V. EL MAGNETISMO Y SUS APLICACIONES EN EL MUNDO MODERNO

INTRODUCCIN: LA POCA MODERNA EN ESTE captulo presentaremos algunas de las aplicaciones del magnetismo y su influencia en el mundo moderno. Podemos decir que la revolucin que est sufriendo el mundo en el campo tecnolgico y que afectar sin duda toda la vida cultural, poltica y social de lo que resta del siglo y del subsiguiente, es producto en gran medida del avance de la fsica. Esto se ve de manera particular en el desarrollo de la microelectrnica y de otras reas de alta tecnologa que utilizan los principios del electromagnetismo en el diseo de aparatos y sistemas de informacin, medicin, etc. Asimismo, la creacin de nuevos materiales y su aplicacin se basa en gran medida en el conocimiento logrado en el electromagnetismo y la mecnica cuntica. Por supuesto que el magnetismo hall aplicacin desde el siglo pasado. El telfono y el telgrafo alrededor de 1880 eran aparatos activados por bateras y, basados en el descubrimiento de Oersted, las grandes aplicaciones a la ingeniera de la induccin electromagntica son el motor elctrico y el dnamo. El mismo Henry, codescubridor de la induccin electromagntica, haba construido un motor en 1831 y diseado juguetes primitivos. Edison invent un generador bipolar en 1878, un ao antes de inventar el filamento de luz elctrico. El hecho de que hubiera un generador de potencia hizo que el uso de luz elctrica se difundiera rpidamente. Con el experimento de Hertz se sentaron las bases para la transmisin inalmbrica de ondas de radio. De la misma forma, aparatos como la radio y la televisin utilizan muchos de los conocimientos que sobre electromagnetismo se generaron en las primeras decenas del siglo XX. Las aplicaciones que se realizan en la actualidad son variadsimas y la ciencia del magnetismo se ha vuelto central en nuestra tecnologa como medio ideal de almacenamiento de datos en cintas magnticas, discos magnticos y burbujas magnticas. Adems, se empieza a aplicar en la medicina. Como ya lo mencionamos, el desarrollo de nuevos materiales y su aplicacin a modernas tecnologas es uno de los dnamos que mueven a la sociedad posindustrial representada por los Estados Unidos y, sobre todo, por Japn, donde, por cierto, la llegada de Ewing a fines del siglo pasado motiv un esfuerzo sin precedente de Honda para desarrollar el estudio del magnetismo. Por su parte, los otros pases desarrollados tambin poseen un gran acervo de conocimientos para obtener un considerable avance en el campo. En cuanto a los pases subdesarrollados el gran desafo consiste en utilizar en forma ptima los escasos recursos (sobre todo humanos) que se tienen para no quedar a la zaga de esta explosin cientfica y tecnolgica. A continuacin presentaremos en forma selectiva algunos de los usos del magnetismo en diversas reas. Esta descripcin no pretende cubrir todos los temas de aplicacin del magnetismo, ni mucho menos asegurar que los temas que tratamos estn desarrollados exhaustivamente. Slo queremos presentar un panorama de las inmensas posibilidades que en este campo existen cuando la ciencia y la tecnologa se conjugan en forma imaginativa. Para esto examinaremos el rea de nuevos materiales magnticos slidos, los ferrofluidos, la tecnologa en informtica basada en el magnetismo, la resonancia magntica nuclear en la medicina y el efecto de campos magnticos en tecnologa nuclear. ALEACIONES Y COMPUESTOS CRISTALINOS Una de las ramas importantes del magnetismo se ocupa de los efectos que influyen en la estructura y formacin de dominios magnticos tanto en bulto como en pelculas delgadas. En forma especfica, del comportamiento de materiales magnticos granulares que no contengan dominios, sino que sean dominios nicos (como en el caso de las bacterias discutido anteriormente). Esto es muy importante, ya que sus propiedades son ms fciles de entender. Cuando se dice que un material es magnticamente duro significa que las partculas que lo componen son muy anisotrpicas y, por lo tanto, que su rotacin se dificulta. De esta manera, una gran cantidad de materiales como rocas, magnetita, etc., han sido investigados y utilizados sobre todo en medios de grabacin magntica. Existe un gran inters por estudiar aleaciones compuestas por materiales magnetoelsticos especiales que tengan aplicaciones en sellos metalo-vidriosos, tubos de gua de onda, etc. La cancelacin que ocurre entre la expansin trmica positiva de la mayora de los materiales y la contribucin magntica negativa origina que en aleaciones llamadas invar (como fierro-nquel) expansin trmica sea casi nula. Otras aleaciones como nquel-platino, que es cristalina, y fierro-boro, que es amorfa, muestran una gran potencialidad para aplicaciones como las arriba mencionadas. Otra aplicacin de aleaciones magnticas amorfas proviene de que se necesitan materiales magnticos a los se les pueda cambiar su direccin de magnetizacin con poco gasto de energa. Estos materiales encuentran su uso en transformadores y se necesitan para minimizar prdidas por calor. En aleaciones magnticas producidas por templado rpido y de composicin fierro-nquel metaloide (como silicio, bario, etc.) se minimiza la formacin de anisotropas de los dominios magnticos y el material es magnticamente ms suave. El llamado mrito de un imn permanente est en relacin con la intensidad de su magnetizacin permanente. El obtener aleaciones permanentes de, por ejemplo, hierro-neodinio-boro, ya sea por templado rpido o por tcnicas menos sofisticadas, ha permitido nuevas aplicaciones. La extrema dureza de estos materiales tiene su origen en la estructura cristalina tetragonal, la cual aumenta la anisotropa magntica. La aplicacin de estos materiales an no ha sido evaluada completamente. Transductores que transformen movimientos mecnicos en seales elctricas son fundamentales para la industria moderna. Los transductores basados en el magnetismo utilizan el hecho de que al aplicar un esfuerzo las propiedades magnticas del material utilizado como transductor varan en forma proporcional. A esto se le conoce como magnetostriccin. Los nuevos compuestos policristalinos muestran una magnetizacin 50 veces mayor que el nquel. Las aplicaciones en la industria militar son obvias (deteccin de submarinos). De lo anteriormente expuesto es claro que la bsqueda de materiales magnticos con propiedades especficas para cientos de aplicaciones est en pleno auge.1 Sin lugar a dudas la computadora ayudar al diseo y estudio de materiales slidos con un comportamiento extremo. A continuacin estudiaremos con ms detalle un material lquido extremadamente interesante, tanto desde el punto de vista cientfico como desde el tecnolgico. FERROFLUIDOS La idea de crear un fluido coloidal con propiedades ferromagnticas surgi en los aos sesenta. Estos fluidos consisten en partculas finamente divididas de magnetita o cobalto suspendidas en un medio aceitoso, como el kerosene (vase Figura 29). Para evitar que estas partculas se unan y el coloide se coagule, se adiciona un tensoactivo o agente dispersante como el cido oleico. Las partculas deben ser pequeas, del orden de 100 ngstrms. Estas partculas rodeadas de tensoactivo interactan entre s como si fueran esferas duras que llevaran un dipolo magntico. De esta forma el coloide tiene propiedades muy interesantes cuando se le coloca en un campo magntico (por ejemplo, vase Figura 30).

Figura 29. Partculas de cobalto para ferrofluidos. Este coloide, adems de poseer las formas de energa inherentes a todo flujo: energa de presin, energa cintica y energa gravitacional, tiene una energa ferromagntica al interactuar con un campo magntico. La suma de estas energas es constante, segn lo demostr Bernoulli en 1738. El juego de todas estas energas permite una serie de tiles aplicaciones (Figura 31). Por ejemplo, la interaccin entre magnetismo y presin puede ser utilizada para disear un tapn magntico en un tubo que une los recipientes con gas a distintas presiones. Un tapn hecho con fluido normal se movera hasta que las presiones quedaran equilibradas. Un ferrofluido se mantiene en su posicin enfocando un campo magntico, ya que si el tapn se mueve un poco hacia la regin de baja energa, la fuerza magntica lo detendr. Al ser la energa cintica y gravitacional constantes, el decremento de la energa debido a la presin debe ser compensado por un aumento de energa magntica y viceversa. Estos sellos se utilizan cuando un eje rotante debe pasar por un compartimiento hermticamente cerrado. Esta fue la primera aplicacin de los ferrofluidos y posteriormente ha sido aplicada a lseres de gas. Tambin se han diseado sellos en etapas mltiples, que pueden resistir presiones 60 veces mayores a la atmosfrica.

Figura 30. Se forman patrones muy complejos cuando a un lquido magntico (oscuro) y uno no magntico (blanco) se les aplica un campo magntico horizontal. Si no hay campo aplicado, el lquido magntico permanecer en el fondo. Cuando se aplica un campo aparecen perturbaciones. El dibujo representa el fluido a los 90 seg. De haber conectado el campo. Una variante del sello ferrofludico de presin se ha empleado en el diseo de bocinas. En la mayora de stas, el elemento ms importante es una bobina cilndrica, ajustada en un magneto permanente con un hueco que le permite moverse. El calor producido en el alambre puede ser disipado mejor si se coloca un lquido en el hueco en lugar de aire. Un fluido ferromagntico no se caer, pues el campo magntico lo sostendr.

Figura 31. Aplicaciones de ferrofluidos. Otra de las aplicaciones importantes de los ferrofluidos es su utilizacin en procesos de separacin de materiales que difieren en su densidad. Los mtodos ordinarios de separacin utilizan lquidos pesados, pero son txicos y no pueden flotar substancias de alta densidad. La levitacin magntica puede hacerlo y de hecho se usa para levitar partes no ferrosas de autos, en la incineracin de desperdicios slidos, etc. Si uno coloca una esfera no magntica dentro de un ferrofluido menos denso, sta se ir al fondo. Sin embargo, al colocar los polos iguales de dos imanes arriba y abajo del ferrofluido respectivamente, la esfera sube hacia el centro del recipiente que contiene el ferrofluido y all se queda. Esto se debe a que la suma de la energa magntica y de presin es constante. Una variante del sistema es la levitacin de un objeto magntico. Aqu el campo es proporcionado por el objeto mismo. Recientes aplicaciones de esto incluyen la separacin de diamantes de la arena y la gua de taladros de perforacin petrolera con un acelerador subterrneo en el cual la masa sensible es levitada en un ferrofluido. Los ferrofluidos tambin han hallado aplicacin en impresin de tinta por chorro, control de cartulas alfa-numricas, etc. El desarrollo potencial de una mquina magnetocalrica que utilice como fluido de trabajo un ferrofluido es una fascinante posibilidad. EFECTO DE CAMPOS MAGNTICOS EN METALES LQUIDOS En la tecnologa nuclear, los reactores de cra juegan un papel muy importante para la produccin de energa, sobre todo en pases como Francia y Alemania. Estos reactores se llaman as porque al operar producen ms combustible nuclear del que usan y lgicamente esto es una gran ventaja de su operacin. Para enfriar estos reactores se utilizan metales lquidos. Esto incidir en el diseo del reactor pues, dados los campos magnticos presentes en el mismo, el flujo del metal puede seguir patrones sorpresivos. De esta manera se estudia el flujo y el comportamiento de metales lquidos en tuberas de distintas secciones transversales, sean cilndricas o rectangulares, rodeadas de campos magnticos de intensidad variable. Los patrones de flujo afectan la razn de transferencia de calor, presin, etctera.

Figura 32. Aparato simplificado para el experimento bsico de resonancia magntica nuclear. RESONANCIA MAGNTICA NUCLEAR Si un ncleo atmico que posee espn es colocado en un campo magntico fuerte, su momento magntico procesa alrededor de la direccin del campo. La componente del momento en el eje definido por el campo est cuantizada, o sea, toma solamente valores discretos. De esta manera, slo ciertas energas son permitidas. Al pasar de un estado de energa a otro el ncleo rada a ciertas frecuencias. En 1946, Purcell y Bloch desarrollaron la resonancia magntica nuclear (RMN) aprovechando este hecho. Esos investigadores utilizaron un transmisor de radiofrecuencia para producir un campo electromagntico oscilante que induce transiciones entre los diversos niveles de energa de los ncleos de una muestra. Esto ocurre cuando, por un efecto de resonancia, la frecuencia del campo oscilante iguala a la frecuencia de transicin entre estos niveles (frecuencia de Larmor), la cual depende tanto del momento magntico de ncleo como del campo magntico en el ncleo.

Figura 33. Una imagen de resonancia magntica nuclear de una rebanada de abdomen. Diferencias de brillo indican diferente entorno, por ejemplo, distinguen grasa de msculo. Al incidir el campo oscilante, la muestra absorbe energa del mismo y un gran nmero de ncleos se encuentran en niveles de energa ms alta que en su estado de equilibrio. El sistema tiende a regresar a estados de energa ms baja, no slo emitiendo radiacin, sino por medio de procesos de relajamiento no radiactivos. Esto significa en trminos semiclsicos que la precesin tiende a decaer. Cuando esto sucede, la fuerza electromotriz inducida produce una seal que es amplificada y detectada. Para obtener informacin de la posicin espacial de las partes de la muestra, el campo aplicado debe poseer un gradiente que d origen a una modulacin de la frecuencia de respuesta. Al variar el gradiente se genera la respuesta como funcin del vector de onda de la seal RMN en dos o tres dimensiones. Al transformar esta seal al espacio real se obtienen imgenes. Un esquema de un aparato para RMN se muestra en la figura 32. Ahora bien, los tejidos tienen la misma densidad de hidrgeno, que es el ncleo al cual se aplica la RMN. Por lo tanto, no se obtendra mucha informacin si los tiempos de relajamiento de la seal no dependieran de otros factores. Se ha encontrado, sin embargo, que estos tiempos dependen de factores qumicos y fsicos que varan de tejido a tejido. Existen de hecho dos tiempos de relajamiento. El primero, llamado T1, est relacionado con el restablecimiento del equilibrio trmico de los espines excitados con el resto del cuerpo. El segundo, T2, que es ms pequeo, se relaciona con procesos que contribuyen a la prdida de coherencia de fase entre los diversos espines del sistema. Seleccionando secuencias de pulsos de excitacin y escogiendo tiempos de relajamiento adecuados, se puede modular la intensidad de la seal RMN que depende de estos factores fsicos y qumicos y as obtener informacin invaluable. Parece factible que se puedan observar cambios en la frecuencia de Larmor que resultan de cambios en el medio qumico del tejido, con lo que se puede obtener informacin acerca de procesos metablicos. De esta forma la seal RMN permite estudiar tejidos desde diversos puntos de vista. Esto complementa otras tcnicas radiogrficas. Por ejemplo, la tomografa computarizada es muy sensible a detalles de morfologa, aunque no hace distinciones entre un sujeto vivo o un cadver. La RMN ser vital en el futuro para estudiar la fisiologa y las propiedades funcionales del cuerpo (Figura 33). Otra de sus incipientes aplicaciones es el estudio del flujo de fluidos en rocas porosas, conocimiento vital en la recuperacin terciaria de petrleo. Es previsible que el costo de los aparatos de RMN disminuya con el advenimiento de materiales superconductores de alta temperatura crtica.

Figura 34. Partculas en una cinta magntica. En la foto superior son partculas de (Fe2O3) en forma de aguja en un disco flexible. En la inferior son partculas magnticas isotrpicas en una cinta. TECNOLOGA DE INFORMACIN MAGNTICA Indudablemente sta es la aplicacin en donde el magnetismo ha permitido un desarrollo mayor y ms impresionante, ya que ha generado una industria de 25 000 millones de dlares al ao, la cual crece a un ritmo de 20% anual. Su potencial es tan grande que desafa la imaginacin, y lo hecho hasta ahora parece ser slo el principio. La tecnologa de informacin magntica incluye tres campos: grabacin magntica, grabacin optomagntica y burbujas magnticas. GRABACIN MAGNTICA El almacenamiento de informacin va grabacin magntica se realiza en cintas magnticas, discos flexibles (floppy disks) y discos duros. Una cabeza de grabacin convencional consiste en un material magntico de alta permeabilidad alrededor del cual pasa una corriente por un alambre. El campo magntico en la brecha magnetiza el medio magntico en direccin del campo. Cambiando la direccin de la corriente se pueden magnetizar diferentes regiones del medio en direcciones opuestas y por tanto se tiene un cdigo de informacin binario. Para leer esta informacin se mueven la cabeza y el medio en relacin una al otro y al interceptar la cabeza al campo magntico del medio se generan pulsos elctricos por la ley de Lenz. En todos los medios de grabacin los parmetros importantes son la densidad de informacin, la razn de transferencia de datos y, por supuesto, el costo. Entre los factores que limitan estos parmetros, especialmente el primero, est la interaccin entre la cabeza y el medio. Esto se debe a que el campo magntico no puede ser enfocado y, por lo tanto, para aumentar la densidad de grabacin se necesita acercar la cabeza al medio, causando problemas graves. Para subsanar estos problemas se han usado partculas alargadas de Fe2O3. Para mejorar todava ms la grabacin se incluyen partculas de xido de cromo o cobalto (Figura 34).

Figura 35. Un modelo de columnas para pelculas de Co-Cr. Como la grabacin longitudinal ordinaria produce tambin magnetizacin no uniforme con componentes perpendiculares al medio, ya sea cinta o disco, los japoneses han tratado de disear medios que puedan ser grabados perpendicularmente. Se han usado pelculas de cobalto-cromo fabricadas por chisporroteo, lo cual produce cristales hexagonales ricos en cobalto, perpendiculares a la pelcula. No se sabe si estos materiales son dominios o partculas (Figura 35).

Figura 36. En presencia de un campo magntico rotante, estas estructuras prefabricadas de una aleacin nquel-hierro hacen que se muevan las burbujas magnticas en pelculas de granate. GRABACIN OPTOMAGNTICA En este sistema la lectura y grabacin se hace con un rayo lser. El sistema es mecnicamente simple y la densidad de informacin est limitada por la longitud de onda del lser. Para grabar, un rayo de luz lser incide sobre una delgada pelcula magntica. El lser calienta una regin y alinea su momento magntico con un campo magntico aplicado. Para leer la informacin se usa luz de menor intensidad que la utilizada para escribir. Cuando la luz pasa por el material, su plano de polarizacin gira debido al efecto Faraday. La direccin de rotacin depende de la direccin de magnetizacin del material y de esta forma, usando un polarizador, uno puede transformar rotaciones en direcciones distintas en diferencias de intensidad. Como materiales magnetopticos se utilizan aleaciones amorfas de tierras raras y metales. Como ya mencionamos, estos materiales son nuevos y se requiere de mucha investigacin para entenderlos. TECNOLOGA DE BURBUJAS MAGNTICAS Las memorias de burbujas magnticas pueden representarse como pequeos dominios mviles cuya polaridad es contraria a la de sus alrededores. La presencia o ausencia de una burbuja puede ser interpretada como un cdigo binario. Estas memorias son ventajosas con respecto a otros sistemas de grabacin en tiempos de acceso, costo y confiabilidad. Las memorias de burbuja son microestructuras, de cerca de una micra, de una aleacin nquel-hierro producidas litogrficamente en pelculas de granate, como se muestra en la figura 36. Un campo magntico rotante aplicado en el plano de la pelcula induce polos magnticos en galones asimtricos de la aleacin y de esta manera el domino de la burbuja se propaga. Tal vez en el futuro la implantacin de iones pueda substituir a la aleacin. Hay que subrayar que esta tecnologa ha sido acaparada prcticamente por los japoneses. Aparte de usar un campo magntico para propagar las burbujas, se pueden usar corrientes en planos conductores para producir el campo. El desarrollo de materiales de densidades grandsimas ha generado la investigacin de las llamadas lneas de Bloch, que son recodos en las paredes de los dominios de las burbujas. Se cree que se podran almacenar densidades de informacin de l09 bits/cm2, siendo el bit la unidad de informacin. Se piensa tambin que materiales amorfos pueden soportar burbujas de centsimas de micra y no se sabe hasta dnde se puede llegar. El tiempo de acceso se aproximar a 400 megabits/seg. Este somero examen muestra el efecto brutal que las nuevas tecnologas basadas en el uso del electromagnetismo tienen y tendrn en el mundo moderno. Entre otras cosas, el control de la fusin nuclear se basa en gran medida en un conocimiento profundo del campo magntico. Sin duda presenciamos una revolucin que tendr un efecto mayor que la Revolucin Industrial y cuyas consecuencias nadie puede prever. El humilde comienzo del magnetismo como ciencia ha desembocado hoy en un torrente de conocimiento que la humanidad debe saber controlar.