PRACTICA DE LABORATORIO: PROPIEDADES MAGNETICAS DE LOS MATERIALES UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES MATERIALES EN INGENIERÍA YARUMAL 2012 INTRODUCCION Los materiales pueden alterar sus propiedades por diversos factores externos como por ejemplo los campos eléctricos y magnéticos; para los campos eléctricos los materiales se pueden comportar como aislantes, semiconductores o conductores, este comportamiento se debe a la composición de los materiales, como están distribuidos los átomos y a su vez los electrones que los componen. Para describir estos fenómenos es utiliza la mecánica cuántica y de igual modo que en los fenómenos eléctricos es de esperarse que para el campo magnético también aparezcan relaciones con fenómenos cuánticos, una de estas propiedades cuánticas es el espín. Algunas de las caracterizaciones de los materiales se da por su comportamiento ante un campo magnético, con el fin de estudiar las propiedades del paladio se sometió una muestra a un campo con un barrido desde -5000oe hasta 5000oe, a partir de los datos obtenidos se podrá entender como se comporta la muestra ante el campo aplicado. Para ello se empleó un magnetómetro de muestra vibrante (VSM), El principio de funcionamiento del VSM es la Ley Inducción de Faraday, la cual nos dice que un campo magnético variable producirá un campo eléctrico. Este campo eléctrico puede ser medido y por ende nos brinda información acerca del campo magnético. En realidad en el experimento se busca la susceptibilidad magnética que es la respuesta del material al campo, dependiendo de este valor el material se puede clasificar en 3 categorías. Materiales diamagnéticos (X<0): La susceptibilidad magnética es menor que cero, negativa, esto provoca que la respuesta ante el campo magnético externa se oponga a este, generando que las líneas de campo magnético se les dificulte entrar al material, es decir el materia excluye las líneas del campo externo. Materiales Paramagnéticos (X>0): La susceptibilidad es pequeña y mayor que uno, el material en presencia de un campo lo suficientemente fuerte hace que los dipolos se alinean en la dirección del campo, haciendo que las líneas de campo penetren en el material generando una magnetización del mismo. Al quitar el campo externo los dipolos se desalinean y la magnetización desaparece. Materiales Ferromagnéticos (X>0): Los dipolos están alineados sin necesidad de un campo externo entonces cuando se aplica un campo el material no se altera pues los dipolos ya están alineados. Paladio Elemento químico, símbolo Pd, número atómico 46 y peso atómico 106.4. Es un metal blanco y muy dúctil semejante al platino, al que sigue en abundancia e importancia. El paladio soportado sobre carbono o alúmina se emplea como catalizador en ciertos procesos químicos en que intervienen reacciones de hidrogenación en fase líquida y gaseosa. Quizá el uso más frecuente del paladio puro corresponda a los contactos eléctricos para bajo voltaje. El paladio sobresale por el número de metales con que forma aleaciones y generalmente produce soluciones sólidas dúctiles. El paladio es blando y dúctil y puede fabricarse como alambres finos y placas delgadas. Calentado a temperaturas superiores a 80ºC (1472ºF), se forma un óxido opaco, PdO, ligero y adherente, que no tiende a descarapelarse ni a desprenderse1. Figura 1: Cristal de paladio Procedimiento Para lograr describir las propiedades magnéticas del paladio vasta encontrar la función respuesta (X) de este, pues según esta se puede clasificar el material en una de las 3 categorías mencionadas anteriormente. Se sabe por el teorema de Bohr-van Leeuwen que el magnetismo es un fenómeno cuántico, aunque aquí se va a hacer un tratamiento experimental, es importante remarca la procedencia de la descripción de este fenómeno pues la mayoría de las veces se conoce solamente la explicación clásica. 1 Para leer mas ir a : http://www.lenntech.es/periodica/elementos/pd.htm#ixzz2EVdRvJ2v Para lograr una aproximación de la función respuesta (x) se sometió una muestra de paladio de 0.2823 mg a la acción de una campo magnético, para esto se uso un magnetómetro de muestra vibrante (VSM por sus siglas en ingles). El sistema consta de un motor que hace que la muestra oscile a una frecuencia de 40 Hz en un tanque con unas bobinas encargadas de generar el campo magnético, el tanque es enfriado por helio líquido que se obtiene después de un proceso de licuado en un compresor. La muestra esta sostenida por un pequeño cilindro de oro; esta echo de oro para que no afecte demasiado los resultados del experimento. Antes de activar de ingresar la muestra se debe equilibrar la temperatura del VSM para evitar que se generen condensaciones internas y el experimento resulte erróneo; cuando el ordenador indica que la temperatura esta equilibrada se ingresa la muestra al motor para luego ser introducida dentro del cilindro, en el paso siguiente se aplica un campo de 500 Oe para encontrar en que posición se da la respuesta optima de la muestra, para nuestro caso se dio que la respuesta adecuada se da en la posición de 35.25 mm. Logrado todo esto se procede a hacer el barrido con el campo magnético con valores desde -5000 Oe a 5000 Oe, al final el ordenador entrega una tabla de valores que por su gran tamaño no se incluirá aquí, pero se incluye la grafica 2 que relaciona los valores entregados por el ordenador. La grafica se obtiene al realizar una regresión lineal con los datos. Moment (emu) Moment (emu) 1.00E-02 8.00E-03 6.00E-03 4.00E-03 2.00E-03 -6000 -4000 0.00E+00 -2000 0 -2.00E-03 2000 4000 6000 H (Oe) -4.00E-03 -6.00E-03 -8.00E-03 -1.00E-02 Grafica 1. Magnetización vs campo aplicado, resulta de la regresión lineal Si se observa la ecuación 1 se nota una relación lineal entre M y H y es exactamente lo que muestra la grafica 1 obtenida con los resultados experimentales, es una primera confirmación práctica de la parte teórica. Si se analiza un poco más la ecuación 1 𝑴 = 𝝌𝑯 Ecuación 1. Magnetización con dependencia de H Se puede llegar a la ecuación dos que expresa la susceptibilidad como la derivada de la magnetización con respecto al campo H. 𝝏𝑴 𝝏𝑯 Ecuación 2. Susceptibilidad magnética 𝝌= Como la función respuesta es la derivada de la magnetización con respecto a H, y además M tiene una respuesta lineal ante H, y la derivada de una función lineal es su pendiente, vasta con encontrar la pendiente de la recta de la grafica 1 para encontrar el objetivo del laboratorio la susceptibilidad. Esto lo conseguimos encontrando dos puntos de la recta y la ecuación 3 𝑦 − 𝑦1 𝑥 − 𝑥1 Ecuación 2. Pendiente de una recta 𝑚= Para calcular la pendiente se toman los puntos (3986.375, 5.92x10−3) y (891.8475, 1.32x10−3 ) y se ingresan a la ecuación 2. Después de realizar el calculo matemático obtiene que el valor de la susceptibilidad magnética para el paladio es de 1.48x𝟏𝟎−𝟔 [Emu/Oe]. Análisis de los resultados: Una susceptibilidad magnética positiva excluye la posibilidad de que el material se diamagnético pues para estos X debe ser negativa, así pues queda solo la opción de que sea paramagnético o ferromagnético, pero para el segundo caso se requiere que X sea grande y es claro que en nuestro caso no pasa esto, por lo tanto se puede concluir que el material es paramagnético. Esto indica que los dipolos del paladio se alinean con el campo externo generando que el paladio se comporte como un estilo de imán, pero al desaparecer el campo externo las propiedades magnéticas obtenidas también desaparecen. Es de remarcar que las mediciones se hicieron después de lograr que SVM estuviera a temperatura ambiente y la susceptibilidad varia con al temperatura. El paladio es un material paramagnético aunque su uso mas amplio es por sus propiedades eléctricas y químicas pues se usa mayormente para la fabricación de contactos electrónicos y como catalizador de algunas reacciones químicas. Conclusiones El magnetismo es un fenómeno cuántico, depende tanto de L como de s. El magnetismo es un fenómeno con mucho potencial, es mas en la actualidad es parte importante en la ingeniería y por ende el diario vivir basta mirar los motores eléctricos, los discos duros y cientos de artefactos que nos rodean. Si conocemos bien como se comportan los materiales ante fenómenos naturales, como por ejemplo los campos magnéticos es posible que en nuestra vida profesional puedan dar solución a una problemática o evitar algunas. El paladio es un material paramagnético lo que lo hace adquirir propiedades magnéticas en presencia de un campo externo, pero estas propiedades desaparecen al desaparecer el campo H, esto indica que el paladio no se puede usar para la producción de imanes permanentes. El proceso realizado fue muy importante pues da bases de como clasificar los materiales dependiendo de sus propiedades magnéticas. Muestra que si se encuentra el valor de la susceptibilidad se puede clasificar el material en paramagnéticos, diamagnéticos o ferromagnéticos.