En electromagnetismo clásico , la magnetización es el campo vectorial que expresa la densidad de momentos dipolares magnéticos permanentes o inducidos en un material magnético. En consecuencia, los físicos y los ingenieros suelen definir la magnetización como la cantidad de momento magnético por unidad de volumen. [1] Está representado por un pseudovector M. La magnetización se puede comparar con la polarización eléctrica , que es la medida de la respuesta correspondiente de un material a un campo eléctrico en electrostática .
La magnetización también describe cómo responde un material a un campo magnético aplicado , así como la forma en que el material cambia el campo magnético, y puede usarse para calcular las fuerzas que resultan de esas interacciones.
El origen de los momentos magnéticos responsables de la magnetización pueden ser corrientes eléctricas microscópicas resultantes del movimiento de los electrones en los átomos , o el espín de los electrones o de los núcleos. La magnetización neta resulta de la respuesta de un material a un campo magnético externo .
Los materiales paramagnéticos tienen una magnetización inducida débil en un campo magnético, que desaparece cuando se elimina el campo magnético. Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos tienen una fuerte magnetización en un campo magnético, y pueden magnetizarse para tener magnetización en ausencia de un campo externo, convirtiéndose en un imán permanente . La magnetización no es necesariamente uniforme dentro de un material, sino que puede variar entre diferentes puntos.
El campo de magnetización o campo M se puede definir según la siguiente ecuación:
¿Dónde está el momento magnético elemental y es el elemento de volumen ? en otras palabras, el campo M es la distribución de momentos magnéticos en la región o variedad en cuestión. Esto se ilustra mejor mediante la siguiente relación: donde m es un momento magnético ordinario y la integral triple denota integración sobre un volumen. Esto hace que el campo M sea completamente análogo al campo de polarización eléctrica , o campo P , utilizado para determinar el momento dipolar eléctrico p generado por una región o variedad similar con tal polarización:
¿Dónde está el momento dipolar eléctrico elemental?
Esas definiciones de P y M como "momentos por unidad de volumen" son ampliamente adoptadas, aunque en algunos casos pueden dar lugar a ambigüedades y paradojas. [1]
El campo M se mide en amperios por metro (A/m) en unidades SI . [2]
El comportamiento de los campos magnéticos ( B , H ), campos eléctricos ( E , D ), densidad de carga ( ρ ) y densidad de corriente ( J ) se describe mediante las ecuaciones de Maxwell . El papel de la magnetización se describe a continuación.
La magnetización define el campo magnético auxiliar H como
lo cual es conveniente para varios cálculos. La permeabilidad al vacío μ 0 es, aproximadamente,4π × 10 −7 V · s /( A · m ) (en unidades SI).
Existe una relación entre M y H en muchos materiales. En diamagnetos y paramagnetos , la relación suele ser lineal:
donde χ se llama susceptibilidad magnética del volumen y μ se llama permeabilidad magnética del material. La energía potencial magnética por unidad de volumen (es decir, densidad de energía magnética ) del paramagnet (o diamagnet) en el campo magnético es:
cuyo gradiente negativo es la fuerza magnética sobre el paramagnet (o diamagnet) por unidad de volumen (es decir, densidad de fuerza).
En diamagnetos ( ) y paramagnetos ( ), normalmente , y por tanto .
En los ferromagnetos no existe una correspondencia uno a uno entre M y H debido a la histéresis magnética .
Como alternativa a la magnetización, se puede definir la polarización magnética , I (a menudo se utiliza el símbolo J , que no debe confundirse con la densidad de corriente). [3]
Esto es por analogía directa con la polarización eléctrica . Por tanto, la polarización magnética se diferencia de la magnetización en un factor de μ 0 :
Mientras que la magnetización se mide normalmente en amperios/metro, la polarización magnética se mide en teslas.
La magnetización M contribuye a la densidad de corriente J , conocida como corriente de magnetización. [4]
y para la corriente superficial ligada :
de modo que la densidad de corriente total que entra en las ecuaciones de Maxwell está dada por
donde J f es la densidad de corriente eléctrica de las cargas libres (también llamada corriente libre ), el segundo término es la contribución de la magnetización y el último término está relacionado con la polarización eléctrica P.
En ausencia de corrientes eléctricas libres y efectos dependientes del tiempo, las ecuaciones de Maxwell que describen las cantidades magnéticas se reducen a
Estas ecuaciones se pueden resolver en analogía con problemas electrostáticos donde
En este sentido −∇⋅ M juega el papel de una "densidad de carga magnética" ficticia análoga a la densidad de carga eléctrica ρ ; (ver también campo desmagnetizador ).
El comportamiento de la magnetización dependiente del tiempo adquiere importancia cuando se considera la magnetización en escala de tiempo a nanoescala y nanosegundos. En lugar de simplemente alinearse con un campo aplicado, los momentos magnéticos individuales en un material comienzan a preceder alrededor del campo aplicado y se alinean mediante relajación a medida que la energía se transfiere a la red.
La inversión de magnetización, también conocida como conmutación, se refiere al proceso que conduce a una reorientación de 180° (arco) del vector de magnetización con respecto a su dirección inicial, desde una orientación estable a la opuesta. Tecnológicamente, este es uno de los procesos más importantes del magnetismo que está vinculado al proceso de almacenamiento de datos magnéticos , como el que se utiliza en los discos duros modernos . [5] Como se sabe hoy en día, sólo existen unas pocas formas posibles de invertir la magnetización de un imán metálico:
La desmagnetización es la reducción o eliminación de la magnetización. [7] Una forma de hacer esto es calentar el objeto por encima de su temperatura de Curie , donde las fluctuaciones térmicas tienen suficiente energía para superar las interacciones de intercambio , la fuente del orden ferromagnético, y destruir ese orden. Otra forma es sacarlo de una bobina eléctrica por la que pasa corriente alterna, dando lugar a campos que se oponen a la magnetización. [8]
Una aplicación de la desmagnetización es eliminar campos magnéticos no deseados. Por ejemplo, los campos magnéticos pueden interferir con dispositivos electrónicos como teléfonos móviles o ordenadores, y con el mecanizado, haciendo que los recortes se adhieran a sus padres. [8]