Materiales Magnéticos y sus aplicaciones

¿Qué es el magnetón de Bohr?. La constante de Planck, 6,626×10^-34 J·s. El momento magnético del electrón debido a su espín: 9,274×10^-24 A·m². La permeabilidad magnética del vacío, 4π×10^-7 T·m·A-1. La carga elemental del electrón, 1,602×10^-19 C.

¿Por qué los momentos magnéticos de espín y orbitales se cancelan en la mayoría de los materiales?. Porque en los sólidos los electrones pierden su espín. Porque los núcleos apantallan el campo magnético de los electrones. Porque el campo magnético terrestre los anula siempre. Por el principio de exclusión de Pauli, dos electrones de la misma órbita tienen espines opuestos, y los momentos orbitales también se cancelan entre sí.

La magnetización M de un material es: La densidad de momentos dipolares magnéticos (momento magnético por unidad de volumen). El campo magnético creado por una carga en movimiento en el vacío. La fuerza que actúa sobre una carga que se mueve en un campo magnético. La energía disipada por unidad de volumen en un ciclo de histéresis.

¿Qué relación liga la inducción magnética B con el campo H y la magnetización M?. B = μ0·H − μ0·M. B = H + M/μ0. B = μ0·H + μ0·M. B = μ0·H/M.

¿Cuál es la relación entre la susceptibilidad magnética χm y la permeabilidad relativa μr?. χm = μr + 1. χm = 1/μr. χm = μr − 1 (también χm = M/H). χm = μr·μ0.

¿Cuál de estas afirmaciones describe a un material diamagnético?. χm es negativa, μr es ligeramente menor que 1 y el campo adicional que inducen se opone al externo. χm es positiva, del orden de 10^-4 a 10^-5, y el campo inducido es paralelo al externo. χm es muy grande (χm ≫ 1) y μr está entre 10^3 y 10^5. Tiene momento magnético neto permanente en cada átomo por electrones impares.

¿Qué se dice de los superconductores en cuanto a su comportamiento magnético?. Son ferromagnéticos con μr ≫ 1. Son paramagnéticos con χm = +1. Son ferrimagnéticos sin pérdidas, por lo que se usan en ferritas. Son diamagnéticos perfectos (χm = −1), pero pierden la superconductividad a temperaturas altas o con un campo magnético intenso.

¿Qué caracteriza a un material paramagnético?. Todos sus electrones están apareados y su χm es negativa. Tiene electrones impares con momento neto por átomo, χm positiva (10^-4 - 10^-5) y la magnetización desaparece al retirar el campo. Conserva una elevada magnetización remanente al retirar el campo. Presenta dominios con alineación espontánea de los momentos.

La ley de Curie para materiales paramagnéticos establece que: χm = C/T: la susceptibilidad disminuye al aumentar la temperatura. χm = C·T: la susceptibilidad aumenta con la temperatura. χm = C/(T − Tc): la susceptibilidad diverge en Tc. χm no depende de la temperatura.

¿Qué ocurre con un material ferromagnético por encima de su temperatura de Curie (Tc)?. Sigue siendo ferromagnético con la misma magnetización. Se vuelve diamagnético, con χm negativa. Se comporta como paramagnético, y su susceptibilidad sigue la ley de Curie-Weiss, χm= C/(T − Tc). Su susceptibilidad aumenta al subir la temperatura.

¿Qué son los dominios magnéticos de un material ferromagnético?. Regiones donde los momentos se orientan al azar y suman cero. Regiones microscópicas (≈ 0,01 mm) con 10^12 - 10^15 átomos cuyos momentos son paralelos entre sí incluso sin campo externo. Granos de varios centímetros con momentos antiparalelos. Zonas que solo existen mientras se aplica un campo externo.

¿Por qué una pieza de hierro sin imanar no presenta momento magnético neto?. Porque sus átomos carecen de momento magnético. Porque dentro de cada dominio los momentos están orientados al azar. Porque a temperatura ambiente está por encima de su temperatura de Curie. Porque la dirección de alineación varía de un dominio a otro y se compensan.

¿Qué ocurre con los dominios al aplicar un campo magnético externo a un ferromagnético?. Los dominios alineados con el campo se reducen y los demás crecen. Todos los dominios desaparecen de golpe. Los dominios intercambian electrones con la red cristalina. Los dominios orientados en el sentido del campo crecen (las paredes de Bloch se desplazan) y los demás se reducen.

¿Qué orden de magnitud tiene la permeabilidad relativa μr de un material ferromagnético?. De 0,99990 a 0,99999. De 1000 a 100 000. De 1,00001 a 1,0001. De 2 a 10.

¿Qué es la magnetización de saturación?. La situación en que los dominios desaparecen y χm se vuelve negativa. La magnetización que queda al retirar el campo aplicado. La situación en que casi todos los momentos están alineados con el campo externo y más campo ya no aumenta la magnetización. La temperatura a partir de la cual el material se vuelve paramagnético.

¿Qué caracteriza a los materiales ferrimagnéticos?. Iones distintos con momentos diferentes y opuestos dejan un momento neto; son en su mayoría cerámicos aislantes (ferritas). Iones con momentos idénticos y opuestos que se cancelan por completo; son buenos conductores. Son metales puros con electrones libres que apantallan el campo. Presentan χm negativa y μr < 1.

¿En qué consiste el superparamagnetismo?. En que partículas de más de 1 μm con muchos dominios mantienen una remanencia muy alta. En el diamagnetismo perfecto de los superconductores. En que las partículas ferro o ferrimagnéticas por debajo de un tamaño crítico se comportan como paramagnéticas, porque la energía del dipolo es comparable a la térmica. En que la susceptibilidad aumenta con la temperatura por encima de Tc.

Tras saturar un material ferromagnético y retirar el campo, la magnetización que se conserva se llama: Campo coercitivo (Hc). Magnetización de saturación. Susceptibilidad magnética. Remanencia (Mr).

En el ciclo de histéresis, el campo coercitivo Hc es: El campo inverso necesario para que los dominios adopten una orientación aleatoria y se cancelen, anulando la magnetización. El campo al que el material alcanza la saturación. La magnetización que queda al retirar el campo. La temperatura a la que desaparece el ferromagn.

¿Cómo se clasifican los materiales ferro y ferrimagnéticos en duros y blandos?. Duros con Hc < 10^3 A/m y blandos con Hc > 10^4 A/m. Por su coercitividad: duros con Hc > 10^4 A/m y blandos con Hc < 10^3 A/m. Duros con Hc < 10^2 A/m y blandos con Hc > 10^5 A/m. Por su temperatura de fusión, no por el ciclo de histéresis.

¿Qué características generales tienen los materiales magnéticos blandos?. Alta remanencia y alto campo coercitivo. Alta permeabilidad, campo coercitivo pequeño, remanencia baja y baja energía de histéresis. Ciclo de histéresis muy grande y alta potencia B·H. Baja resistividad eléctrica para favorecer las corrientes parásitas.

¿Qué propiedades requiere un material magnético duro para ser un buen imán permanente?. Alta remanencia, alto campo coercitivo, ciclo de histéresis grande y alta potencia (B·H). Baja remanencia y bajo campo coercitivo. Campo coercitivo pequeño y baja energía de histéresis. Un ciclo de histéresis casi lineal y sin remanencia.

¿Qué limitaciones tiene el imán de Nd2Fe14B, uno de los más potentes (≈445 kJ·m-3)?. Una potencia magnética muy inferior a la de la ferrita y el alnico. Baja remanencia y bajo campo coercitivo. Es paramagnético a temperatura ambiente. Corrosión, fragilidad y una temperatura de Curie relativamente baja (≈ 312 °C).

¿Qué material se utiliza mayoritariamente en los núcleos de grandes transformadores, generadores y motores?. Nd2Fe14B (material magnético duro). Ferritas de manganeso-zinc. Acero al silicio en láminas (material magnético blando). Ferrofluidos de Fe3O4.

¿Por qué se usan ferritas en componentes electrónicos de alta frecuencia?. Por su elevada magnetización de saturación. Por su alta conductividad eléctrica. Por tener un ciclo de histéresis muy ancho. Por su elevada resistividad eléctrica, que reduce las pérdidas energéticas a altas frecuencias; además son baratas y fáciles de moldear.

¿Qué características magnéticas debe tener el soporte (medio) de la grabación magnética?. Muy blandas, con campo coercitivo casi nulo. Muy duras, como un imán de neodimio. Semiduras, con ciclo de histéresis cuadrado, dividido en pequeños dominios que actúan como bits. Paramagnéticas, sin remanencia.

¿Cómo escribe información la cabeza grabadora magnética?. Por efecto inductivo: genera un campo en el medio cuyo sentido depende del sentido de la corriente en su bobinado. Midiendo los pequeños voltajes que inducen los dominios del medio. Aplicando siempre un campo en el mismo sentido, de modo que solo graba unos. Con corriente continua constante que satura todo el medio por igual.

¿Qué es un actuador magnético?. Un dispositivo que transforma una variación de magnitud magnética en un voltaje proporcional. Un dispositivo que convierte energía eléctrica en mecánica mediante campos variables, con estator (polos) y rotor móvil; por ejemplo, un motor paso a paso. Un núcleo laminado que canaliza el flujo en un transformador. Un medio de almacenamiento con ciclo de histéresis cuadrado.

¿Qué es un ferrofluido?. Partículas magnetizables finamente divididas suspendidas en un líquido portador (aceite mineral, queroseno...), cuyo comportamiento reológico cambia con el campo. sólido cristalino ferromagnético con χm negativa. Una disolución de sales paramagnéticas sin partículas en suspensión. Un cerámico ferrimagnético sinterizado.

¿Qué información aporta el estudio del paleomagnetismo?. La composición de las aguas subterráneas, por el diamagnetismo del agua. La temperatura de Curie de los imanes de neodimio. La resistividad eléctrica de las ferritas. La datación de eras geológicas, porque partículas de magnetita se orientan espontáneamente según el campo terrestre.

Una partícula de carga q con velocidad v en un campo magnético B experimenta una fuerza: F = q·v·B, paralela a v. F = q·B/v, paralela a B. F = q·(v × B), perpendicular tanto a v como a B. F = μ0·q·v/(4π·r²), paralela a v.

¿Qué módulo tiene el campo magnético creado a una distancia r por un conductor largo y recto que transporta una corriente I?. B = μ0·I·r/(2π). B = μ0·I/(2π·r). B = μ0·I/(4π·r²). B = 2π·r/(μ0·I).

¿En qué consiste la magnetización de campo pulsado, una de las técnicas exploradas para lograr una saturación óptima?. En aplicar un campo débil y continuo durante días. En calentar el material por encima de su temperatura de Curie sin campo. En reducir el tamaño de partícula hasta que sea superparamagnética. En aplicar pulsos magnéticos cortos e intensos para inducir un mayor nivel de saturación.

¿Qué supuso la introducción de los imanes de tierras raras, como los de neodimio?. Un producto de energía magnética significativamente mayor que el de imanes tradicionales como la ferrita o el alnico. Una menor remanencia, a cambio de un menor coste. Sustituir a los materiales blandos en los núcleos de transformadores. Una temperatura de Curie mayor que la de todos los demás imanes.

¿Para qué llevan núcleo de hierro las bobinas de transformadores, motores y electroimanes?. Para reducir el campo magnético y evitar que sature. Para incrementar el campo magnético y confinarlo en las regiones deseadas. Para aislar eléctricamente las espiras entre sí. Para convertir el material de la bobina en diamagnético.

Según la tabla de permeabilidades relativas del temario, ¿qué pareja de valores es correcta?. Plata ≈ 600 y plomo ≈ 1500. Níquel ≈ 0,99998 y hierro ≈ 0,999983. Níquel ≈ 600 y hierro ≈ 1500. Hierro ≈ 600 y níquel ≈ 1500.

Según la tabla de susceptibilidades del temario, ¿qué material tiene χm negativa?. Bismuto (−16,6×10^-5). Platino (26×10^-5). Uranio (40×10^-5). Hierro en alambre (66×10^-5).

Según el anexo de susceptibilidades a temperatura ambiente, ¿cuál de estos materiales es paramagnético?. Estaño (χm = −2×10^-5). Plomo (χm = −1,5×10^-5). Titanio (χm = 18×10^-5). Silicio (χm = −0,4×10^-5).

Según la tabla de materiales ferromagnéticos del temario, ¿cuál tiene la mayor permeabilidad relativa máxima?. El hierro puro (≈ 7000). La aleación Fe-78Ni (μr máxima ≈ 100 000). El cobalto puro (≈ 250). El acero con 0,9 % de C (≈ 100).

En esa misma tabla, ¿qué material tiene el campo coercitivo más bajo y es, por tanto, el más blando?. El cobalto puro (Hc ≈ 795 A/m). El acero con 0,9 % de C (Hc ≈ 5569 A/m). El hierro puro (Hc ≈ 80 A/m). La superaleación 5Mo-79Ni (Hc ≈ 0,32 A/m).

En la curva de magnetización de un ferromagnético, ¿qué ocurre en la fase inicial al aplicar el campo?. La magnetización crece de forma brusca hasta saturar. Los dominios giran todos a la vez hasta alinearse con el campo. Los dominios crecen con dificultad y la magnetización aumenta con lentitud. La magnetización disminuye porque predominan los dominios no alineados.

Tras saturar el material y retirar el campo, ¿por qué se conserva una magnetización remanente?. Porque las paredes de los dominios ofrecen resistencia a reorientarse, y gran parte de los dominios quedan cerca de la dirección del campo original. Porque la saturación destruye los dominios y fija un único momento atómico. Porque el material se calienta y fija la orientación de los átomos. Porque los electrones intercambian espín con el entorno.

¿Cómo se almacena un bit de información en un medio magnético?. Según la temperatura de Curie de cada dominio. Magnetizando el material en una dirección: polo norte activo = bit 1 y polo norte inactivo= bit 0. Según la presencia o ausencia de corrientes parásitas. Según el signo diamagnético de cada dominio.

¿En qué se basa la espintrónica, otra forma de almacenar información citada en el temario?. En utilizar la carga eléctrica de los protones del núcleo. En utilizar la temperatura de Curie de los dominios. En utilizar el giro (espín) de los electrones, hacia arriba o hacia abajo. En utilizar el diamagnetismo de los superconductores.

¿Qué materiales se emplean en pequeños transformadores, motores, convertidores e inductores que requieren una elevada susceptibilidad magnética?. Acero al silicio en láminas, usado en los grandes núcleos. Imanes de neodimio-hierro-boro. Ferritas duras de bario. Permalloys, cuya composición contiene esencialmente hierro y níquel.

¿Cuál es la composición más habitual de las ferritas blandas usadas en componentes electrónicos?. Neodimio-hierro-boro y samario-cobalto. Manganeso-zinc y níquel-zinc. Silicio-hierro y níquel-hierro. Bario-cromo y estroncio-titanio.

¿Qué principio aprovechan los rotores de los motores eléctricos?. La pérdida de superconductividad al aplicar campo. La dilatación del núcleo con la temperatura. La tendencia de los momentos magnéticos de las bobinas a orientarse en la dirección del campo externo. El movimiento browniano de las partículas del núcleo.

¿Qué tipo de materiales emplean mayoritariamente los relés y las válvulas electromagnéticas?. Aleaciones magnéticas blandas. Imanes duros de Nd2Fe14B como único material. Materiales diamagnéticos. Cerámicos aislantes sin respuesta magnética.

¿En qué consiste un sensor magnético?. En convertir energía eléctrica en movimiento mediante estator y rotor. En almacenar bits en dominios de ciclo cuadrado. En canalizar el flujo magnético en un núcleo laminado. En transformar la variación de una magnitud magnética (susceptibilidad, imantación...) en un voltaje eléctrico proporcional.

¿Cuál es el aspecto de mayor relevancia de las aplicaciones biomédicas del biomagnetismo?. La fabricación de imanes permanentes a partir de tejido vivo. La diagnosis de patologías a partir de efectos magnéticos observables en el exterior del cuerpo. La datación de eras geológicas. El aumento de la temperatura de Curie de los tejidos.