TEMAS SELECTOS DE FÍSICA               FACULTAD DE I GE IERÍA MECÁ ICA Y ELÉCTRICA                    MATERIA: TEMAS SELEC...
TEMAS SELECTOS DE FÍSICAexterno su comportamiento queda determinado por la interacción entre los campos de susátomos y el ...
TEMAS SELECTOS DE FÍSICASe introduce una nueva magnitud que llamaremos permeabilidad relativa del material (oconstante mag...
TEMAS SELECTOS DE FÍSICAátomos se alinean con el campo por lo que aumenta ligeramente este campo (por ello µr >~1). Ejempl...
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Magnetismo

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  1. 1. TEMAS SELECTOS DE FÍSICA FACULTAD DE I GE IERÍA MECÁ ICA Y ELÉCTRICA MATERIA: TEMAS SELECTOS DE FÍSICATEMA 2:2. La conservación y la transmisión de la información.2.1 Conservación de la información.2.1.1 Métodos magnéticos.2.1.2 Métodos ópticos. El disco compacto(CD). Holografía. Láser.2.2 Transmisión de la información.2.2.1 Ondas electromagnéticas. Modulación.2.2.2 Las fibras ópticas y las comunicaciones.Una de las principales tareas que ha tenido la humanidad desde sus inicios es laconservación y trasmisión de la información. En este tema trataremos de este aspecto y dealgunos de los métodos modernos que se utilizan para resolverla. Recordemos laimportancia que tiene que el hombre pueda guardar y conservar la información que poseetanto para su procesamiento como para su utilización posterior. ¿Puede mencionar algúnmétodo utilizado para guardar información?.En la primera parte del tema trataremos sobre la conservación de la información estudiandodos métodos generales: los métodos magnéticos y los métodos ópticos.MÉTODOS MAGNÉTICOS.Todos conocemos dispositivos que utilizan métodos magnéticos para conservarinformación. ¿Puede mencionar algún dispositivo que utilice métodos magnéticos deconservar información?.Seguramente los más mencionados fueron los discos de las computadoras, pero recordemosque también las cintas de las grabadoras de música o los cassetes de video utilizan losmismos métodos magnéticos.Todos estos dispositivos se basan en el comportamiento de algunos materiales en presenciade campos magnéticos. Por ello para comprender cómo funcionan los mismos estudiaremoslas características de este comportamiento para materiales en general.Comportamiento de los materiales en presencia de campos magnéticos.Sabemos que un material cualquiera está compuesto de átomos. Cada átomo puedeconsiderarse formado por electrones que recorren órbitas alrededor de un núcleo, cargadopositivamente. Como consecuencia de su movimiento estos electrones producen un campomagnético interno, que a su vez es consecuencia del momento propio de la cantidad demovimiento de cada electrón o espín. Así que los materiales producen ciertos camposmagnéticos, similares a los campos producidos por espiras o alambres por los que circulacorriente eléctrica. Cuando un determinado material se coloca en un campo magnéticoLectura: Materiales Magnéticos/Gabriel Martínez Alonso
  2. 2. TEMAS SELECTOS DE FÍSICAexterno su comportamiento queda determinado por la interacción entre los campos de susátomos y el campo externo.Cada átomo, producto del movimiento de sus electrones, puede poseer un momentomagnético que llamaremos mi Si hay N átomos en un volumen V, podemos definir unvector magnetización M de la siguiente forma: ∑ mi M= 1 VO sea es el momento magnético por unidad de volumen. Sus unidades son amperes/metro(A/m).En general describimos el campo magnético por medio de dos magnitudes:B: inducción magnética, que nos da una idea del campo magnético total existente en unpunto del espacio.H: intensidad del campo que nos da una medida del campo magnético producido porcorrientes reales y no por los efectos del material que exista en esa región.En general puede plantearse que: B = µ0 ( H + M )donde µ 0 es la llamada permeabilidad del vacío o espacio libre con un valor de:µ0 = 4π x 10-7 Henry/metro (H/m)La relación escrita es válida para cualquier material, sea lineal o no. De aquí en adelante lasrelaciones escritas son esencialmente válidas para materiales lineales, para los cuales Mvaría linealmente con H, o sea: M = χmHχ m es la susceptibilidad magnética del medio o cuán susceptible (o sensible) es el materialal campo magnético externo. Sustituyendo en la ecuación anterior obtenemos: B = µ 0 (1 + χ m ) HLectura: Materiales Magnéticos/Gabriel Martínez Alonso
  3. 3. TEMAS SELECTOS DE FÍSICASe introduce una nueva magnitud que llamaremos permeabilidad relativa del material (oconstante magnética del material) de la forma: µ µr = 1 + χ m = µ0Esta es una cantidad adimensional y se define como la razón de la permeabilidad delmaterial µ a la del vacío µ0.Las relaciones escritas son sólo válidas para materiales lineales e isótropos.CLASIFICACIÓN DE MATERIALES MAGNÉTICOS.En general podemos usar la susceptibilidad magnética χm o la permeabilidad relativa µrpara clasificar los materiales.Se dice que un material es no magnético si χm= 0 (µr = 1) siendo este el caso del vacío.Los materiales más comunes se clasifican en: Materiales magnéticos lineales No lineales Diamagnéticos Paramagnéticos Ferromagnéticos χm< 0 (µr <~ 1) χm> 0 (µr >~ 1) χm>> 0 (µr >> 1)Los nombres de diamagnético y paramagnético provienen de los primeros experimentosque se realizaron sobre estos comportamientos. Si se coloca una barra de materialdiamagnético en un campo magnético la barra se orienta perpendicular a las líneas delcampo magnético. El prefijo griego dia- significa “a través”. Una barra paramagnético seorienta con el campo magnético y el prefijo para- significa “junto a”.Los materiales diamagnéticos al ser introducidos en un campo magnético disminuyen unpoco el valor de la inducción de este campo magnético (por ello µr <~ 1 para estosmateriales) . Esto se debe a que en los átomos de estos materiales no existe momentomagnético y se genera una corriente que se opone al campo externo. El efecto en general esmuy pequeño lo cual puede verse de los siguientes valores: Agua µr = 0.9999912 Bismuto µr = 0.99984 Plata µr = 0.999975Los paramagnéticos son materiales que tienen átomos con un pequeño momento magnéticoen ausencia de campos externos, pero orientados en forma aleatoria, por lo que lamagnetización es cero. Al introducirlo en un campo magnético externo los momentos de losLectura: Materiales Magnéticos/Gabriel Martínez Alonso
  4. 4. TEMAS SELECTOS DE FÍSICAátomos se alinean con el campo por lo que aumenta ligeramente este campo (por ello µr >~1). Ejemplos de materiales paramagnéticos son: Aire µr = 1.00000036 Aluminio µr = 1.000021Los materiales más importantes para ingeniería eléctrica son los ferromagnéticos. Ferroproviene del término latín ferrum (hierro) que fue el primer material que mostró estascaracterísticas. Son materiales cuyos átomos presentan un momento magnético muy alto yademás con una estructura cristalina que provoca una fuerte interacción entre los momentosmagnéticos de átomos vecinos. A causa de ello se forma grupos de átomos (1012 – 1015átomos) que tiene alineados los momentos en una misma dirección. A estos grupos se lesconoce con el nombre de dominios magnéticos. El tamaño de estos dominios varía según elmaterial. En el hierro las dimensiones lineales de los dominios en condiciones normalespuede ser de 10-5 m pero en otros materiales pueden alcanzar hasta milímetros dedimensiones. En un pedazo de hierro natural los dominios magnéticos están orientados alazar de manera que el momento magnético total del pedazo es cero. Al introducir estepedazo en un campo magnético externo los dominios se orientan según el campo externo demanera que pasado un tiempo todo el pedazo de hierro exhibe un momento magnéticoorientado según el campo externo.Los imanes son sustancias que, por condición natural o adquirida, tiene la propiedad deatraer al hierro. La magnetita o piedra imán es un imán natural compuesto,fundamentalmente, de óxido de hierro (Fe3O4). Se puede imanar un trozo de hierrosometiéndolo a un campo magnético creado por un imán o por una corriente eléctrica. Elhierro dulce (hierro con muy bajo contenido en carbono) se convierte en un imán artificialque pierde su magnetismo cuando deja de estar en contacto con el primer imán (o, como enel caso de un electroimán, cuando deja de pasar la corriente eléctrica por el arrollamientoconductor). El acero imanado es un imán artificial permanente porque sí conserva sumagnetismo.Ejemplos de materiales ferromagnéticos son: el cobalto, el níquel y algunas aleaciones.Características generales de los materiales ferromagnéticos son: 1) Se les puede provocar un estado de magnetización muy intensa con ayuda de un campo magnético externo. 2) Al retirarlos del campo pueden conservar una parte considerable de su magnetización (memoria magnética). 3) Pierden sus propiedades ferromagnéticas y se convierten en materiales paramagnéticos al elevar su temperatura por encima de cierta valor conocido con el nombre de Temperatura de Curie. (para el hierro 770° C). 4) Son no lineales es decir la relación B = µ0µrH no es válida para los materiales ferromagnéticos porque µr depende de B y no se puede dar un valor único. Los valores que se dan en las tablas son solo valores típicos.Ejemplos:Cobalto µr = 250Níquel µr = 600Lectura: Materiales Magnéticos/Gabriel Martínez Alonso
  5. 5. TEMAS SELECTOS DE FÍSICAAcero suave (0.2 C) µr = 2 000Hierro(0.2 impurezas) µr = 5 000Hierro purificado µr = 200 000Superalloy (5 Mo, 79 Ni) µr = 1 000 000Otra clase de materiales menos frecuentes son los antiferromagnéticos en los cuales losmomentos magnéticos de átomos o moléculas vecinas se orientan en forma antiparalela, porlo cual el momento magnético neto es cero. Ejemplos de estos materiales son el FeO, elCuCl2 y el FeF2 que en general se emplean poco. Una subclase de estos materiales son lasferritas (NiO – Fe2O3) en las cuales los momentos magnéticos de átomos vecinos no sonexactamente iguales y por ello tiene un momento magnético neto no cero. Por tener muybaja conductividad eléctrica algunos de estos materiales son muy aplicados en corrientesalternas de alta frecuencia debido a sus pocas pérdidas por efecto de calentamiento, porejemplo en antenas y núcleos de inductores.PREGUNTAS: 1) Se sabe que un material posee átomos que no tienen momento magnético propio. ¿Podría decir qué tipo de material será este desde el puno de vista magnético?. Explique. 2) Si un cuerpo paramagnético se sitúa cerca de un fuerte imán permanente, ¿será repelido o atraído por el imán?. Explique. 3) ¿Qué materiales se utilizan para fabricar imanes permanentes?. ¿Por qué?. 4) Explique cuales de las siguientes afirmaciones son válidas y cuáles no para materiales ferromagnéticos: a. Tienen una susceptibilidad magnética grande. b. Tienen un valor de permeabilidad magnética relativa fijo. c. Por encima de la temperatura de Curie pierden sus propiedades ferromagnéticas. d. Casi no se utilizan en la práctica. 5) Represente en un diagrama aproximado, cómo se vería un material ferromagnético que no ha sido sometido a la acción de un campo magnético, si pudiéramos observar la estructura de los dominios magnéticos. 6) En un horno a alta temperatura se cae un cuerpo de hierro. Alguien propone utilizar un imán para extraerlo, pero cando se introduce el imán de hierro no atrae al cuerpo que están dentro del horno. Cuando sacaron el imán resultó que había perdido sus propiedades y ya no atraía los pedazos de hierro. ¿Puede explicar qué ocurrió?. 7) ¿Qué es la histéresis magnética?. ¿Qué materiales son los que presentan este comportamiento?. 8) Describe que entiende por ferromagnético duro y ferromagnético blando.Lectura: Materiales Magnéticos/Gabriel Martínez Alonso
  6. 6. TEMAS SELECTOS DE FÍSICA PARTE 2CONSERVACIÓN DE INFORMACIÓN.Los materiales magnéticos se emplearon para guardar datos desde que se inventó la primeracomputadora. Al principio las memorias eran pequeños núcleos ferromagnéticos toroidalesdispuestos en arreglos bidimensionales, donde se almacenaba la información.El disco duro y los floppy disks son también memorias magnéticas. Puede escribirse enellos magnetizando una pequeña parte de su superficie y se puede leer de él induciendo unvoltaje en una espira pequeña que se mueve muy cerca del elemento superficial del discomagnetizado. Al perfeccionarse la tecnología ha aumentado rápidamente la cantidad deinformación que puede almacenarse en un disco duro tamaño estándar. Entre 1995 y 1997la capacidad estándar de los discos duros de las nuevas computadoras creció de unoscuantos megabytes a más de 2 gigabytes.El disco duro está revestido con un recubrimiento delgado de material ferromagnético comoel Fe2O3 quedando el disco organizado en sectores y pistas. SECTOR PISTALa cabeza magnética es el dispositivo que escribe los datos en el disco y los extrae de él.Las cabezas pueden ser de diversas formas pero todas trabajan bajo el mismo principio. Lacabeza está constituida por un circuito magnético con una hendidura. Debido a que seencuentra muy cerca de la superficie del disco parte del flujo magnético generado en lacabeza llega al disco. En el proceso de escritura una corriente eléctrica fluye por eldevanado de la cabeza magnética creando un campo magnético en la hendidura, que mideapenas unos 5 µm. Al desplazarse la cabeza por la pista el campo magnetiza una pequeñaporción de la pista, produciendo un polo norte y uno sur en dirección de la rotación. Estospequeños imanes miden aproximadamente 5 µm de largo por unos 25 µm de ancho. Unparámetro muy importante es la altura de la cabeza sobre la pista; no puede golpearla perodebe estar lo más cerca para maximizar el flujo que magnetiza la pista. Por lo regular lasuperficie de la cabeza es plana de alrededor de varios µm y la cabeza se encuentra a unadistancia aproximada de 1 µm o menos por encima de la pista.Lectura: Materiales Magnéticos/Gabriel Martínez Alonso
  7. 7. TEMAS SELECTOS DE FÍSICA CABEZA PISTADurante el proceso de lectura no fluye corriente por los devanados de la cabeza magnética.La magnetización residual en la cabeza debe ser lo más pequeña posible para que noinfluya en los datos leídos, por lo que el material de la cabeza debe desmagnetizarse cuandodeje de circular corriente por el devanado. Ahora al pasar la pista magnética cerca de lacabeza debe inducir un voltaje en los extremos del devanado, debido a las variaciones delflujo magnético al cambiar la orientación de la magnetización de la pista. El voltaje másalto se genera cuando los campos magnéticos modifican su dirección, o sea en las fronterasentre dos imanes vecinos. Así se produce pulsos positivos y negativos en el devanado queconstituyen los datos conservados en la pista. El voltaje generado es proporcional al flujomagnético remanente en la pista por lo que el material de la misma debe tener la propiedadde mantener la orientación de la magnetización durante mucho tiempo.La rotación del disco es a alta velocidad de alrededor de 3 000 pulgadas por segundo (170mph o 272 km/h) comparada con la de una cinta magnética que es de alrededor de 2pulgadas por segundo. Esta velocidad es la que permite que la lectura de datos sea rápidaasí tiempos de respuesta de 10 o 20 milisegundos son comunes, pudiendo leer entre 5 y 40megabytes por segundo.PREGUNTAS: 1) ¿Cuáles propiedades de los materiales magnéticos se aplican a las pistas y en las cabezas de un disco duro?. 2) Si suponemos que un 1 es un pequeño imán grabado en la pista con una orientación N-S de izquierda a derecha y un 0 es un pequeño imán con una orientación contraria, ¿cómo sería la forma del voltaje generado en la cabeza de lectura al pasar una cadena de datos igual a 110 por la misma?.Lectura: Materiales Magnéticos/Gabriel Martínez Alonso

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