Magnetismo

Magnetismoa imanek eta korronte elektrikoek eragindako erakarpen- eta aldarapen-fenomenoen multzoa da, funtsean karga elektrikoen higiduraren ondorio dena.

 Magnetismoaren historia 
Antzinako zibilizazioek ezagutzen zuten magnetita izeneko meak burdina erakartzeko duen ahalmena. Aristotelesek deskribatu zuen nola imantzen zen, denbora batez, burdin gozoa, iman harriaren eraginez, baina lehenbiziko azterketa sistematikoak William Gilbertek egin zituen XVII. mendean (De magnete, magneticisque corporibus et de magno magnete tellure, 1600). XVIII. mendearen bukaeran, Charles-Augustin de Coulombek ezarri zituen magnetismoaren eta elektrostatikaren hoinarri esperimentalak eta teorikoak, eta, 1785ean, bere izena daraman elektrostatikako oinarrizko legea zehaztu zuen (ik. Coulomb-en legea). XIX. mendean, Hans Christian Oersted daniarraren eta Michael Faraday ingelesaren esperimentuak James Clerk Maxwell eskoziarraren matematika kalkuluekin elkartu ondoren, elektrizitatearen eta magnetismoaren legeak batu ziren, eta, harrezkero, higitzen diren elektrizitate kargen adierazpidetzat hartzen da magnetismoa.

 Material magnetikoak 
Oro har, eremu magnetikoaren arabera, material magnetiko mota ezberdinak bereiz ditzakegu:

 Material diamagnetikoak 

Kanpoko eremu magnetiko bat material baten atomoen gainean eragitean, orbitaletan dauden elektroiak arinki desorekatzen ditu eta aplikatutako eremuaren aurka dauden atomoetan dipolo magnetiko txikiak eratzen ditu. Ekintza honek, efektu magnetiko negatiboa eratzen du, diamagnetismoa deritzona. Oso arina den suszeptibilitate magnetiko negatiboa eratzen du χM=10 -6 ordenakoa, hain zuzen ere. Diamagnetismoa, material guztietan ematen da, baina askotan, efektu magnetiko negatiboa, efektu magnetiko positiboaren ondorioz ezabatzen da.

 Material paramagnetikoak 
Eremu magnetiko baten presentzian suszeptibilate magnetiko positiboa aurkezten duten materialei paramagnetikoak deritze eta efektu magnetikoari, aldiz, paramagnetismoa. Eremu magnetikoa aplikatzean, atomo edo molekulen momentu dipolar magnetikoaren banakako lerrokatzearen eraginez ematen da. Paramagnetismoa, material ugaritan ematen da eta suszeptibilitate magnetikoa oso tarte zabala du: 10-6-10-2. Efektu magnetikoa ezabatzen da aplikatutako eremu magnetikoa ezabatzean. Astintze termikoak, dipolo magnetikoen norabidea ausaz antolatzen du eta tenperatura handitzean, efektu magnetikoa behera egiten du. Trantsizio elementuetako atomo batzuk, ez-parekatutako elektroiz osatutako barne mintza aurkezten dute. Aipatutako elektroiak, ligatutako elektroiei aurre egiten ez dietenez, efektu paramagnetiko gogorrak sortzen dituzte, baita efektu ferromagnetiko eta ferrimagnetikoak ere.

 Material antiferromagnetikoak 
Eremu magnetiko baten aurrean, antiferromagnetikoak diren materialen atomoen dipolo magnetikoak kontrako direkzioetan alineatzen dira. Manganeso eta kromo elementuak dira nabarmenenak mota honetako magnetismoan, egoera solidoan eta inguruneko tenperaturan.

 Material ferrimagnetikoak 
Zenbait material zeramikoetan, ioi desberdinek magnitude desberdinak aurkezten dituzte haien momentu magnetikoetan eta momentu hauek modu antiparaleloan alineatzen direnean, momentu magnetiko netoa norabide bakarrean sortzen da. Material ferrimagnetikoak, talde moduan, ferrita bezala ezagutzen dira. Ferrita mota asko daude. Mota horietako garrantzitsuetako bat magnetita (Fe3O4) da, antzinean harri magnetiko gisa ezagutzen zena. Ferritak, konduktibitate baxua aurkezten dute, aplikazio elektroniko askotan oso erabilgarriak izatea ahalbidetzen duena.

 Material ferromagnetikoak 

Diamagnetismo eta paramagnetismoa, eremu magnetiko baten aplikazioaren ondorioz induzitzen dira eta imantazioa soilik ematen da eremua mantentzen den bitartean. Baina ferromagnetismoan, eremu magnetikoak ezabatu edo mantendu daitezke nahi den moduan. Elementu ferromagnetiko garrantzitsuenak burdina (Fe), kobaltoa (Co) eta nikela (Ni) dira. Propietate ferromagnetikoak, barneko ez-parekatutako elektroien espinen lerrokatzean sare kristalino batean nola ematen den araberakoa da. Atomo bakartien barne mintzak kontrako espinak duten elektroi bikoteez osatuta daude eta modu honetan ez da momentu magnetiko dipolarrik geratzen. Solidoetan, kanpo balentzia duten elektroiak, batak besteekin konbinatzen dira lotura kimikoak sortuz eta ez da momentu magnetikorik geratzen elektroien eraginez. Fe, Co eta Ni 3d barne elektroiak sortzen duten elementuen ferromagnetismoaren eragileak dira. Burdinak, 4 elektroi 3d ez-parekatu ditu, kobalto atomoak 3 eta nikelak, aldiz, 2.

Inguruneko tenperaturan dagoen Fe, Co eta Ni lagin solidoa, alboko atomoen 3d elektroien espinak norabide paraleloan lerrokatzen dira, imanazio espontaneoa deritzon fenomenoa dela eta. Dipolo magnetiko atomikoen alineazioa eskualde mikroskopikoetan ematen da soilik, eremu magnetiko bezala ezagutzen dena, hain zuzen ere. Energia aldaketa positibo baten formazioaren ondoren ematen da.

Material ferromagnetiko hauek, bi motetan bereiz daitezke. Alde batetik, material ferromagnetiko bigunak, zeintzuk erraz desmagnetizatzen diren eta bestalde, material ferromagnetiko gogorrak, zeintzuk magnetismo iraunkorra erakusten duten.

 Material ferromagnetiko bigunak 
Material magnetiko bigunei dagokienez, hainbat ezaugarri bereiz ditzakegu, hala nola, permeabilitate altuko materialak direla eta eremu koertzitibo baxua dutela bai indukzio eta baita polarizazio magnetikorako. Gainera, histeresiaren ondorioz, des-imantazioa erakusten dute. Ezaugarri guzti hauei esker, edo hauen ondorioz, komunikazioen ingeniaritzan eta potentzia elektrikoko materialetan nahiko erabiliak dira.

Lehen esan bezala, histeresi zikloak oso estuak eta altuak izatea komeni da material  magnetiko bigunetan. Horrela, saturazio maila handia lortuko da eta imantazio-des-imantazio prozesuak azkarrak eta errazagoak izango dira.

Inguruneko tenperaturan, Burdina, Kobalto eta Nikel-a material ferromagnetikoak dira, eta hiru hauek, aleazioen oinarria osatzen dute. Hiru elementu hauen artean, burdina material magnetiko optimoena da, izan ere, hoberena izateaz aparte, lurrazalean aberatsena, eta horren ondorioz, merkeena baita (1.Taula)

ElementuaSaturazioa(gauss)Eremu koertzitibo(oersteds)Permeabilitate maximoaCurie tenperatura(°C)Fe21.5800,95.000770Ni6.0840,72.500358Co17.900102501.121
1.taula. Fe, Co eta Ni elementuen propietate magnetikoak

Taulari errreparatuta, alde batetik, burdina, saturazio maximoa jasan eta permeabilitate maximoa duen elementua izateaz gain, eremu koertzitiboaren balioa oso baxua da.  Bestalde, Curie tenperatura nahiko altua du, baina kobaltoarena baino baxuagoa. Horretaz aparte, propietate hauen balioa askoz hobeagoak dira purutasun altuko elementuetan.

Material magnetiko bigunen aleazio binarioen artean, burdina dugu elementu nagusiena, Silizio, Nikel, Kobalto edota Aluminioarekin aleatuta.

Material mota bakoitzaren ezaugarrien araberakoa izango dira material bigun hauen aplikazioak. Hala nola saturazio maila eta eremu koertzitibo handiko materialak, korronte jarraituko aplikazioetan erabiliak dira. Korronte ez-jarraituan berriz, permeabilitate altuko eta histeriaren ondorioz galera gutxi duten materialak erabiltzen dira.

Honetaz aparte, komunikabideen ingeniaritzan, alde batetik permeabilitate altua eta konstantea eta eremu koertzitibo baxuko materialak erabiltzen dira.  Histeresi ziklo errektangularreko material magnetiko bigunak anplifikatzaile magnetiko bezala erabiltzen dira, memoria magnetikoetan, zirkuituetan..

Burdin eta altzairu leunak, hau da, burdin elektrolitikoa, karbono kantitate gutxiko altzairuak ( erresistibitate gutxiko eta permeabilitate altukoak) etc.. erabiliak dira eremu magnetiko txikietan indukzio handia behar duten korronte jarraituko aplikazioetan. Aleazio hauek erabiliak dira elektroimanen pieza polar eta kulatetan, armadura eta nukleotan, generatzaile elektrikoen errotoretan…

-Fe-Si aleazioak silizio kopuruaren eta ehunduraren arabera aplikazio desberdinak izaten dituzte.

 Silizio kantitate gutxiko aleazioak (%2,5>) ohiko eragile eta sorgailuetan erabiltzen dira, etekin gutxiagoko baina prezio murritzak nahi direnean.
 %2,5 eta 3 artean daudenak, berriz, etekin altuko makina elektrikoetan eta karga oso altuan lan egiten ez duten eraldatzaileetan erabiltzen dira.
 Silizio kopuru altuko aleazioak (%3-4,5),frekuentzia industrialetan lan egiten duten potentzia eraldatzailetan erabiliak dira, non galera ahulek eta etekin oso altua garrantzi handia duten.

 Material ferromagnetiko gogorrak 
Material magnetiko gogorrek eremu hertsatzaile (aplikatu behar zaion eremu magnetikoa bere iman izaera nulua izan dadin) handia (Hc) eta indukzio magnetiko erremanente (Br) handiak izateagatik ezagutzen da, ondorengo irudian (7. Irudian) ikusten den bezala. Material hauek daukaten histeresi zikloak (seinale magnetikoak emititzen jarraitzen dute induzitzen zuen eremu magnetikoa kendu ostean) oso zabalak eta altuak dira. Material hauek erraz imantatzen dira eremu magnetiko baten presentzian eta domeinu magnetikoekin (dipolo magnetikoen multzoak) lerrokatzen dira. Eremu magnetikoarekin imantatzerakoan, prozesu honetan dagoen energiaren zati bat iman permanentean biltzen da energia potentzial bezala eta beraz, iman permanenteek daukaten energia egoera oso handia da iman arruntekin konparatzen badugu. Behin material hauek imantatzen direnean oso zailak dira des-imantatzea material hauen anisotropikoak direlako eta duten akatsegatik daukaten domeinu magnetikoaren ( dipolo magnetikoen multzoak) mugimendua eragozten dutelako.

Nahiz eta eremu magnetikoak sortzeko erabiltzen diren, iman permanente bat definitzen duen ezaugarri nagusia honek kanpoaldera igortzen duen energia da. Energia hau, B · H biderketaren produktua da zeina imanaren desmagnetizazioan lortzen den. B·H baliorik maximoena bigarren koadrantean aurkitzen da eta sistema internazionalean KJ/m3-tan neurtzen da.

ALNICO materialak AL-Ni aleazioak dira zeintzuk material magnetiko gogor komertzialak diren eta merkatuko iman gogoren %35-a osatzen dute. Horretaz gain material magnetiko guztien artean Curie tenperaturarik altuena daukaten materialak dira 800 °C inguruan izanik. Hain T altutan izateagatik Curie puntua metala gori-gorian magnetismo ona erakusten du. Horretaz gain fusio puntu altua daukate, aluminioa erdimetala izateagatik aleazioan. Hala ere, erresistentzia txikiko materialak dira eta oso hauskorrak dira.

Moldeaketa, burdinurtu edo prozesu metalurgikoetan hauts bezala ekoizten dira. Hauts hauek forma konplexuak duten produktuak egiteko erabiltzen dira. Prozesu honetan egitura aldetik bere tratamendu termikoa baino goragoko tenperaturatan (∼1250 °C) bcc egitura kristalinoa dauka. Bestalde 750-850 °C-tan hozterakoan bi bcc fasetan, α eta α´ fasetan deskonposatzen da. Hau garrantzitsua da, izan ere α fasearen matrizea Ni eta Al da aberatsa eta ez da hain magnetikoa, bestalde α´ fasearen matrizea Fe eta Co-tan da aberatsa eta imanazio handiagoa dauka α fasea baino..

Material hau azaldutako propietateengatik aplikazio ugari dauzka nagusiki iman permanenteak behar dituzten kasuetan, hala nola, motor elektrikoetan, gitarra elektrikoen pirulak egiteko, mikrofonoak, sentsoreak, bozgorailuak…

Beste material magnetiko gogor mota bat lur arraroak dira. Hauek beste edozein material magnetiko komertzialak baino propietate magnetiko handiagoak dauzkate, lehen aipatutako BHmax balio altuenak lortuz. Lur arraroetan oinarritutako materialei buruz hitz egiten bada, hiru talde nagusi daude; fase bakarreko Samario-Kobalto aleazioa (SmCo)5, prezipitatuetan oinarritutako samario-kobalto aleazioak Sm ( Co,Cu )7,5 eta neodimiozko lur arraroak.
erdian|thumb|600x600px|Material magnetiko bigun (beltza) eta gogorren (urdina) histeresi zikloak.

 Ferritak 

Ferritak material zeramiko ferrimagnetikoak dira, zeintzuk burdin oxidoa (Fe2O3) beste oxido batzuekin eta karbonatoekin hauts eran nahastuz lortzen diren. Material honen barnean bi motatako ferritak dauzkagu; ferrita bigunak eta ferrita gogorrak:

Ferrita BigunakMO*Fe2O3 (M=Fe^{2+}, Mn^{2+}, Zn^{2+}) konposizioa daukate eta alderantzizko espinelaren egitura daukate. Lehen aipatutako saturazio magnetiko altuak dauzkate baina material ferromagnetikoak baino baxuagoak jarraitzen izaten dute. Isolatzaile elektriko onak dira izan ere elektrizitatearekiko erresistentzia ona daukate eta. Aplikaziorik nabarmenenak seinale ahuleko transformadoreetan, energia baxuko induktoreetan, aparatu audiobisualetan, telebistako bobina konbergenteetan…
Ferrita GogorrakMO*6Fe2O3 (M=Ba^{2+}, Sr^{2+}) formula daukate eta kristal egitura hexagonala daukate. Eremu hertsatzaile altua daukate eta oso zailak dira des-imantatzea. Horretaz gain anisotropia magnetokristalino altua daukate eta aplikaziorik ohikoenak generadoreetan, motorretan, aurikularentzako imanak, ateak erretenitzeko gailuak eta dispositiboak egiteko erabiltzen dira.

 Lurraren eremu magnetikoa 

Lurraren eremu magnetikoak iparrorratz soil batez antzeman daitezke. Bi ezaugarri nagusi ditu: latitudearen araberako aldaketak eta ardatz magnetikoaren etengabeko aldaketak. Lurraren nukleo metalikoen korronte magnetikoek sortzen dute, teoria dinamiko-magnetikoak dioenez, Lurraren magnetismoa, eta Lurraren magnetismoaren aldakortasunak adierazten du Lurraren gune hori higitzen dela. Metal urtuzko ibaiek betetzen dute eremu magnetikoen sortzaile diren kiribil eroaleen papera. Lurrak, beraz, iman handi bat bailitzan, bi polo magnetiko ditu: iparraldekoa (78,6° ipar latitudean, 70,1° mendebal longitudean, 1945ean kalkulatutako datuen arabera. Kokagune hori, alabaina, eta Lurraren eremu magnetikoa higikorra denez, zertxobait aldatzen da urtez urte) eta hegoaldekoa (ardatz magnetikoaren beste muturrean).

 Magnetismo kosmikoa 
Izarren eta argizagien arteko espazioan eremu magnetiko bat bada, izarrek eta argizagiek sortua. Eremu magnetiko kosmikoa magnetometroen bidez neur daiteke, edo Zeemanen marrak (izar edo argizagi batek igorritako argiak espektroan uzten dituen marrak) aztertuz. Argizagi jakin baten eremu magnetikoa aztertzeko badira, era berean, bestelako sistema batzuk ere: argizagiak igorritako irrada sinkrotronikoaren polarizazioa aztertzea; argizagiaren birrefringentzia aztertzea; izarren arteko polarizazioa aztertzea; etab.

 Erreferentziak 

 Ikus, gainera 
 Erradiazio elektromagnetiko

 Kanpo estekak