Magnetización

Cantidad física, densidad del momento magnético por volumen.

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 tanto corrientes eléctricas microscópicas resultantes del movimiento de los electrones en los átomos , como 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.

Definición

El campo de magnetización o campo M se puede definir según la siguiente ecuación:

$${\displaystyle \mathbf {M} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {m} }{\mathrm {d} V}}}$$

¿ 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: ${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {m} }$ ${\displaystyle \mathrm {d} V}$

$${\displaystyle \mathbf {m} =\iiint \mathbf {M} \,\mathrm {d} V}$$

mMcampo de polarización eléctricaPmomento dipolar eléctrico p

$${\displaystyle \mathbf {P} ={\mathrm {d} \mathbf {p} \over \mathrm {d} V},\quad \mathbf {p} =\iiint \mathbf {P} \,\mathrm {d} V}$$

¿ Dónde está el momento dipolar eléctrico elemental? ${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {p} }$

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]

En las ecuaciones de Maxwell

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.

Relaciones entre B, H y M

La magnetización define el campo magnético auxiliar H como

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {H+M} )}$( Unidades SI )

${\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {H} +4\pi \mathbf {M} }$( Unidades gaussianas )

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:

${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,\,\mathbf {B} =\mu \mathbf {H} =\mu _{0}(1+\chi )\mathbf {H} ,}$

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:

${\displaystyle -\mathbf {M} \cdot \mathbf {B} =-\chi \mathbf {H} \cdot \mathbf {B} =-{\frac {\chi }{1+\chi }}{\frac {\mathbf {B} ^{2}}{\mu _{0}}},}$

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 . ${\displaystyle \chi <0}$ ${\displaystyle \chi >0}$ ${\displaystyle |\chi |\ll 1}$ ${\displaystyle \mathbf {M} \approx \chi {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}}$

En los ferromagnetos no existe una correspondencia uno a uno entre M y H debido a la histéresis magnética .

Polarización 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]

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {H} +\mathbf {I} }$( Unidades SI ).

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 : ${\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} }$

${\displaystyle \mathbf {I} =\mu _{0}\mathbf {M} }$( Unidades SI ).

Mientras que la magnetización se mide normalmente en amperios/metro, la polarización magnética se mide en teslas.

Corriente de magnetización

Cuando las corrientes microscópicas inducidas por la magnetización (flechas negras) no se equilibran, aparecen en el medio corrientes de volumen ligadas (flechas azules) y corrientes superficiales ligadas (flechas rojas).

La magnetización M contribuye a la densidad de corriente J , conocida como corriente de magnetización. ^[4]

${\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {m} }=\nabla \times \mathbf {M} }$

y para la corriente superficial ligada :

${\displaystyle \mathbf {K} _{\mathrm {m} }=\mathbf {M} \times \mathbf {\hat {n}} }$

de modo que la densidad de corriente total que entra en las ecuaciones de Maxwell está dada por

${\displaystyle \mathbf {J} =\mathbf {J} _{\mathrm {f} }+\nabla \times \mathbf {M} +{\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}}$

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.

Magnetostática

En ausencia de corrientes eléctricas libres y efectos dependientes del tiempo, las ecuaciones de Maxwell que describen las cantidades magnéticas se reducen a

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\nabla \times H} &=\mathbf {0} \\\mathbf {\nabla \cdot H} &=-\nabla \cdot \mathbf {M} \end{aligned}}}$

Estas ecuaciones se pueden resolver en analogía con problemas electrostáticos donde

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\nabla \times E} &=\mathbf {0} \\\mathbf {\nabla \cdot E} &={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}\end{aligned}}}$

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 ).

Dinámica

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.

Inversión

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:

1. un campo magnético aplicado ^[5]
2. inyección de espín a través de un haz de partículas con espín ^[5]
3. inversión de magnetización por luz polarizada circularmente ; ^[6] es decir, radiación electromagnética incidente que está polarizada circularmente

Desmagnetización

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]

Ver también

• Magnetómetro
• Magnetización orbital

Referencias

1. CA Gonano; RE Zich; M. Mussetta (2015). "Definición de polarización P y magnetización M totalmente coherente con las ecuaciones de Maxwell" (PDF) . Avances en la Investigación Electromagnética B. 64 : 83-101. doi : 10.2528/PIERB15100606 .
2. "Unidades de propiedades magnéticas" (PDF) . Lake Shore Cryotronics, Inc. Archivado desde el original (PDF) el 26 de enero de 2019 . Consultado el 10 de junio de 2015 .
3. Francis Briggs Silsbee (1962). Sistemas de Unidades Eléctricas. Departamento de Comercio de EE. UU., Oficina Nacional de Normas.
4. A. Herczynski (2013). «Cargas y corrientes ligadas» (PDF) . Revista Estadounidense de Física . 81 (3): 202-205. Código Bib : 2013AmJPh..81..202H. doi :10.1119/1.4773441.
5. Stohr, J.; Siegmann, HC (2006), Magnetismo: de los fundamentos a la dinámica a nanoescala , Springer-Verlag, Bibcode :2006mffn.book.....S
6. Stanciu, CD; et al. (2007), Cartas de revisión física , vol. 99, pág. 217204, doi : 10.1103/PhysRevLett.99.217204, hdl : 2066/36522 , PMID  18233247, S2CID  6787518
7. "Ingeniería de componentes magnéticos". Ingeniería de componentes magnéticos. Archivado desde el original el 17 de diciembre de 2010 . Consultado el 18 de abril de 2011 .
8. "Desmagnetización". Introducción a la inspección de partículas magnéticas . Centro de recursos de END . Consultado el 18 de abril de 2011 .