0.12_materiales_magneticos_2012.pdf

MATERIALES MAGNETICOS

MSc. Carlos V. M. Labriola

Ctedra de Mquinas Elctricas

FIUNCo - 2012

MSc. Carlos Labriola 2012 2

MATERIALES MAGNETICOS Contenidos:

Referencias. Revisin de Magnitudes, Leyes. Clasificacin de Materiales segn respuesta a H aplicado. Clasificacin de Materiales Magnticos ( y ) Curvas Caractersticas Fundamentales Efectos y propiedades Particularidades Prdidas Tipos de Materiales Magnticos Materiales Ferromagnticos: Blandos y duros Materiales Ferrimagnticos: Blandas y duras Nanomateriales Apndices


MATERIALES MAGNETICOS Referencias: Central:

Fundamento de la Ciencia e Ingeniera de los Materiales W.F. Smith McGraw Hill 2 Ed., 1996. Materiales magnticos y Transformadores - MIT- 1980 Introduction of Material Science Prof. A. Ruoff Prentice Hall 1979. Soft Magnetic SIFERRIT Siemens 1980. Nanomateriales, Nanocinecia y Nanotecnologa Instituto de Ciencia de Materailes de Madrid

2002-2005. Consulta:

Mquinas Elctricas S.J. Chapman McGraw Hill 4 Ed. 2003. Transformadores de Potencia, de Medida y Proteccin E. Ras Marcombo Boixereu Ed. 7 Ed.

1990. Sensores y Acondicionadores de seal R. Pallas Areny Alfaomega-Marcombo 2001. Tecnologa e Ingeniera de los Materiales J.J. Mayagitia Barragn MacGraw Hill 2004. Electronic Instruments and Measurements 2 Ed. Prentice Hall 1991. Generadores Hall Siemens 1989. Elementos Magnetorresistivos Siemens - 1989. Radio Amateurs Handbook Arb 1979. EMD99: 9 International Conference on Electrical Machines and Drives Canterbury, 1999

Revisin: Fundamentos de Electricidad y Magnetismo A. Kip McGarw Hill 1980. Fsica Sears-Zemansky Agilar 1982. Fsica parte II D. Halliday, R. Resnik J. Wiley and sons 1980.


MATERIALES MAGNETICOS Revisin de Magnitudes y leyes

Magnitud / Relacin Expresin y Unidades (SIMELA) Observaciones

Campo Magntico producido por efectos electromagnticos

H = 0,4 . . N . I / l (A.v/m)

N: espiras (v)

I: Corriente Elctrica (A)

l : longitud del bobinado (m)

Induccin Magntica B = 0 . H + 0 M Wb/m2 Tesla 0: 4 . 10 -7 (T.m/A) (Wb/Am)

Magnetizacin M : (A/m) Magnetizacin propia del material.

Permeabilidad Magntica = B/H (T.m/A) (Wb/Am)

r = /0

B = 0 .r . H

Susceptibilidad Magntica = M/H ; segn material 1/T T: Temp. Absoluta (K) (Ley de Curie)

Flujo Magntico = B / S (Wb) B: Induccin Magntica

S: Seccin considerada

Reluctancia R = l/.S (A/Wb ; A/T.m2) l : longitud del bobinado (m)

Fuerza Magnetomotriz Fmm = N . I (A.v) N: espiras I: Corriente Elctrica

Ley de Hopkinson = Fmm / R (Wb) Ley del establecimiento del


MATERIALES MAGNETICOS Clasificacin de Materiales segn respuesta a H aplicado

Tipo de Respuesta

Material y sus caractersticas

Diamagnticas

1

La permeabilidad depende de la relacin B/H (pendiente).

Se aplica teora de Dominios.

Ferromagnticos: Fe, Co, Ni

Ferrimagnticos: Ferrites sinterizados

Cermicos



Clasificacin de Materiales

Magnticos ( y )

Paramagnticos

Diamagnticos


MATERIALES MAGNETICOS Materiales Ferromagnticos

Caractersticas generales:

Poseen energa de cambio positiva.

En los Materiales de transicin, sus propiedades magnticas son debidas a que el sentido de giro de los espines de los electrones internos desapareados se alinean en sus estructuras cristalinas. Los electrones 3d internos desapareados son responsables del ferromagnetismo en Fe (4x3d), Co (3x3d), Ni(2x3d).

A T ambiente, los espines de los electrones 3d de tomos adyacentes se alinean en una direccin paralela por el fenmeno de Magnetizacin Espontnea. Esta alineacin paralela de dipolos magnticos atmicos ocurre en regiones microscpicas llamadas dominios magnticos.

Dicha alineacin paralela de dipolos disminuye con la T, llegando a un valor donde el ferromagnetismo desaparece, transformndose el material en paramagntico, esta es la Temperatura de Curie. (Fe: 770C- Co: 1123C Ni:358C).


MATERIALES MAGNETICOS Clasificacin de Materiales Magnticos: Ferromagnticos


MATERIALES MAGNETICOS Teora de Dominios e Histresis



Materiales Ferromagnticos: Curvas caractersticas


MATERIALES MAGNETICOS Materiales Ferromagnticos

Particularidades:

Poseen comportamiento Magneto-estrictivo.

La orientacin de los dominios da lugar al efecto Barkhausen.

Alguna desventaja puede aprovecharse para su aplicacin en deteccin (Corrientes de Foucault).



Materiales Ferromagnticos

Efectos Especiales

Magnetoestriccin



Materiales

Ferromagnticos

Efectos Especiales


MATERIALES MAGNETICOS Prdidas

Por Histresis: Son debidas a la disipacin de energa requerida para empujar las paredes

de los dominios durante la magnetizacin y desmagnetizacin de los materiales magnticos. Las impurezas, imperfecciones cristalinas y precipitados impiden un libre movimiento de las paredes e los dominios durante el ciclo de magnetizacin, y de este modo se incrementan las perdidas de energa a causa de la histresis.

El rea interna de la curva de histresis es una medida de la energa perdida debida a la histresis magntica:

Densidad de Energa: E = . B . H Ph = .V . f . Bmax

n

Por Corrientes Parsitas (Foucault): Un H alterno en ncleos magnticos de materiales conductores (Fe, Co, Ni,

etc.), produce un cambio de la tensin inducida, la cual crea prdidas por corrientes elctricas inducidas suponiendo al material como una espira en cortocircuito. Estas son las corrientes parsitas que disminuyen con el espesor o seccin de las lminas de material a utilizar y en el caso del Fe, con el agregado de Silicio para aumentar su resistencia elctrica

PF = kf . F2 . t 2. Bmax

2 . V



Materiales Ferromagnticos

Tipos

Blandos Duros



Materiales

Ferromagnticos

Tipos


MATERIALES MAGNETICOS Materiales Blandos: Ventajas y Desventajas

Materiales Blandos: Ventajas:

Son magnetizables y desmagnetizables muy fcilmente

Poseen bajo campo coercitivo Hc (ciclo fino).

Poseen alta permeabilidad magntica.

Es importante su alta induccin de saturacin.

Baja prdida por ciclo de Histreis.

Desventajas: Poseen prdidas por Corrientes de Foucault.

En el caso del Hierro se reducen con agregado de Si pero dificulta el trabajo mecnico sobre las chapas.


MATERIALES MAGNETICOS Materiales Blandos: Tipos

Aleaciones de Hierro Silicio: Se lamina hasta 0,025 a 0,035cm. Un fosfatado (aislante) entre lminas impide las corrientes parsitas

entre lminas. En 1940 se desarrolla el grano orientado que surge de una combinacin de trabajo en fro y tratamiento

de recristalizacin se obtuvo un cubo de canto o de esquina (COE) (110), que es de fcil magnetizacin en direccin de laminacin de la hoja. Posee mayor permeabilidad y menores prdidas por histresis que el FeSi, laminado en fro o caliente.

La aleacin esta compuesta de Fe con 3 4% de SI, permite: Incrementar la resistencia elctrica en aceros de bajo contenido de C disminuyendo las prdidas por corrientes e

Foucault pero disminuye ductilidad del FE (por eso se limita al 4%) baja el Bmax y la Tc. Disminuir la Magnetostriccin y perdidas por histresis por reduccin de la energa magnetoanisotrpica del FE,

incrementando la permeabilidad magntica.

Vidrios Metlicos: Nueva clase de materiales que poseen una estructura no cristalina, a diferencia de las aleaciones

anteriores. Hay 8 tipos de vidrios metlicos de inters industrial y surgen de la combinacin del FE,Co y Ni con B y

Si. Se producen por proceso de solidificacin rpida desde el estado fundido a razn de 106 C/s. Se

producen en cintas muy delgadas de hasta 0,0025cm y ancho de hasta 15cm.

Aleaciones de Fe Ni: Poseen alta permeabilidad a campos bajo y se usan para comunicaciones de alta sensibilidad, con

recepcin o transmisin de seales pequeas. Se producen dos tipos Fe Ni(50%) y Fe Ni(70%). Poseen alta permeabilidad porque sus energas

magnetoanisotropica y magnetoestrictiva son bajas para las composiciones usadas


MATERIALES MAGNETICOS Materiales Blandos: Tipos y Aplicaciones


MATERIALES MAGNETICOS Mat. Mag. Duros (MMD): Materiales constitutivos

Aleaciones Al-Ni-Co:

Basadas en Fe con adiciones de Al, Ni y Co mas 3% de Cu. Para alta coercitividad se agrega bajo%de Ti. Del 1-4 son isotrpicos y del 5 al 9 anisotrpicos.

35% del mercado de EEUU de MMD. Son frgiles y se fabrican por pulvimetaurgia. Proceso: 1250C estructura BCC y enfriamiento a 750-850C se deponen en dos fases (Ni-Al y Fe-Co)

(B.Hmax) = 40 a 70kJ/m3 Br= 0,7 a 1,35Wb/m2 - Coercitividad moderada.

Aleaciones de Tierras Raras: Su magnetismo se debe a los electrones desapareados 4f y hay dos grupos: Los de fase nica SmCo5 y otros

de aleaciones endurecidas por precipitacin Sm(CoCu)7,5 Alcanzan a (B.Hmax) = 240kJ/m

3 Hc= 3200kA/m SmCo5: Se fabrican por pulvimetalurgia de partculas finas (1 a 10 m), a presin en presencia de H y luego

sinterizacin. (B.Hmax) = 130 a 160kJ/m3.

Sm(CoCu)7,5: Fabricacin similar al anterior pero en la precipitacin el Co es sustituido por Cu en SmCo5, producindose fino precipitado de unos 10nm a baja T de envejecimiento (400a 500C).

Se fabrican en procesos de metalurgia de polvos aprovechando la alineacin magntica de las partculas. Agregando Fe y Zr se llegan a altos valores de Hc. (B.Hmax) = 240kJ/m

3 - Br = 1,1 T.

Aleaciones de Nd-Fe-B: (1984) Se producen por metalurgia de polvos y de cintas de hilado fundido de solidificacin rpida. La microestructura de Nd2Fe14B que solidifica rpidamente en cinta (B.Hmax) = 300kJ/m

3 .

Se usan en motores donde el peso reducido y construccin compacta son necesarias. Aleaciones de Fe-Cr-Co: (1971)

Se producen por metalurgia de polvos y de cintas de hilado fundido de solidificacin rpida. La microestructura de Nd2Fe14B que solidifica rpidamente en cinta (B.Hmax) = 300kJ/m

3 .

Se usan en motores


MATERIALES MAGNETICOS Materiales Magnticos Duros (MMD): Propiedades

Propiedades: Se los llama materiales duros o de magnetismo

permanente por su alto campo coercitivo Hc y alta induccin permanente (2 cuadrante de C. de Histresis)

Sus ciclos de Histresis son anchos y altos. Para su magnetizacin se busca Emax = . B . H (producto

energtico mximo).

La permanencia de campo magntico en el material se convierte en energa potencial que se almacena resultando un imn permanente.


MATERIALES MAGNETICOS Materiales Magnticos Duros (MMD): Curvas caractersticas



Materiales Duros: Tipos y Estructura


MATERIALES MAGNETICOS Materiales Ferrimagnticos (Ferrites)

Propiedades:

Pertenecen al tipo de materiales cermicos magnticos que se preparan mezclando Fe3O4 con otros xidos y carbonatos en forma de polvo. Luego se prensan y se sinterizan a alta temperatura. Se le da la forma final mediante el moldeo y mecanizado.

Poseen buena magnetizacin pero sus saturaciones no son tan elevadas como los materiales ferromagnticos. Poseen la misma estructura de dominios y comportamiento por histresis. Las hay del tipo blando y duro


MATERIALES MAGNETICOS Materiales Ferrimagnticos (Ferrites) - Tipos

Ferritas Blandas: Poseen una composicin MO . Fe2O3, donde M es un in de metal divalente

(Fe 2+, Mn2+, Ni2+, Zn2+). Basada en la estructura de la espinela inversa (MgO . Al2O3). Su accin magntica se basa en la obtencin de electrones desapareados 3d (Fe 2+ :4 Fe 3+:5). Cada electrn desapareado 3d tiene un momento magntico de un Magnetn de Bohr.

Propiedades: Adems de sus propiedades magnticas, son aislantes y tienen grandes

resistividades elctricas sobretodo para aplicaciones en alta frecuencia ya que all las corrientes de Foucault seran nefastas.

Aplicaciones: sobretodo en baja seal Transformadores de alta frecuencia. Ncleos de memoria (resistencia a las sacudidas en usos militares) Cabezas de grabacin (Mn-Zn y Ni-Zn: 100kHz a 2,5Ghz) Inductores de baja energa, ncleos, transformadores y bobinas de

convergencia para receptores de TV


MATERIALES MAGNETICOS Materiales Ferrimagnticos (Ferrites) - Tipos

Ferritas Duras: Algunas se usan como imanes permanentes y son de la estructura

MO.6Fe2O3, con estructura crsitalina hexagonal. (B.Hmax = 14 a 28kJ/m3)

La mas importante es la BaO.6Fe2O3 (Philips Ferroxdure), reemplazadas por las SrO.6Fe2O3.

Su fabricacin es similar a las blandas, siendo prensadas en hmedo en presencia de H para alinear los ejes magnetizables de las partculas de campo aplicado.

Las ferritas hexagonales son baratas de baja densidad y tienen gran Hc por su anisotropa magnetocristalina.

Aplicaciones: Generadores, servomotores, motores. Imanes de auriculares, timbres de TE y receptores. Sistemas de retencin de puertas, precintos pestillos y en juguetera.



Conclusiones: Avance de la tecnologa

depende bsicamente de la ciencia de los materiales.

En las aplicaciones hay que tener en cuenta el nivel de magnitudes a utilizar o detectar y la influencia de la temperatura.

El costo esta dado por la demanda del material y el proceso tecnolgico de fabricacin


MATERIALES MAGNETICOS - Apndice 1: Tablas de magnitudes de materiales Ferromagnticos


Referencias

Circuitos Magnticos y Transformadores- MIT.

Manual de Fsica MIR.

Sensores y Acondicionadores de Seal R. Palls Areny

Materiales de la Ingeniera Allison.

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