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OBSERVACIÓN DE LA TEMPERATURA DE CURIE EN EL TGA Y
MEDIDA DE LA CONTRIBUCIÓN MAGNÈTICA AL CALOR
ESPECÍFICO DEL NÍQUEL
Article in Revista Colombiana de Fisica · January 2004
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REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 36, No. 1. 2004
OBSERVACIÓN DE LA TEMPERATURA DE CURIE EN EL TGA Y MEDIDA DE
LA CONTRIBUCIÓN MAGNÈTICA AL CALOR ESPECÍFICO DEL NÍQUEL
Paola Dager, J. C. Tróchez, Ever Ortiz
Departamento de Física, Universidad del Atlántico, Km 7 antigua vía a Puerto Colombia, A.
A. 1890, Barranquilla.
RESUMEN
Hemos utilizado las técnicas calorimétricas DSC y TGA para observar la temperatura de Curie
del níquel. En el caso del Analizador termogravimétrico, la muestra a medir en la balanza se
coloca próxima de un imán, así tenemos dos contribuciones: la debida al peso y la fuerza de
atracción magnética. Esta última desaparece cuando el níquel pasa al estado paramagnético a la
temperatura de Curie (TC) y en esta temperatura se da un cambio drástico en la curva de “peso
vs temperatura”. Este resultado fue contrastado con la medida de calor específico para el mismo
material, realizado en un DSC de donde se obtiene la temperatura de transición, TC , utilizando
el criterio de máxima variación del calor específico. De los datos de calor específico se puede
obtener la contribución magnética al calor específico, diferenciando el calor específico total de
la contribución de los fonones y de los electrones. Nuestros resultados son comparables a los
reportados en la literatura para monocristales de Níquel.
ABSTRACT
We have used the calorimetric techniques DSC and TGA to observe the Curie temperature of
Nickel. In the case of Thermo-gravimetric Analyzer (TGA) the sample to measure has been located in the balance close to the magnet, so we have two contributions: the weigh component
and the magnetic attractive force. The last to be missing when nickel goes to paramagnetic state
at Curie temperature (TC) and at this temperature a drastic change in the “weigh vs temperature” curve happen. This result was compared with the specific heat measurement that was carried out in DSC equipment, and we obtain the TC , by using the criteria of maximum specific
heat variation. From the specific heat data the magnetic contribution of specific heat can be obtain, by the difference between total specific heat and the contribution of phonons and ele ctronic part. The results are in agreement with the reported for nickel single crystals.
INTRODUCCIÓN
El comportamiento ferromagnético del níquel ha sido objeto de estudio desde hace algunas
décadas. Este elemento de transición es utilizado en muchos casos para calibrar instrumentos
de medida, por ejemplo: magnetómetros. En nuestro caso hemos utilizado el níquel para
calibrar la temperatura del Analizador Termogravimétrico (TGA)[1], haciendo un arreglo
experimental, en el cual a temperatura ambiente el peso total del níquel medido por el TGA
tiene dos contribuciones: la del peso y la fuerza debida a la interacción con un imán que se
coloca próximo a la balanza del TGA. Al pasar al estado paramagnético a la temperatura de
Curie, esta ultima interacción desaparece, presentándose un cambio drástico en la curva
“peso vs temperatura”. De esta manera podemos ajustar el instrumento utilizando esta temperatura como referencia. Es importante destacar la buena reproducibilidad que presentan las
medidas realizadas con este elemento, lo cual hace útil en la calibración de instrumentos de
medida.
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REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 36, No. 1, 2004
De otro lado medidas de calor específico que hemos realizado con una pequeña muestra de
níquel, cerca de la temperatura de Curie, nos indica una contribución adicional a las de los
electrones y la red cristalina. Esta contribución es debida al cambio de comportamiento magnético, que puede ser evaluada separando la contribución debida a la red y los electrones. En
este trabajo presentamos la contribución debida al cambio de configuración magnética de
este elemento, de acuerdo al procedimiento descrito por D. L. Connelly, et al. [2]. Medidas
de entalpía, también se realizaron sobre esta muestra, utilizando la técnica mejorada Calorimetría Diferencial de Barrido Modulado (MDSC)[3], en este caso es posible observar la
contribución del calor específico debida a la transformación reversible (cambio de orden
magnética) como también a la parte irreversible, que corresponde a cambios debido a procesos cinéticos en la muestra, como oxidación.
METODO EXPERIMENTAL
Hemos utilizado muestra de níquel suministrada por el fabricante del equipo TGA, que garantiza alta pureza de la misma. Los equipos utilizados en las medidas son: un TGA y un
MDSC fabricados por la firma TA Instruments. La muestra de níquel utilizada para las medidas de MDSC tiene una masa de 38,4 mg. El control y análisis de las medidas fueron realizados utilizando un software Advantange Thermal Analysis, producido por la firma antes
mencionada. La calibración realizada en el MDSC incluyó varios procesos: Calibración de la
temperatura del DSC, utilizando elementos que tienen puntos de fusión a diferentes temperaturas como es el caso del indio y el zinc. También debe hacerse la calibración de la línea
base, la calibración de la celda, la constante de la capacidad calorífica [4]. Una vez realizadas
estas calibraciones, utilizamos los mismos parámetros de medida para la muestra como:
velocidad de calentamiento, frecuencia de oscilación de la temperatura y amplitud.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Las medidas de Capacidad calorífica son presentadas en el grafico 1, donde se observa el
comportamiento de CP cerca de la temperatura de Curie. Se puede observar que el calor
específico aumenta a medida que se aproxima al valor de la temperatura en la cual cambia el
comportamiento ferromagnético a paramagnético. De igual manera puede observarse el cambio del peso en función de la temperatura cuando el material alcanza la temperatura de Curie.
Este último comportamiento se presenta en la figura 2.
De los datos de calor específico se puede obtener la contribución magnética del calor específico a volumen constante, y esta la denotamos como Cv, siendo:
Tvβ 2
CV = C P −
− CV ( red ) − Ce
KT
[1]
donde V, β y KT son el volumen molar, el coeficiente de expansión volumétrico y la compresibilidad isotérmica, respectivamente. Cv red y Ce se calculan de acuerdo a lo descrito en
[2].
7
0,62
0,60
0,58
0,56
0,54
0,52
0,50
0,48
0,46
0,00
-0,01
-0,02
-0,03
-0,04
-0,05
-0,06
o
T c = 358,0 C
-0,07
-0,08
-0,09
100 150 200 250 300 350 400 450
o
Temperatura ( C)
Derivada cp
o
cp (J/g C)
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34,20
1,0
Peso (mg)
34,15
0,8
34,10
0,6
34,05
34,00
33,95
0,4
o
T c = 358,0 C
0,2
33,90
33,85
340
0,0
350
360
370
Derivada Peso (mg/min)
Figura 1. Medida del Calor específico en función de la temperatura
380
o
Temperatura ( C)
Figura 2. Medida de Peso en función de la temperatura para Ni.
Los valores Cp y KT son difíciles de determinar experimentalmente y hemos utilizado los
valores de CV y Cp dados en referencia [2] para obtener la relación entre estos dos parámetros
y ajustar nuestros datos. La figura 3 muestra el comportamiento de Cv en función de la temperatura en donde, también se muestra el ajuste de acuerdo a la relación [2]:
 A   T − TC 
C (t ) =   

 α   TC 
−α
+K
[2]
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CV(J/molK)
En síntesis hemos determinado la temperatura de Curie para el Níquel utilizando dos técnicas
de análisis térmico, en donde los resultados tienen una buena coincidencia. De las medidas
de calor específico se puede obtener la contribución magnética al calor específico, ajustando
nuestros valores de acuerdo a lo reportado por Connelly et al.
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
580
600
620
640
660
680
Temperatura (K)
Figura 3 Contribución magnética al calor específico Cv en función de la temperatura y curva de ajuste
de acuerdo a ecuación 2.
REFERENCIAS
[1] Determination of Curie Point Temperature by TGA, TA Instruments. Thermal Solutions notes TS37.
[2] Specific Heat of Nickel near the Curie Temperature, D. L. Connelly, J. S. Loomis, D. E. Mapother. Phys. Rev. B, vol. 3 No. 3, (1971), pg. 924-934.
[3] Investigation of the Curie point by MDSC. TA Instruments. Thermal Solutions notes, TS-28.
[4] Uso de las Técnicas MDSC y TGA en la Detección de la Transición de Fase Magnética del Níquel, Paola Dager Caballero, Jhonny Campis, Monografía de Grado, Universidad del Atlántico,
2003.
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