Magnetómetros

Magnetómetro de Muestra Vibrante (VSM)

Las características de cualquier material magnético definen sus posibles aplicaciones y están descritas en términos de su curva de magnetización en función del campo magnético (M vs. H). El instrumento de medición más comúnmente usado para la determinación de curvas M vs. H (lazo de histéresis) es el Magnetómetro de Muestra Vibrante o VSM por sus siglas en inglés (Vibrating Sample Magnetometer) que desde su invención en 1956, se ha convertido en una las técnicas más usadas tanto en laboratorios de investigación básica como en ambientes de producción, dada su capacidad de medir las propiedades magnéticas básicas de materiales como función del campo magnético DC externo, la temperatura y el tiempo.

Las técnicas de caracterización magnética se puede dividir principalmente en dos tipos: medición de la fuerza sobre un material en un campo magnético y medición de inducción magnética en la vecindad de la muestra. Aunque por muchos años se han usado las técnicas de fuerza en los laboratorios, siendo la balanza de Faraday la más representativa; dichas técnicas dificultan la observación de la magnetización en un campo verdaderamente uniforme debido a que el gradiente del campo es esencial para la producción de la fuerza. Además dichas técnicas no son fácilmente adaptables a rutinas de medición de magnetización versus campo aplicado. Todas las técnicas de inducción involucran la medición de un voltaje inducido en una bobina por un cambio de flujo ocasionado por la variación del campo magnético aplicado, la posición de la bobina, o la posición de la muestra. El VSM es la técnica de inducción que por su fácil implementación en laboratorios, su gran adaptabilidad a rutinas de automatización, y su alta sensitividad, ha sido catalogado como “el más popular de los equipos de caracterización magnética en las últimas décadas”.


Un magnetómetro de muestra vibrante mide el momento magnético de una muestra cuando ésta vibra en presencia de un campo magnético estático, a partir del cual se puede determinar la magnetización y la susceptibilidad magnética. Éste sobresale por su versatilidad, sencillez, permitiendo la obtención de resultados precisos y confiables, además es de bajo costo. Su operación se basa en la ley de inducción de Lenz. El movimiento de la muestra se puede realizar a través de un transductor Mössbauer que permite el control de las vibraciones mecánicas de la muestra, de su amplitud y de su frecuencia por retroalimentación a un controlador PID. La sensibilidad del magnetómetro es suficiente para detectar una variación mínima en el momento magnético de 5 x 10-4 emu. 

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. La muestra es sometida a una oscilación armónica únicamente en el eje vertical, perpendicular al campo magnético generado por el electroimán.

Magnetómetro SQUID

El magnetómetro SQUID debe su nombre al sensor de flujo magnético llamado SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) que posee en su equipamiento. Además se debe señalar que el SQUID es un magnetómetro que utiliza los llamados métodos de inducción, es decir mide el voltaje inducido por una variación de flujo magnético generado por una muestra problema en un sistema de bobinas captadoras, obteniéndose información de la magnetización (M) y la susceptibilidad () de pequeñas muestras sobre un amplio rango de temperatura (de 1.7 a 300K) y campos magnéticos.

El magnetómetro SQUID se caracteriza por poseer un motor de paso que hace que la muestra problema, que posee una magnetización, se mueva a lo largo de un eje vertical  a una bobina y  excita el campo magnético alterno que es producido por una bobina primaria (bobina de excitación), que es alimentada por una corriente alterna,  la inducción del voltaje producido es captado por un bobina secundaria (bobina de captación). Es importante resaltar que, en teoría, en ausencia de muestra la inducción mutua entre  el primario y el secundario debe ser  idéntica y por ello no debe haber fuerza electromotriz inducida en el secundario; sin embargo debido  a la dificultad de construir dos bobinas  idénticas, los coeficientes de inducción mutua serán diferentes y en ausencia de muestra hay una fuerza electromotriz diferente de cero, y por lo tanto debe existir un factor de corrección.

Funcionamiento experimental

Los magnetómetros SQUID son una combinación de uniones superconductoras que permiten detectar campos magnéticos muy pequeños, para ello cuentan con un sensor SQUID para la medición del momento magnético en diferentes condiciones experimentales ( temperatura, frecuencia, etc.) y en base a estas medidas se obtiene M y .

El dispositivo SQUID presenta un anillo superconductor cerrado con una o dos uniones Josephson y a lo largo de su recorrido circula una corriente eléctrica, estas uniones se comportan como un sistema que funciona por efecto túnel, el cual es muy sensible a cambios de estado en tiempos de pocos picosegundos, por lo cual son aptos para observaciones directas de efectos electrodinámicos cuánticos. En este caso esta unión sirve como patrón primario de calibración de un voltaje, cuyo origen se hallara en la cuantización del flujo magnético en el interior del anillo superconductor. Este cuanto recibe el nombre de fluxon y su valor es de 2.07 x 10-7 Gcm-2, por lo tanto se pueden evaluar campos magnéticos del orden de 10-15 Teslas, sobre valores absolutos de campos magnéticos de 7 T.

Este sistema presenta un conjunto de anillos detectores SQUID enlazados con un sensor SQUID por medio de una serie de conexiones superconductoras , entre las que se halla un transformador para la reducción de ruido y una bobina de entrada de señal para que la corriente procedente de los anillos detectores se acoplen inductivamente al sensor SQUID , a continuación se encuentra una bobina que registra la señal de radiofrecuencia de salida del sensor y la transmite a un amplificador de frecuencia VHF para reconvertir la señal en un voltaje analógico ajustado de manera estrictamente proporcional a la intensidad de corriente circulante en la bobina de entrada del SQUID.

La magnetización se mide habitualmente haciendo un movimiento repetitivo de la muestra esta hacia arriba a lo largo de cierta distancia y posteriormente leyendo el voltaje de salida del detector SQUID. Si el voltaje del SQUID presenta un número suficiente de datos puntuales, entonces el voltaje puede ser representado gráficamente con una función de posición de la muestra. [13]

Magnetización zero-field-cooled (ZFC) y field-cooled (FC)

En el estudio de sistemas magnéticos compuestos por nanopartículas, las medidas de magnetización ZFC-FC son de interés relevante y constituyen un método independiente de los análisis de relajación temporal en el estudio de las características fundamentales de la dinámica de la magnetización lejos del equilibrio termodinámico. Las mediciones de magnetización de enfriado sin campo magnético aplicado (Zero Field Cooling, ZFC) y magnetización de enfriado con campo magnético aplicado (Field Cooling, FC), indican con precisión la temperatura media de bloqueo dando información acerca del perfil de la distribución de tamaños e interacciones entre partículas.

Consideremos un sistema de partículas con una distribución de volúmenes f(v) enfriadas a una temperatura muy baja en ausencia de campo magnético externo. En condiciones de carencia de interacciones entre las partículas del sistema, el momento magnético neto del sistema tras este tratamiento es nulo; todos los momentos magnéticos particulares están orientados al azar espacialmente con lo que su contribución individual a la magnetización total es anulada por el resto de las partículas. Apliquemos entonces un campo magnético pequeño, H= 50Oe o 10Oe, y obtenemos el comportamiento de la magnetización y su dependencia con la temperatura. A una temperatura T dada y bajo la influencia del campo aplicado, las partículas de volumen V < VB actúan paramagnéticamente y se sienten libres para orientarse en la dirección del campo magnético, contribuyendo a obtener una magnetización no nula. Por el contrario, las partículas con volúmenes V > VB, todavía no tienen la energía suficiente para saltar la barrera de anisotropía y se encuentran bloqueadas; no pueden orientarse en la dirección del campo y su contribución a la magnetización total seguirá siendo nula. A medida que la temperatura aumenta, cada vez es mayor el número de partículas que se comportan paramagnéticamente.

En el experimento ZFC como ya se señalo anteriormente, una muestra es enfriada en ausencia de un campo magnético hasta la minima temperatura posible y a continuación, se calienta aplicando un pequeño campo mientras que la magnetización neta de la muestra se registra en función de la temperatura.

En el inicio de un experimento ZFC, el momento magnético de cada  átomo se encuentra congelado al azar en el eje fácil de una partícula. Debido a que  las partículas no se encuentran alineadas en ninguna dirección preferencial, la magnetización neta es pequeña, una vez aplicado el campo. A medida que se aumenta la temperatura, se observa un aumento de la magnetización neta porque la energía térmica libera, los espines y estos giran su alineación desde el eje fácil de las partículas lo que  les permite alinearse al campo aplicado.

En un sistema superparamagnético, la magnetización neta aumenta hasta lograr un máximo a la temperatura (TB) y luego decrece con el aumento de la temperatura, debido a que las fluctuaciones térmicas disminuyen el alineamiento producido por el campo y la magnetización decrece. El pico o el máximo en la curva de magnetización es conocido como Temperatura de bloqueo TB y es el punto de transición entre el comportamiento ferromagnético al superparamagnético.  

Por otro lado los datos FC para los que la muestra es enfriada en presencia de un campo magnético, nos proporcionan información sobre las interacciones entre partículas de sistemas fuertemente acoplados debidos a fuertes interacciones, los momentos magnéticos se estabilizan en su alineamiento inicial e impiden el alineamiento con el ampo aplicado. De forma general en un experimento FC la magnetización neta en los sistemas magnéticos aumenta fuertemente a medida que disminuye  la temperatura.

1 comentario:

  1. ¿Los magnetómetros son las balanzas magnéticas y son usadas para medir la magneticidad de los materiales?

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