo magnético y responde a los campos magnéticos. La fuerza del campo magnético que produce es en cualquier punto dado proporcional a la magnitud de su momento magnético. Además, cuando el imán se coloca en un campo magnético externo, producido por una fuente diferente, que está sujeto a un par de torsión que tiende a orientar el momento magnético paralelo al campo. [8] La cantidad de este par es proporcional tanto a la momento magnético y el campo externo. Un imán también puede estar sujeta a una fuerza motriz en una dirección o en otra, de acuerdo a las posiciones y orientaciones del imán y la fuente. Si el campo es uniforme en el espacio, el imán está sujeto a ninguna fuerza neta, aunque está sujeto a un par de torsión. [9]

Un alambre en la forma de un círculo con el área A y la realización de corriente I es un imán, con un momento magnético de magnitud igual a Ia.

Magnetización

La magnetización de un material magnetizado es el valor local de su momento magnético por unidad de volumen, generalmente denotado M, con unidades A / m . [10] Se trata de un campo de vector , en lugar de sólo un vector (como el momento magnético), porque diferentes áreas en un imán puede ser imantado con diferentes direcciones y puntos fuertes (por ejemplo, a causa de dominios, ver más abajo). Un imán de barra bien puede tener un momento magnético de magnitud 0,1 A • 2 m y un volumen de 1 cm 3, o 1 x 10 -6 m 3, y por lo tanto una magnitud de magnetización promedio es de 100.000 A / m. El hierro puede tener una magnetización de alrededor de un millón de amperios por metro. Un valor grande explica por qué imanes de hierro son tan eficaces en la producción de los campos magnéticos.

Modelado imanes

Campo de un imán de barra cilíndrica calculado con el modelo de Ampère

Dos modelos diferentes para imanes: polos magnéticos y las corrientes atómicas.

Aunque para muchos propósitos, es conveniente pensar en un imán que tienen distinto al norte y al sur los polos magnéticos, el concepto de polos no debe tomarse literalmente: no es más que una forma de referirse a los dos extremos opuestos de un imán. El imán no tiene norte distinto o partículas sur en lados opuestos. Si un imán de barra se divide en dos piezas, en un intento de separar los polos norte y sur, el resultado será dos imanes de barra, cada uno de los cuales tiene tanto un polo norte y sur. Sin embargo, una versión del enfoque magnético polos sirve por magneticians profesionales para diseñar imanes permanentes. [ cita requerida ] En este enfoque, la divergencia de la magnetización M ∇ • dentro de un imán y la superficie normal componente Mn se tratan como una distribución de los monopolos magnéticos . Esta es una conveniencia matemática, y no implica que en realidad hay monopolos en el imán. Si la distribución de polos magnéticos es conocida, entonces el modelo de polo da el campo magnético H. Fuera del imán, el campo B es proporcional a H, mientras que el interior de la magnetización se debe agregar a H. Una extensión de este método que permite internos cargas magnéticas se utiliza en las teorías de ferromagnetismo.

Otro modelo es el Ampère modelo, donde todos magnetización es debido al efecto de microscópicos, o atómica, circular corrientes consolidados , también llamadas corrientes Amperianas, en todo el material. Para un imán de barra magnetizada uniformemente cilíndrico, el efecto neto de las corrientes consolidados microscópicas es hacer que el imán se comportan como si hay una hoja macroscópica de la corriente eléctrica que fluye alrededor de la superficie, con dirección de flujo local normal al eje del cilindro. [11] corrientes microscópicas en los átomos dentro del material generalmente se cancela por las corrientes en los átomos vecinos, de modo que sólo la superficie hace una contribución neta; afeitado de la capa exterior de un imán no destruirá su campo magnético, pero dejará una superficie nueva no cancelada de corrientes de las corrientes circulares en todo el material. [12] La regla de la mano derecha indica qué dirección fluye la corriente.

Pole convenciones de nomenclatura

El polo norte de un imán es el polo que, cuando el imán está suspendido libremente, apunta hacia la Tierra Polo Norte magnético que se encuentra en el norte de Canadá. Dado que los polos opuestos (norte y sur) atraer, de la Tierra "Polo Norte Magnético" es, pues, en realidad el polo sur del campo magnético de la Tierra. [13] [14] [15] [16] En la práctica, a fin de contar que polo de un imán está al norte y al sur, que es, no es necesario el uso de campo magnético de la Tierra en absoluto. Por ejemplo, un método sería compararlo con un electroimán , cuyos polos se pueden identificar por la regla de la mano derecha . Las líneas del campo magnético de un imán se considera por convención para salir de polo norte del imán y vuelva a introducir en el polo sur. [16]

Los materiales magnéticos

El imán término es típicamente reservado para los objetos que producen su propio campo magnético persistente, incluso en ausencia de un campo magnético aplicado. Sólo ciertas clases de materiales se pueden hacer esto. La mayoría de los materiales, sin embargo, producen un campo magnético en respuesta a un campo magnético aplicado, un fenómeno conocido como magnetismo. Hay varios tipos de magnetismo, y todos los materiales exhiben al menos uno de ellos.

El comportamiento general de un material magnético puede variar ampliamente, dependiendo de la estructura del material, particularmente en su configuración electrónica . Varias formas de comportamiento magnético se han observado en materiales diferentes, incluyendo:

  • Ferromagnéticos y ferrimagnético materiales son los que normalmente se considera como magnético, que se sienten atraídos por un imán con fuerza suficiente como para que la atracción se puede sentir. Estos materiales son los únicos que pueden retener magnetización y se convierten en imanes, un ejemplo común es un tradicional imán nevera . Ferrimagnéticos materiales, que incluyen ferritas y los materiales más antiguos magnético magnetita y magnetita , son similares pero más débiles que ferromagnéticos. La diferencia entre ferro-y materiales ferrimagnéticos está relacionada con su estructura microscópica, como se explica en magnetismo .
  • Paramagnéticas sustancias, tales como platino , aluminio , y oxígeno , son débilmente atraído a cualquiera de los polos de un imán. Esta atracción es de cientos de miles de veces más débil que la de los materiales ferromagnéticos, por lo que sólo se puede detectar mediante el uso de instrumentos sensibles o utilizando imanes extremadamente fuertes. Magnéticos ferrofluidos , a pesar de que están hechos de diminutas partículas ferromagnéticas suspendidas en líquido, a veces se consideran paramagnético, ya que no puede ser magnetizado.
  • Diamagnetic significa repelidos por los dos polos. En comparación con las sustancias paramagnéticas y ferromagnéticas, sustancias diamagnéticas, tales como carbono , cobre , agua , y plástico , son aún más débilmente repelidos por un imán. La permeabilidad de los materiales diamagnéticos es menor que la permeabilidad de un vacío . Todas las sustancias que no posean uno de los otros tipos de magnetismo son diamagnéticos, lo que incluye la mayoría de las sustancias. Aunque la fuerza sobre un objeto diamagnética de un imán ordinario es demasiado débil como para ser sentidos, utilizando extremadamente fuertes imanes superconductores , los objetos diamagnéticos tales como trozos de plomo y hasta ratones [17] se puede levitar , por lo que flotan en el aire. superconductores repeler los campos magnéticos de su interior y son fuertemente diamagnético.

Hay varios otros tipos de magnetismo, tales como vidrio de espín , superparamagnetismo , superdiamagnetism , y metamagnetism .

Los usos más comunes de los imanes

Unidades de disco duro datos de registro en una capa magnética delgada
Separador magnético mano de minerales pesados
  • Los medios magnéticos de grabación: VHS cintas contienen un carrete de cinta magnética . La información que compone el vídeo y el sonido se codifica en la capa magnética de la cinta. Comunes cassettes de audio también se basan en una cinta magnética. Del mismo modo, en las computadoras, disquetes y discos duros de registro de datos en una capa magnética delgada. [18]
  • De crédito , débito y ATM tarjetas: Todas estas tarjetas tienen una banda magnética en un lado. Esta tira codifica la información para contactar a institución financiera de un individuo y conectarse con su cuenta (s). [19]
  • Comunes televisores y monitores de ordenador : pantallas de televisión y ordenador que contienen un tubo de rayos catódicos emplear un electroimán para guiar los electrones a la pantalla. [20] Las pantallas de plasma y LCD utilizan tecnologías diferentes.
  • Altavoces y micrófonos : La mayoría de los altavoces emplean un imán permanente y una bobina conductora de corriente para convertir la energía eléctrica (la señal) en energía mecánica (movimiento que crea el sonido). La bobina se envuelve alrededor de una bobina unida al altavoz de cono y lleva la señal como el cambio de corriente que interactúa con el campo del imán permanente. La bobina de voz experimenta una fuerza magnética y, en respuesta, se mueve el cono y presuriza el aire vecino, generando sonido . Los micrófonos dinámicos emplear el mismo concepto, pero a la inversa. Un micrófono tiene un diafragma o membrana unido a una bobina de alambre. La bobina descansa dentro de un imán de forma especial. Cuando el sonido hace vibrar la membrana, la bobina se hace vibrar también. A medida que la bobina se mueve a través del campo magnético, un voltaje es inducido en la bobina. Este voltaje acciona una corriente en el cable que es característica del sonido original.
  • Las guitarras eléctricas magnéticas utilizar pastillas para transducir la vibración de las cuerdas en corriente eléctrica que puede ser amplificada . Esto es diferente de el principio detrás del altavoz y el micrófono dinámico porque las vibraciones son detectados directamente por el imán, y un diafragma que no se emplea. El órgano Hammond utiliza un principio similar, con la rotación de tonewheels en lugar de cadenas.
  • Los motores eléctricos y generadores : Algunos motores eléctricos se basan en una combinación de un electroimán y un imán permanente, y, al igual que los altavoces, que convierten la energía eléctrica en energía mecánica. Un generador es la inversa: se convierte la energía mecánica en energía eléctrica moviendo un conductor a través de un campo magnético.
  • Medicina : Clínicas utilizar imágenes de resonancia magnética para detectar problemas en los órganos de un paciente sin necesidad de cirugía invasiva.
  • Mandriles se utilizan en la metalurgia campo para sujetar objetos. Los imanes se utilizan también en otros tipos de dispositivos de sujeción, tales como la base magnética , la abrazadera magnética y el imán del refrigerador .
  • Brújula : La brújula (o compás del marino) es un puntero magnetizado libre para alinearse con el campo magnético, por lo general el campo magnético terrestre .
  • Art : Hojas de vinilo imán puede estar unido a las pinturas, fotografías, y demás objetos de adorno, lo que les permite unirse a los frigoríficos y otras superficies metálicas. Objetos y pintura se puede aplicar directamente a la superficie del imán para crear piezas de collage de arte. Arte magnética es portátil, de bajo costo y fáciles de crear. Arte Vinilo magnético no es para el refrigerador más. Tablas de colores de metal magnéticas, tiras, puertas, hornos de microondas, lavavajillas, automóviles, vigas de metal I, y cualquier superficie metálica puede ser receptivo del arte vinilo magnético. Ser un medio de comunicación relativamente nuevas para el arte, los usos creativos de este material recién está comenzando.
  • Ciencias proyectos: Muchas preguntas temáticas se basan en imanes. Por ejemplo: cómo es la fuerza de un imán afectada por vidrio, plástico, cartón y?
Los imanes tienen muchos usos en los juguetes . M-tic utiliza las barras magnéticas conectadas a las esferas de metal para la construcción . Tenga en cuenta la pirámide geodésica
  • Juguetes : Teniendo en cuenta su capacidad para contrarrestar la fuerza de la gravedad en distancias cortas, los imanes se emplean a menudo en los juguetes de los niños, tales como la rueda Space Magnet y Levitron , a efecto divertido.
  • Los imanes pueden ser utilizados para hacer joyas. Collares y pulseras puede tener un cierre magnético, o puede estar construido enteramente de una serie relacionada de imanes y los granos ferrosos.
  • Los imanes pueden recoger objetos magnéticos (clavos de hierro, grapas, tachuelas, clips) que son demasiado pequeños, demasiado difíciles de alcanzar, o demasiado fino para los dedos de sujetar. Algunos destornilladores están magnetizados para este propósito.
  • Los imanes pueden ser utilizadas en operaciones de chatarra y salvamento para separar los metales magnéticos (hierro, cobalto y níquel) de metales no magnéticos (aluminio, aleaciones no ferrosas, etc.) La misma idea se puede utilizar en la "prueba del imán" llamado, en el cual un organismo auto se inspecciona con un imán para detectar áreas reparadas con fibra de vidrio o masilla plástica.
  • Transporte de levitación magnética o maglev , es una forma de transporte que suspende, guía y propulsa vehículos (especialmente los trenes) a través de la fuerza electromagnética. La velocidad máxima registrada de un tren maglev es de 581 kilómetros por hora (361 mph).
  • Los imanes pueden ser utilizados para servir como una prueba de fallos de dispositivo para algunas conexiones de los cables. Por ejemplo, los cables de alimentación de algunos portátiles son magnéticos para evitar daños accidentales sufridos por el puerto cuando alguien se tropiece. El MagSafe conexión de corriente al MacBook de Apple es un ejemplo de ello.

Cuestiones médicas y de la seguridad

Debido a que los tejidos humanos tienen un nivel muy bajo de susceptibilidad a campos magnéticos estáticos, existe poca evidencia científica que muestra una corriente principal peligro para la salud asociados con la exposición a campos estáticos. Dinámicos campos magnéticos puede ser un problema diferente, sin embargo, las correlaciones entre la radiación electromagnética y las tasas de cáncer se han postulado debido a las correlaciones demográficas (véase la radiación electromagnética y la salud ).

Si un cuerpo extraño ferromagnético está presente en el tejido humano, un campo magnético externo a interactuar con él puede representar un riesgo de seguridad grave. [21]

Otro tipo de riesgo indirecto de un equipo que existe la participación de los marcapasos. Si un marcapasos se ha incrustado en el pecho del paciente (por lo general con el propósito de monitorear y regular el corazón de constantes inducidas eléctricamente beats ), se debe tener cuidado para mantenerlo alejado de campos magnéticos. Es por esta razón por la que un paciente con el dispositivo instalado no puede ser probado con el uso de una resonancia magnética , que es un dispositivo de formación de imágenes magnético.

Los niños a veces tragar pequeños imanes de los juguetes, y esto puede ser peligroso si dos o más imanes son tragados, ya que los imanes pueden pellizcar o pinchar los tejidos internos, una muerte ha sido reportado. [22]

Ferromagnetos magnetización

Ferromagnéticos materiales puede ser magnetizado de las siguientes maneras:

  • El calentamiento del objeto por encima de su temperatura de Curie , permitiendo que se enfríe en un campo magnético y martillándolo medida que se enfría. Este es el método más eficaz y es similar a los procesos industriales utilizados para crear imanes permanentes.
  • La colocación del artículo en un campo magnético externo se traducirá en el elemento de retención alguna del magnetismo de la retirada. vibración se ha demostrado que aumenta el efecto. Los materiales ferrosos alineados con el campo magnético de la Tierra que están sujetos a la vibración (por ejemplo, marco de un transportador) se ha demostrado que adquirir magnetismo residual significativa.
  • Acariciar: Un imán existente se mueve desde un extremo del elemento a la otra repetidamente en la misma dirección.

Ferromagnetos desmagnetización

Imantados materiales ferromagnéticos se pueden desmagnetizar (o desmagnetiza) de las siguientes maneras:

  • Calentar un imán más allá de su temperatura de Curie, el movimiento molecular destruye la alineación de los dominios magnéticos. Esto siempre elimina todos magnetización.
  • La colocación del imán en un campo magnético alterno con intensidad por encima de coercitividad del material y luego sea lentamente dibujando el imán o disminuyendo lentamente el campo magnético a cero. Este es el principio utilizado en desmagnetizadores comerciales para desmagnetizar herramientas y las tarjetas de crédito y borrar los discos duros y las bobinas de desmagnetización utilizan para desmagnetizar los CRT .
  • Algunos desmagnetización o magnetización inversa se ​​producirá si cualquier parte del imán se somete a un campo inverso por encima del material magnético de coercitividad .
  • Desmagnetización progresivamente se produce si el imán se somete a campos cíclicos suficientes para mover el imán alejado de la parte lineal en el segundo cuadrante de la curva BH del material magnético (la curva de desimantación).
  • Martilleo o discordante: la perturbación mecánica tiende a aleatorizar los dominios magnéticos. Esto dejará algunos magnetización residual.

Tipos de imanes permanentes

Una pila de imanes de ferrita

Magnéticos elementos metálicos

Muchos materiales tienen espines apareados de electrones, y la mayoría de estos materiales son paramagnéticos . Cuando los espines interactúan unos con otros de tal manera que los espines alinear de forma espontánea, los materiales se llaman ferromagnético (lo que a menudo se denomina vagamente como magnético). Debido a la forma regular de su cristalino estructura atómica hace que sus espines para interactuar, algunos metales son ferromagnéticos cuando se encuentran en su estado natural, como minerales . Estos incluyen el mineral de hierro ( magnetita o magnetita ), cobalto y níquel , así como la tierra rara metales gadolinio y disprosio (cuando a una temperatura muy baja). Tales ferromagnetos de origen natural fueron usados ​​en los primeros experimentos con el magnetismo. La tecnología se ha ampliado desde entonces a la disponibilidad de los materiales magnéticos que incluyen varios productos fabricados por el hombre, todos ellos basados, sin embargo, sobre los elementos naturales magnéticos.

Composites

Cerámica, o ferrita , imanes están hechos de un sinterizado compuesto de polvo de óxido de hierro de carbonato de bario y / estroncio cerámica . Dado el bajo costo de los materiales y métodos de fabricación, los imanes de bajo costo (o no magnetizado núcleos ferromagnéticos, para su uso en componentes electrónicos tales como antenas de radio , por ejemplo) de diversas formas pueden ser fácilmente producido en masa. Los imanes resultantes son no corrosivo pero frágil y debe ser tratada como otras cerámicas.

Alnico imanes están hechos por moldeo o sinterización de una combinación de aluminio , níquel y cobalto con hierro y pequeñas cantidades de otros elementos añadidos para mejorar las propiedades del imán. Sinterización ofrece características mecánicas superiores, mientras que los campos de fundición ofrece mayor magnéticos y permite el diseño de formas intrincadas. Imanes Alnico resistir la corrosión y tienen propiedades físicas más indulgente que la ferrita, pero no es tan deseable como un metal. Los nombres comerciales para las aleaciones de esta familia son: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax y Ticonal. [23]

Moldeados por inyección imanes son un compuesto de diversos tipos de resina y polvos magnéticos, permitiendo piezas de formas complejas para ser fabricado por moldeo por inyección. Las propiedades físicas y magnéticas del producto dependen de las materias primas, pero son generalmente inferiores en fuerza magnética y se asemejan a los plásticos en sus propiedades físicas.

Imanes flexibles son similares a los imanes moldeados por inyección, utilizando una resina flexible o aglutinante tal como vinilo , y se produce en bandas planas, formas o en hojas. Estos imanes son inferiores en fuerza magnética, pero puede ser muy flexible, en función del aglutinante utilizado. Imanes flexibles se pueden utilizar en impresoras industriales.

Imanes de tierras raras

De tierras raras ( lantanoide ) elementos tienen una parte ocupada f electrón cáscara (que puede acomodar hasta 14 electrones). El giro de estos electrones pueden estar alineados, lo que resulta en campos magnéticos muy fuertes, y por lo tanto, estos elementos se utilizan en compactos de alta resistencia imanes donde su precio más alto no es una preocupación. Los tipos más comunes de los imanes de tierras raras son samario-cobalto y neodimio-hierro-boro (NIB) imanes.

Sola molécula-imanes (SMM) y de cadena sencilla imanes (MEC)

En la década de 1990, se descubrió que ciertas moléculas que contienen iones metálicos paramagnéticos son capaces de almacenar un momento magnético a temperaturas muy bajas. Estas son muy diferentes de los imanes convencionales que almacenan información en un nivel de dominio magnético y teóricamente podría proporcionar un medio más denso de almacenamiento lejos de los imanes convencionales. En este sentido, la investigación sobre monocapas de SMM está actualmente en curso. Muy brevemente, los dos atributos principales de un SMM son:

  1. un estado de gran valor fundamental de espín (S), que es proporcionado por acoplamiento ferromagnético o ferrimagnético entre los centros metálicos paramagnéticos
  2. un valor negativo de la anisotropía de la división de campo cero (D)

La mayoría de los SMM contienen manganeso, pero también se pueden encontrar con el vanadio, hierro, níquel y cobalto racimos. Más recientemente, se ha encontrado que algunos sistemas de la cadena también puede mostrar una magnetización que persiste durante largo tiempo a temperaturas más altas. Estos sistemas han sido llamados de una sola cadena imanes.

Nano-estructurados imanes

Algunos materiales nanoestructurados exhiben energía ondas , llamadas magnones , que se unen en un estado fundamental común a la manera de un condensado de Bose-Einstein . [24] [25]

Costos

La corriente más baratos imanes permanentes, lo que permite intensidades de campo, son imanes flexibles y de cerámica, pero también se encuentran entre los más débiles tipos. Los imanes de ferrita son principalmente de bajo coste imanes, ya que están hechos de materiales prima barata de hierro y óxido de Ba o Sr-carbonato-. Sin embargo, una nueva aleación de los imanes de bajo costo-Mn-Al [ cita requerida ] se ha desarrollado y ahora está dominando el campo de bajo costo imanes. Tiene una magnetización de saturación más alta que los imanes de ferrita. También tiene coeficientes de temperatura más favorables, aunque puede ser térmicamente inestable. neodimio, hierro y boro-(NIB) imanes son las más fuertes. Estos cuestan más por kilogramo que la mayoría de otros materiales magnéticos, pero, debido a su intenso campo, son más pequeños y más baratos en muchas aplicaciones. [26]

Temperatura

Sensibilidad a la temperatura varía, pero cuando un imán se calienta a una temperatura conocida como el punto de Curie , pierde la totalidad de su magnetismo, incluso después de enfriar por debajo de esa temperatura. Los imanes pueden a menudo remagnetized, sin embargo.

Además, algunos imanes son frágiles y pueden fracturarse a altas temperaturas.

La temperatura máxima utilizable es la más alta para los imanes alnico en más de 540 ° C (1.000 ° F), alrededor de 300 ° C (570 ° F) para ferrita y SmCo, aproximadamente 140 ° C (280 ° F) para NIB e inferior para la cerámica flexibles , pero el número exacto dependerá de la calidad del material.

Electroimanes

Un electroimán, en su forma más simple, es un cable que ha sido enrollado en uno o más bucles, conocidos como un solenoide . Cuando los flujos de corriente eléctrica a través del alambre, un campo magnético es generado. Se concentra cerca (y especialmente dentro) de la bobina, y sus líneas de campo son muy similares a los de un imán. La orientación de este imán eficaz se determina por la regla de la mano derecha . El momento magnético y el campo magnético del electroimán son proporcionales al número de bucles de alambre, a la sección transversal de cada bucle, y la corriente que pasa a través del alambre. [27]

Si la bobina de alambre se enrolla alrededor de un material sin propiedades magnéticas especiales (por ejemplo, cartón), que tiende a generar un campo muy débil. Sin embargo, si se envuelve alrededor de un material suave ferromagnético, tal como un clavo de hierro, entonces el campo neto producido puede dar lugar a varios cientos a mil aumento de la intensidad de campo.

Usos de electroimanes son los aceleradores de partículas , motores eléctricos , grúas de chatarra y de resonancia magnética máquinas. Algunas aplicaciones implican configuraciones de más de un dipolo magnético simple, por ejemplo, cuadrupolo y Sextupolo imanes se utilizan para enfocar los haces de partículas .

Las unidades y los cálculos

Para la mayoría de aplicaciones de ingeniería, MKS (racionalizado) o SI de unidades (Système International) se utilizan comúnmente. Otros dos conjuntos de unidades, Gauss y CGS-EMU , son los mismos para las propiedades magnéticas y se usan comúnmente en la física.

En todas las unidades, es conveniente emplear dos tipos de campo magnético, B y H, así como la magnetización M, que se define como el momento magnético por unidad de volumen.

  1. El B inducción del campo magnético en unidades del SI de los teslas (T). B es el campo magnético cuya época variación produce, por la Ley de Faraday, que circulan campos eléctricos (que las compañías eléctricas vender). B también produce una fuerza de desviación sobre el logro de carga partículas (como en los tubos de televisión). El tesla es equivalente al flujo magnético (en webers) por unidad de área (en metros cuadrados), dando así a la unidad B de una densidad de flujo. En CGS, la unidad de B es el gauss (G). Una tesla es igual a 10 4 G.
  2. El campo magnético H se da en unidades del SI de amperio-vueltas por metro (A-vuelta / m). Las vueltas aparece porque cuando H es producido por un alambre portador de corriente, su valor es proporcional al número de vueltas de ese cable. En CGS, la unidad de H es la oersted (Oe). Un A-vuelta / m es igual a 4π × 10 -3 Oe.
  3. The magnetization M is given in SI units of amperes per meter (A/m). In CGS, the unit of M is the oersted (Oe). One A/m equals 10 −3 emu/cm 3 . A good permanent magnet can have a magnetization as large as a million amperes per meter.
  4. In SI units, the relation B = μ 0 ( H + M ) holds, where μ 0 is the permeability of space, which equals 4π×10 −7 T•m/A. In CGS, it is written as B = H + 4π M . (The pole approach gives μ 0 H in SI units. A μ 0 M term in SI must then supplement this μ 0 H to give the correct field within B , the magnet. It will agree with the field B calculated using Ampèrian currents]

Materials that are not permanent magnets usually satisfy the relation M = χ H in SI, where χ is the (dimensionless) magnetic susceptibility. Most non-magnetic materials have a relatively small χ (on the order of a millionth), but soft magnets can have χ on the order of hundreds or thousands. For materials satisfying M = χ H , we can also write B = μ 0 (1 + χ ) H = μ 0 μ r H = μ H , where μ r = 1 + χ is the (dimensionless) relative permeability and μ =μ 0 μ r is the magnetic permeability. Both hard and soft magnets have a more complex, history-dependent, behavior described by what are called hysteresis loops , which give either B vs. H or M vs. H . In CGS, M = χ H , but χ SI = 4 πχ CGS , and μ = μ r .

Caution: in part because there are not enough Roman and Greek symbols, there is no commonly agreed-upon symbol for magnetic pole strength and magnetic moment. The symbol m has been used for both pole strength (unit A•m, where here the upright m is for meter) and for magnetic moment (unit A•m 2 ). The symbol μ has been used in some texts for magnetic permeability and in other texts for magnetic moment. We will use μ for magnetic permeability and m for magnetic moment. For pole strength, we will employ q m . For a bar magnet of cross-section A with uniform magnetization M along its axis, the pole strength is given by q m = MA , so that M can be thought of as a pole strength per unit area.

Fields of a magnet

Far away from a magnet, the magnetic field created by that magnet is almost always described (to a good approximation) by a dipole field characterized by its total magnetic moment. This is true regardless of the shape of the magnet, so long as the magnetic moment is non-zero. One characteristic of a dipole field is that the strength of the field falls off inversely with the cube of the distance from the magnet's center.

Closer to the magnet, the magnetic field becomes more complicated and more dependent on the detailed shape and magnetization of the magnet. Formally, the field can be expressed as a multipole expansion : A dipole field, plus a quadrupole field , plus an octupole field, etc.

At close range, many different fields are possible. For example, for a long, skinny bar magnet with its north pole at one end and south pole at the other, the magnetic field near either end falls off inversely with the square of the distance from that pole.

Calculating the magnetic force

Pull force of a single magnet

The strength of a given magnet is sometimes given in terms of its pull force — its ability to move (push/ pull) other objects. The pull force exerted by either an electromagnet or a permanent magnet at the "air gap" (ie, the point in space where the magnet ends) is given by the Maxwell equation : [ 28 ]

F={{B^2 A}\over{2 \mu_{0}}} ,

donde

F is force (SI unit: newton )
A is the cross section of the area of the pole in square meters
B is the magnetic induction exerted by the magnet

Therefore, if a magnet is acting vertically, it can lift a mass m in kilograms given by the simple equation:

m={{B^2 A}\over{2 \mu_{0} g_{n}}} .

Force between two magnetic poles

Classically , the force between two magnetic poles is given by: [ 29 ]

F={{\mu q_{m1} q_{m2}}\over{4\pi r^2}}

donde

F is force (SI unit: newton )
q m 1 and q m 2 are the magnitudes of magnetic poles (SI unit: ampere-meter )
μ is the permeability of the intervening medium (SI unit: tesla meter per ampere , henry per meter or newton per ampere squared)
r is the separation (SI unit: meter).

The pole description is useful to the engineers designing real-world magnets, but real magnets have a pole distribution more complex than a single north and south. Therefore, implementation of the pole idea is not simple. In some cases, one of the more complex formulae given below will be more useful.

Force between two nearby magnetized surfaces of area A

The mechanical force between two nearby magnetized surfaces can be calculated with the following equation. The equation is valid only for cases in which the effect of fringing is negligible and the volume of the air gap is much smaller than that of the magnetized material: [ 30 ] [ 31 ]

F=\frac{\mu_0 H^2 A}{2} = \frac{B^2 A}{2 \mu_0}

donde:

A is the area of each surface, in m 2
H is their magnetizing field, in A/m
μ 0 is the permeability of space, which equals 4π×10 −7 T•m/A
B is the flux density, in T.

Force between two bar magnets

The force between two identical cylindrical bar magnets placed end to end is given by: [ 30 ]

F=\left[\frac {B_0^2 A^2 \left( L^2+R^2 \right)} {\pi\mu_0L^2}\right] \left[{\frac 1 {x^2}} + {\frac 1 {(x+2L)^2}} - {\frac 2 {(x+L)^2}} \right]

donde:

B 0 is the magnetic flux density very close to each pole, in T,
A is the area of each pole, in m 2 ,
L is the length of each magnet, in m,
R is the radius of each magnet, in m, and
x is the separation between the two magnets, in m.
B_0 \,=\, \frac{\mu_0}{2}M relates the flux density at the pole to the magnetization of the magnet.

Note that all these formulations are based on Gilbert's model, which is usable in relatively great distances. In other models (eg, Ampère's model), a more complicated formulation is used that sometimes cannot be solved analytically. In these cases, numerical methods must be used.

Force between two cylindrical magnets

For two cylindrical magnets with radius R and height t , with their magnetic dipole aligned, the force can be well approximated (even at distances of the order of t ) by, [ 32 ]


F(x) = \frac{\pi\mu_0}{4} M^2 R^4 \left[\frac{1}{x^2} + \frac{1}{(x+2t)^2} - \frac{2}{(x + t)^2}\right]

donde M is the magnetization of the magnets and x is the gap between the magnets. In disagreement to the statement in the previous section, a measurement of the magnetic flux density very close to the magnet B_0 is related to M by the formula


B_0 = \mu_0 M

The effective magnetic dipole can be written as


m = M V

Donde V is the volume of the magnet. For a cylinder, this is V = \pi R^2 t .

¿Cuándo t << x , the point dipole approximation is obtained,


F(x) = \frac{3\pi\mu_0}{2} M^2 R^4 t^2\frac{1}{x^4} = \frac{3\mu_0}{2\pi} M^2 V^2\frac{1}{x^4} = \frac{3\mu_0}{2\pi} m_1 m_2\frac{1}{x^4}

which matches the expression of the force between two magnetic dipoles.

Véase también

Notas

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Referencias

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  • Edward P. Furlani, Permanent Magnet and Electromechanical Devices:Materials, Analysis and Applications, Academic Press Series in Electromagnetism (2001). ISBN 0-12-269951-3 .

Enlaces externos