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Imanes de samario y cobalto
La abreviatura SmCo significa aleación de samario y cobalto. El brillante y plateado elemento samario fue descubierto por el mineralogista alemán Heinrich Rose, quien a su vez le dio el nombre del ingeniero de minas ruso Vasily Samarsky-Bykhovets. Este metal es un elemento de tierras raras y sólo se extrae en China.
El cobalto pertenece a la categoría de los metales de transición, más concretamente es un metal de transición ferromagnético con una temperatura de Curie de 1150° C. Este metal pesado, de color gris acero y extremadamente resistente, es un buen conductor del calor y la electricidad.
Los imanes desempeñan un papel indispensable en muchos ámbitos de la economía. Esto se aplica tanto al magnetismo causado por la corriente eléctrica en los electroimanes como al magnetismo permanente en los imanes permanentes. Las aleaciones de samario-cobalto son importantes materiales de base para la producción de imanes permanentes. Para ello se utilizan las aleaciones SmCo5 sin contenido en hierro, que se desarrolló en 1966, y la aleación Sm2Co17 con aproximadamente un 20-25% de contenido en hierro, que se desarrolló en 1972. Hasta los años 70, la aleación de samario y cobalto era el material con la mayor densidad de energía magnética conocida.
Fundamentos del magnetismo
En general, los campos magnéticos son inducidos por partículas cargadas eléctricamente en movimiento. Por eso se crea un campo magnético cada vez que circula corriente en un conductor eléctrico (metales como el cobre, el aluminio y otros). Sin embargo, las partículas cargadas eléctricamente en rotación (partículas con espín), como los electrones, también generan un momento magnético y, por tanto, representan un pequeño imán. Como todos los electrones tienen el llamado espín, cabe suponer que toda la materia está dotada de ciertas propiedades magnéticas. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los momentos magnéticos se anulan entre sí de tal manera que el material parece no magnético al mundo exterior. Sin embargo, cuando se expone a un campo magnético externo, las propiedades magnéticas de cualquier material cambian. En función de su comportamiento bajo la influencia de un campo magnético externo intenso, se distingue entre materiales diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, antiferromagnéticos y ferrimagnéticos. En principio, todos los materiales son inicialmente diamagnéticos, ya que todos contienen electrones apareados con espines opuestos sin excepción. Cuando se exponen a un campo magnético externo, se forma un débil campo opuesto en el material, que lo fuerza a salir del campo externo. Sin embargo, el efecto es tan pequeño que no suele notarse. Si también hay electrones no apareados, el campo magnético externo los alinea, lo que suele dar lugar a una magnetización inestable (Paramagnetismo) que empuja ligeramente el material hacia el campo magnético. Al retirar o desconectar el campo magnético externo, el campo magnético generado también vuelve a colapsarse. Además, el paramagnetismo suele ser tan débil que ni siquiera puede observarse sin ayuda técnica. Sin embargo, si se puede estabilizar la misma orientación de espín de los electrones no apareados, se habla de ferromagnetismo. Estos materiales son adecuados para la fabricación de imanes permanentes.
Imanes permanentes
Los materiales con propiedades ferromagnéticas constituyen la base para la producción de imanes permanentes. Se trata de materiales que, por razones de mecánica cuántica, tienen electrones no apareados con espín paralelo en sus átomos y, por tanto, pueden formar su propio campo magnético. Bajo la influencia de un campo magnético externo, los distritos con el mismo espín de electrones se alinean y generan así un campo magnético permanente. Entre estos materiales se encuentran los metales hierro, cobalto, níquel, algunos lantánidos y ciertas aleaciones como samario-cobalto, AlNiCo, neodimio o ferrita.
Propiedades de los materiales ferromagnéticos
Los materiales ferromagnéticos contienen en su interior los llamados imanes elementales, generados por electrones rectificados no apareados con espín paralelo. Un campo magnético externo sólo alinea estos imanes elementales y magnetiza así el material, por lo que su intensidad de campo magnético es independiente del campo externo. Durante la magnetización de materiales ferromagnéticos, complicados procesos físicos cuánticos dan lugar a las llamadas interacciones de intercambio entre los electrones alineados, que estabilizan la alineación y crean así un campo magnético estable. En el proceso, se suministra energía magnética al material, cuya medida se conoce como producto energético. Sin embargo, los materiales magnéticos blandos pierden su magnetización en cuanto se elimina el campo magnético externo. En el caso de los materiales ferromagnéticos, queda una magnetización residual (Remanencia). La intensidad de la remanencia determina ahora la estabilidad del campo magnético generado. En algunos materiales, puede ser tan grande que se crea un imán permanente con un fuerte campo magnético. En ese caso, el campo magnético sólo puede reducirse mediante calentamiento (Temperatura de Curie) o tratamiento mecánico del material y aplicando un fuerte campo opuesto externo (campo coercitivo). El reto en el desarrollo de imanes permanentes es encontrar materiales capaces de crear un campo magnético fuerte que pueda soportar altas temperaturas, fuertes tensiones mecánicas y campos magnéticos externos intensos. Las aleaciones de SmCo, neodimio, ferrita y AlNiCo han demostrado ser especialmente eficaces en este campo.
Las propiedades de las aleaciones de samario y cobalto
Ambas aleaciones pueden acumular una densidad de energía magnética muy elevada, que puede alcanzar de 130 a 200 kJ/m3 para SmCo5 y de 160 a 260 kJ/m3 para Sm2Co17. Su producto energético es, por tanto, muy elevado. Además, su campo magnético es extremadamente estable e insensible a las influencias externas. Las aleaciones de samario-cobalto son difíciles de desmagnetizar. La temperatura de Curie es de 450 grados. Por encima de esta temperatura, la magnetización desaparece. El imán puede utilizarse fácilmente hasta aproximadamente 350 grados sin pérdida de campo magnético. El coeficiente de temperatura de la densidad de flujo de remanencia es muy bajo y se sitúa entre 0,03 y 0,04 por ciento por grado centígrado. Esto significa que el campo magnético sólo disminuye muy ligeramente por cada grado de aumento de la temperatura. Además, la intensidad del campo coercitivo es extremadamente alta y en algunos casos supera varias veces a la de otros imanes permanentes. Las aleaciones de samario-cobalto tienen también la ventaja de que son muy resistentes a la corrosión. Sin embargo, son atacadas por ácidos inorgánicos y álcalis.
Producción de imanes de samario-cobalto
Los imanes permanentes, que también incluyen aleaciones de samario con cobalto, se utilizan en diversas aplicaciones de la vida cotidiana, por ejemplo, en sistemas de cierre, frigoríficos, para sujetar objetos y mucho más.
Sin embargo, son especialmente importantes en la generación de electricidad y la conversión de energía. Al generar electricidad, se aprovecha el hecho de que un campo magnético cambiante pone en movimiento partículas eléctricas móviles, como los electrones. Es irrelevante si el campo magnético es real o si parece cambiar debido al movimiento relativo en relación con un conductor eléctrico. En los generadores, por ejemplo, el rotor está formado por imanes permanentes giratorios cuyos campos magnéticos generan una corriente eléctrica en las bobinas estáticas (estator) de un conductor de corriente hecho de alambre (alambre de cobre o de cobre plateado). A la inversa, los imanes permanentes también pueden utilizarse en motores eléctricos para convertir la energía eléctrica en energía mecánica.
Los principales campos de aplicación del SmCo
Los imanes de aleación de samario-cobalto se utilizan cuando se requieren campos magnéticos muy potentes en condiciones extremas (temperaturas entre -40 y 350 grados). Los principales campos de aplicación son:
- generadores
- motores
- seonsores
- numerosos dispositivos de medición
El samario-cobalto se utiliza principalmente para diversos imanes permanentes. Para su aplicación pueden utilizarse dos estructuras cristalinas: SmCo5 o Sm2Co17 (con hierro, cobre o circonio como elementos de aleación adicionales) Las dos formas de la aleación se desarrollaron en 1966 y 1972 respectivamente y fueron los materiales con mayor densidad de energía magnética conocidos hasta el descubrimiento del neodimio-hierro-boro en 1982. Debido a sus propiedades, los imanes permanentes fabricados con SmCo son difíciles de desmagnetizar y conservan sus fuerzas magnéticas hasta una temperatura de funcionamiento de 450° C. Como el coeficiente de temperatura de la remanencia es muy bajo, el campo magnético sólo pierde una pequeña parte de su efecto por cada grado de aumento de temperatura. Además, gracias a su elevada coercitividad, son extremadamente resistentes a los campos desmagnetizantes y presentan una enorme resistencia a la corrosión. Hoy en día, la aleación Sm2Co17 se sigue utilizando principalmente para imanes permanentes porque es más rentable debido al menor contenido de samario. Sin embargo, hay ámbitos de aplicación especiales que exigen el uso de SmCo5, sobre todo cuando se requieren intensidades de campo magnético muy fuertes.
Comparación de otros tipos de imanes con los imanes de samario-cobalto
Al igual que otros imanes permanentes, los imanes de samario-cobalto tienen una alta densidad de energía, buena resistencia a la temperatura e intensidades de campo coercitivo extremadamente altas. No obstante, existen algunas diferencias, algunas de las cuales pueden ser ventajosas y otras desventajosas.
Comparación con los imanes de neodimio
Los imanes de neodimio están formados por una aleación de neodimio, hierro y boro. Este material se utiliza desde los años setenta. Su densidad energética es notablemente superior a la del samario-cobalto. Sin embargo, los imanes de neodimio sólo pueden utilizarse a temperaturas de hasta 80 grados. Además, es más susceptible a la corrosión que el imán de samario-cobalto. Aunque ciertos aditivos de la aleación pueden aumentar la resistencia a la temperatura y a la corrosión, no se acercan a los valores de la aleación de samario-cobalto. En consecuencia, los imanes de neodimio siguen teniendo que ser sustituidos por imanes de samario-cobalto para aplicaciones en condiciones extremas.
Comparación con los imanes de ferrite
Los imanes de ferrita se fabrican a partir de óxido de hierro y carbonato de bario o estroncio. El material resultante es similar a la cerámica. Los imanes de ferrita son muy populares en aplicaciones de todo el mundo porque son económicos y, al mismo tiempo, muy resistentes a la corrosión. También pueden utilizarse en un rango de temperaturas de -40 grados a 250 grados. Sin embargo, si se requieren intensidades de campo magnético muy fuertes, hay que volver a utilizar imanes de neodimio o de samario-cobalto.
Comparación con los imanes de AlNiCo
Los imanes de AlNiCo están formados por una aleación de aluminio, cobalto y níquel. Pueden utilizarse hasta 550 grados, son muy resistentes a la corrosión y tienen una elevada remanencia. Sin embargo, los imanes de AlNiCo tienen una intensidad de campo coercitivo muy baja, por lo que pueden desmagnetizarse fácilmente con campos magnéticos externos. Ya han sido sustituidos por imanes de ferrita en muchos ámbitos de aplicación. Sin embargo, si se requieren intensidades de campo elevadas en combinación con altas temperaturas, el uso de imanes de samario-cobalto ha demostrado su eficacia.
Conclusión
Los imanes de SmCo tienen una alta densidad de energía magnética, se pueden utilizar a altas temperaturas de hasta 350 grados, apenas se ven afectados por campos magnéticos externos y también son muy resistentes a la corrosión. Sin embargo, su producción es muy costosa porque el samario es un elemento raro. Su uso ha demostrado ser especialmente exitoso en áreas donde se requieren campos magnéticos de gran intensidad a altas temperaturas. Por ejemplo, en generadores, motores, sensores y aparatos de medición.
Características magnéticas de los imanes de samario-cobalto
| Material | Calidad del material | Remanencia | Coercividad | Producto energético | Temperatura máxima | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Br | bHc | iHc | (BxH) max | |||||||
| Gauss (G) | Tesla (T) | kOe | k/m | kOe | k/m | MGOe | kJ/m³ | °C | ||
| SmCo5 | RCS20 | 8500-9000 | 0.850-0.900 | 7.5-8.0 | 597-639 | ≥ 15 | ≥ 1199 | 19-21 | 151-167 | ≤ 250 |
| Sm2Co17 | S280 | 10000-11300 | 1.000-1.130 | 8.5-9.5 | 676-756 | ≥ 15 | ≥ 1194 | 24-28 | 191-223 | ≤ 350 |
| Sm2Co17 | RCS26H | 10000-10500 | 1.000-1.050 | 8.2-10.0 | 655-799 | ≥ 18 | ≥ 1440 | 24-26 | 191-210 | ≤ 350 |