Impulsando el mundo con imanes

Uno de los fenómenos más asombrosos de la naturaleza es la manifestación del magnetismo en algunos materiales. Los imanes permanentes se conocen desde la antigüedad. Antes de los grandes descubrimientos en el campo de la electricidad, los médicos utilizaban activamente los imanes permanentes. Con el tiempo, la gente aprendió a crear imanes artificiales colocando productos de aleación de hierro en campos magnéticos. Los imanes permanentes se utilizan con frecuencia en la industria, en varios campos, como ingeniería eléctrica, tecnologías informáticas, transporte, navegación, medicina, biología, astronomía, etc. La principal aplicación de los imanes es en ingeniería eléctrica, ingeniería de radio, instrumentación, automatización y tele- mecánica. Por ejemplo, sin materiales magnéticos, la electrificación sería imposible porque para la generación de energía se utilizarían generadores, transformadores para la transmisión de energía y parlantes para motores eléctricos, teléfonos, radios y televisores.

La introducción activa de imanes permanentes en el ámbito de la actividad humana estimula la invención y creación de nuevas aleaciones ferromagnéticas con características magnéticas mejoradas.

metales magnéticos puros

Hierro, cobalto, níquel, gadolinio: solo estos cuatro metales son puros y magnéticos a temperatura ambiente. Esta propiedad se llama ferromagnetismo. Todas las aleaciones de tierras raras utilizadas industrialmente para imanes permanentes contienen estos metales.

Sin embargo, hay 9 metales que tienen fuertes propiedades magnéticas, pueden ser atraídos por los imanes y ellos mismos pueden convertirse en imanes: hierro, cobalto, níquel, pero también gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio. El aluminio, el platino, el cromo, el titanio, el vanadio y el manganeso son atraídos muy débilmente por el imán. Magnetizan tan poco que es imposible detectar sus propiedades magnéticas sin herramientas especiales.

metales ferromagnéticos

Los metales ferromagnéticos son fuertemente atraídos por objetos con campos magnéticos y pueden mantener sus propiedades magnéticas después de quitarles el imán. Se utilizan para crear imanes permanentes. Los principales metales ferromagnéticos son el hierro, el níquel, el cobalto, el gadolinio y el disprosio. Si se coloca una pieza de metal ferromagnético junto a un imán, se sentirá una atracción lo suficientemente fuerte.

Aleaciones ferromagnéticas

Las aleaciones ferromagnéticas son materiales como el acero, que contienen metales ferromagnéticos. El acero es una combinación de hierro y varios otros metales y es más duro que el hierro. Debido a esta dureza, el acero puede retener su magnetismo por más tiempo que el hierro. Cuando se calienta a alta temperatura, el acero pierde sus propiedades magnéticas. Esto también sucederá con los metales ferromagnéticos como el níquel.

materiales ferrimagnéticos

Los materiales ferrimagnéticos son la ferrita, la magnetita y el magnesio. Todos ellos tienen como componente principal óxidos de hierro, así como óxidos de otros metales. La piedra imán es magnetita que se magnetiza naturalmente. La magnetita es atraída por los campos magnéticos, pero por lo general no se magnetiza a sí misma. Los materiales ferrimagnéticos son similares a los ferroimanes, pero con una atracción magnética menor.

metales paramagnéticos

Los metales paramagnéticos son atraídos débilmente por el imán y no retienen sus propiedades magnéticas cuando se retiran del imán. Estos incluyen cobre, aluminio y platino. Las propiedades magnéticas de los metales paramagnéticos dependen de la temperatura y el aluminio, el uranio y el platino se vuelven más atractivos para los campos magnéticos cuando están muy fríos. Las sustancias paramagnéticas tienen fuerzas de atracción mucho más bajas para los imanes que los materiales ferromagnéticos y se necesitan instrumentos muy sensibles para medir la atracción magnética.

¿El acero inoxidable es magnético?

¡Hay más de 120 tipos diferentes de acero inoxidable! Si una aleación contiene al menos un 12 % de cromo, puede considerarse acero inoxidable resistente a la corrosión. La mayoría de los aceros inoxidables están hechos de aleaciones austeníticas y solo son ligeramente magnéticos. El acero con estructura ferrítica o martensítica es magnético. Si un tipo de acero contiene una estructura mixta de ferrita y austenita, la proporción de ferrita determina esas propiedades magnéticas del acero.

Existe un mito muy extendido sobre el comportamiento magnético del acero inoxidable. Mucha gente piensa que todos los tipos de acero inoxidable pueden atraer un imán. Eso no es cierto en absoluto. De hecho, los imanes funcionan en algunos tipos de acero inoxidable. Hay muchos tipos de acero inoxidable, pero podemos clasificarlos en dos grandes categorías: austenítico y ferrítico. Cada clasificación tiene arreglos atómicos únicos. Por este motivo, a menudo nos encontramos con algunos aceros inoxidables que no son magnéticos y otros que sí lo son. Los aceros inoxidables básicos con estructura ferrítica atraerán un imán, a diferencia de los tipos austeníticos más comunes. Debido a la estructura y las altas concentraciones de hierro, los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos.

El acero inoxidable es una aleación de hierro, carbono y cromo. Tiene buena resistencia a la corrosión y es muy fuerte. Sin embargo, no tiene magnetismo. Entonces, ¿cómo se usa para hacer imanes?

La respuesta se encuentra en las leyes de la física. En la estructura molecular de los metales existen varios átomos que generan micro campos magnéticos. En un conjunto libre y desordenado de átomos, los diferentes campos magnéticos no forman una fuerza común sino que se anulan entre sí. En este caso, no hay campo magnético. Por otro lado, si los átomos están ensamblados en la misma dirección, sus campos magnéticos no se anulan entre sí, sino que se coordinan y, por lo tanto, se juntan generando un fuerte campo magnético. Esta es la razón por la cual algunos metales como el hierro serán atraídos por otro metal magnetizado, ya que sus microcampos magnéticos se alinean en la misma dirección y forman el campo magnético del metal magnetizado.

Reconocimiento del acero inoxidable

Si huele, entonces no es acero inoxidable. Se puede pulir o pintar, pero también contendrá otros elementos. Algunos fabricantes agregan una pequeña cantidad de níquel (u otro metal) en su acero inoxidable para atraer imanes. No es realmente acero inoxidable, sino una combinación de acero inoxidable y aleación de níquel. Para una pieza de acero inoxidable sin óxido, es necesario tener un grado de '304' o '316'.

Tipos de acero inoxidable

Los otros tipos de acero inoxidable, ferríticos y martensíticos, desarrollan una magnetización débil. Específicamente, la solidez del acero inoxidable, su naturaleza inoxidable, la resistencia a los golpes no tiene nada que ver con el hecho de que está magnetizado. En cuanto a su uso, cabe mencionar que la soldadura sobre acero inoxidable ferrítico afectará irreparablemente la estructura molecular, lo que puede causar problemas. Por otro lado, el acero inoxidable austenítico suelda perfectamente. Un acero inoxidable ferrítico no se oxida, la resistencia a la corrosión es una cuestión de composición química y no tiene nada que ver con su capacidad magnética.

Acero magnético, la parte menos conocida del motor eléctrico

El acero magnético, dopado con silicio y laminado en finas láminas, es fundamental para fabricar el corazón de los motores eléctricos. A pesar de aumentar la capacidad de producción de los productores de acero en Europa, la demanda podría superar la oferta. A la sombra de las preocupaciones relacionadas con el níquel y el cobalto, el acero magnético es una aleación mucho más discreta que podría frenar el auge de los vehículos eléctricos y que empuja a los fabricantes a adaptar urgentemente sus capacidades. Este año, a mediados de marzo, el gigante siderúrgico ArcelorMittal anunció que invertiría más de 300 millones de euros en su planta de Mardyck para instalar trenes de laminación eléctricos (o magnéticos). Si bien este permiso no es conocido por el público en general, el anuncio era esperado por parte del sector. En los rotores y estatores de los motores eléctricos y en los transformadores, este acero dopado con silicio y apilado en finas láminas es fundamental para optimizar la circulación del campo magnético y garantizar un buen rendimiento del automóvil.

magnetismo de oro

El oro puro no es atraído por los imanes. Las piezas de oro impuro se vuelven ligeramente magnéticas bajo un gran campo magnético. El oro es diamagnético y paramagnético, y los efectos pueden anularse entre sí. Por lo tanto, el oro no es atraído ni repelido por un imán. Una forma impura de oro, como las joyas de oro de 18 y 22 quilates, se compone de materiales ferromagnéticos. Estos materiales se agregan para hacer que el oro sea más duro y más resistente al desgaste.

En tales casos, el magnetismo del oro depende del metal fundido en él. Por ejemplo, si los productores mezclan oro con hierro, producirán una aleación extremadamente magnética. Si se mezcla con plata, dará como resultado oro blanco no magnético.

Los imanes pueden ser útiles para probar monedas y lingotes de oro. Si la moneda de oro tiene una pureza superior al 99 %, no debería verse afectada por un imán.

El oro se puede magnetizar aplicando calor.

En 2016, un equipo de investigadores de la Universidad de Tohoku, Japón, descubrió que el oro podía magnetizarse bajo el calor generado por un gradiente de temperatura. El estudio también destaca la propiedad de transporte de electrones alterada por la inyección de espín y, por lo tanto, proporciona un enfoque versátil para la generación y detección de magnetización fuera del equilibrio en metales ordinarios.

Magnetos permanentes

Los imanes permanentes son materiales magnéticos 'duros', es decir, materiales que, una vez magnetizados, conservan su magnetización a la temperatura de uso. Sus propiedades magnéticas están determinadas principalmente por las propiedades de los compuestos que las constituyen. Además, dependen mucho de la microestructura del material obtenido a través del proceso de fabricación.

En la mayoría de las aplicaciones del mercado se utilizan cuatro familias de materiales para imanes permanentes. Estos son alnicos, ferritas duras, samario-cobalto y neodimio-hierro-boro. También existen otros materiales, pero sus aplicaciones son muy limitadas. Estos son: aleaciones dúctiles, aleaciones de manganeso-aluminio-carbono, aceros martensíticos duros o imanes a base de micropolvo.

El término imán permanente proviene de la capacidad del imán para retener una carga magnética inducida después de que se retira del magnetizador. Los imanes permanentes son necesarios para hacer brújulas, transmisores de radio, varios instrumentos de medición eléctricos, etc. Por lo general, están hechos de acero con alto contenido de carbono. Los imanes permanentes están comenzando a usarse en una nueva aleación altamente magnetizable llamada magnico, que consiste en cobalto, níquel, cobre, aluminio y hierro.

Los mejores metales para usar en un circuito magnético

El acero sólido es generalmente la mejor opción, desde un punto de vista económico, en dispositivos de campo estático. Si es posible, debe usarse acero con bajo contenido de carbono (ASME 1006 - 1018) para las piezas polares, y debe enriquecerse con hidrógeno después del procesamiento. Se pueden usar los aceros inoxidables de la serie 400, pero no son tan buenos magnéticamente como el acero con bajo contenido de carbono, por lo que es posible que las piezas deban ser más grandes para compensar.

Diferencia entre los materiales magnéticos AlNiCo, SmCo y NdFeB

AlNiCo es un material magnético más antiguo que todavía tiene aplicaciones importantes. Su producto de máxima energía es aproximadamente 1/5 de los materiales SmCo, pero tiene excelentes propiedades a altas temperaturas y mejor resistencia a la corrosión. AlNiCo se puede moldear en diferentes formas con diferentes orientaciones magnéticas. Los imanes de AlNiCo se han utilizado ampliamente, inicialmente en aplicaciones electrónicas militares y más tarde en versiones civiles, como aplicaciones de sensores para automóviles y aeronaves. El desarrollo de los imanes Alnico marcó el comienzo de una nueva forma de pensar sobre los materiales magnéticos donde los materiales compuestos con múltiples fases producidos se atribuyen atributos superiores a los de los componentes individuales.

El impulso hacia los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) fue el resultado del aumento del costo del Co a fines de la década de 1970, un ingrediente crítico en los imanes SmCo.

Los imanes de tierras raras SmCo y NdFeB tienen una alta coercitividad, por lo que no es necesario magnetizarlos en el circuito y se pueden usar con coeficientes de permeabilidad bajos (es decir, discos delgados). Estos materiales también son adecuados para probar la bobina de Helmholtz debido a sus curvas normales en línea recta. Esto también hace que las tierras raras sean ideales para motores y dipolos de alto campo. SmCo tiene buena resistencia a la desmagnetización térmica pero es frágil. NdFeB es menos frágil, tiene malas propiedades térmicas y es propenso a la corrosión.

Ventaja de un imán permanente frente a un electroimán

En general, el volumen de espacio necesario para producir un determinado campo estático será menor para los imanes permanentes cuando el espacio de trabajo sea pequeño; los electroimanes ganan en dispositivos más grandes. Los factores limitantes para los electroimanes son el espacio consumido por los devanados, la fuente de alimentación y el calor generado durante la operación. Los imanes permanentes no requieren fuente de alimentación, por lo que ahorran espacio y energía. Una fuente de alimentación ajustable facilita el ajuste del campo magnético de un electroimán simplemente ajustando la corriente de entrada. Sin embargo, se pueden usar imanes permanentes ajustables si no es necesario ajustar el campo con frecuencia.

¿Por qué los imanes de tierras raras son tan caros?

En el caso de los imanes de tierras raras, los metales utilizados para mejorar las propiedades magnéticas son difíciles de extraer. Los elementos relacionados con los imanes son una pequeña fracción de los lantánidos extraídos, por lo que el material no se puede producir en grandes cantidades. Dado que los polvos finos son pirofóricos, las condiciones de producción deben controlarse muy estrictamente y existe un límite en el tamaño del bloque que se puede formar debido a la presión requerida. El procesamiento posterior de los imanes aumenta los costes. Como los imanes suelen ser muy duros, las operaciones de rectificado y procesamiento son lentas.

Papel de los imanes en la energía verde

Los materiales magnéticos, especialmente los imanes permanentes, son fundamentales para el rendimiento eficiente de muchas tecnologías de energía renovable. La mayor dependencia de las fuentes de energía renovable ha acelerado la investigación en tecnologías relacionadas con la energía en todo el mundo. El uso de metales de tierras raras en imanes permanentes sigue siendo una fuente de mayor preocupación debido al suministro limitado de tierras raras junto con la disminución de las reservas en el mundo.

El impulso detrás del desarrollo de imanes permanentes emana de la necesidad de obtener productos de alta energía magnética en volúmenes más pequeños de imanes, que podrían utilizarse en algunas aplicaciones tecnológicas, como tecnologías de energía limpia (generadores de turbinas eólicas y motores regenerativos híbridos), componentes de transporte y productos de consumo. Los materiales magnéticos juegan un papel fundamental en la sociedad moderna debido a su capacidad única para realizar varias tareas como las siguientes: convertir energía mecánica en eléctrica; transmitir y distribuir energía eléctrica; facilitar las comunicaciones por microondas; proporcionar la base para los sistemas de almacenamiento de datos (Wallace Matizamhuka - El impacto de los materiales magnéticos en la energía renovable).

Los imanes permanentes NdFeB permiten el reemplazo de cajas de engranajes mecánicas en turbinas eólicas con generadores de imanes permanentes de transmisión directa, lo que reduce el peso total de la turbina, el costo de otros componentes como el hormigón y el acero necesarios para soportar cajas de engranajes pesadas y una reducción en la cantidad de piezas móviles. lo que básicamente permite mayores confiabilidades y eficiencias. Los generadores síncronos de imanes permanentes utilizan el campo magnético de potentes imanes de tierras raras para convertir la energía de las aspas giratorias en electricidad. Estos generadores pueden operar a bajas velocidades, lo que les permite ser accionados directamente por el eje de la turbina, eliminando la necesidad de una caja de cambios. Esto reduce el peso de la góndola del aerogenerador. La eliminación de la caja de cambios da como resultado una mayor confiabilidad, menores costos de mantenimiento y una mayor eficiencia. Las propiedades de los imanes que permiten a los diseñadores eliminar las cajas de cambios mecánicas de las turbinas eólicas ilustran cómo los imanes se pueden utilizar de manera innovadora para resolver problemas operativos y económicos en las turbinas eólicas modernas.

Hoy en día, los vehículos eléctricos/híbridos eléctricos han resurgido como una alternativa realista a los vehículos de combustión interna de gasolina. El éxito de los EV se debe a los motores de imanes permanentes altamente eficientes que se utilizan para hacer funcionar el tren de potencia del EV. El uso de material magnético duro NdFeB ofrece beneficios bastante significativos, lo que ha permitido el desarrollo de motores de tracción altamente eficientes que no son posibles con otras tecnologías.

En lugar de turbinas eólicas giratorias, la energía hidroeléctrica utiliza agua corriente. Las tecnologías hidroeléctricas generan energía utilizando la diferencia de elevación, creada por una presa o estructura de desvío, del agua que entra por un lado y sale, muy por debajo, por el otro. El agua fluye a través de la presa y hace girar una gran rueda llamada turbina. La turbina hace girar un eje que hace girar una serie de imanes a través de bobinas de cobre y un generador para producir electricidad limpia y renovable.

La energía solar utiliza paneles solares para convertir la energía del sol en energía térmica o eléctrica. En la fabricación de estos paneles solares, se depositan películas delgadas en múltiples capas a través de un proceso llamado 'pulverización catódica' o PVD (deposición física de vapor). Para optimizar este proceso, los conjuntos de imanes permanentes mejoran la utilización del material que se deposita.

Los imanes se utilizan para crear corrientes eléctricas en el proceso geotérmico. A medida que el fluido caliente se expande y crea la energía mecánica necesaria para hacer girar las palas de la turbina, la turbina hace girar imanes dentro de una bobina grande, creando una corriente eléctrica.

El uso de materiales magnéticos blandos en transformadores para la generación y conversión de energía para la red eléctrica juega un papel fundamental en la generación de electricidad. El rendimiento de los imanes blandos es específico del material y está dominado por propiedades como baja coercitividad y pérdidas en el núcleo, magnetización de alta saturación, resistividad y permeabilidad, lo que hace que estos materiales sean más atractivos para la transmisión y distribución eficiente de electricidad.

Imanes para el sector oil & gas

La industria del petróleo y el gas presenta algunos de los entornos más desafiantes y aplicaciones más exigentes para imanes y ensamblajes magnéticos. Para esta industria se recomienda utilizar imanes de tierras raras, como imanes de neodimio y samario cobalto. Esto se debe a sus propiedades altamente deseables, como su alta fuerza coercitiva y su estabilidad a altas temperaturas. Mientras que los imanes de samario y cobalto tienen propiedades resistentes a la corrosión, los imanes de neodimio no. Además, los imanes de tierras raras se utilizan para eliminar las incrustaciones creadas por el envejecimiento de los equipos petroleros, las tuberías y los materiales ferrosos no deseados.

En conclusión, las propiedades de los imanes son muy utilizadas en diversos campos, siendo útiles para toda la humanidad.