Magnetismo

Clase de fenómenos físicos.

La forma del campo magnético de una barra magnética se revela por la orientación de las limaduras de hierro esparcidas sobre la mesa a su alrededor.

El magnetismo es la clase de atributos físicos que se producen a través de un campo magnético , que permite que los objetos se atraigan o se repelan entre sí. Debido a que tanto las corrientes eléctricas como los momentos magnéticos de las partículas elementales dan lugar a un campo magnético, el magnetismo es uno de los dos aspectos del electromagnetismo .

Los efectos más familiares se producen en los materiales ferromagnéticos , que son fuertemente atraídos por los campos magnéticos y pueden magnetizarse para convertirse en imanes permanentes , produciendo ellos mismos campos magnéticos. También es posible desmagnetizar un imán. Sólo unas pocas sustancias son ferromagnéticas; los más comunes son el hierro , el cobalto y el níquel y sus aleaciones.

Todas las sustancias exhiben algún tipo de magnetismo. Los materiales magnéticos se clasifican según su susceptibilidad aparente. ^[1] El ferromagnetismo es responsable de la mayoría de los efectos del magnetismo que se encuentran en la vida cotidiana, pero en realidad existen varios tipos de magnetismo. Las sustancias paramagnéticas , como el aluminio y el oxígeno , son atraídas débilmente por un campo magnético aplicado; las sustancias diamagnéticas , como el cobre y el carbono , son débilmente repelidas; mientras que los materiales antiferromagnéticos , como el cromo , tienen una relación más compleja con un campo magnético. ^{[ vago ]} La fuerza de un imán sobre materiales paramagnéticos, diamagnéticos y antiferromagnéticos suele ser demasiado débil para sentirla y sólo puede detectarse con instrumentos de laboratorio, por lo que en la vida cotidiana estas sustancias a menudo se describen como no magnéticas.

La fuerza de un campo magnético siempre disminuye con la distancia desde la fuente magnética, ^[2] aunque la relación matemática exacta entre fuerza y ​​distancia varía. Muchos factores pueden influir en el campo magnético de un objeto, incluido el momento magnético del material, la forma física del objeto, tanto la magnitud como la dirección de cualquier corriente eléctrica presente dentro del objeto y la temperatura del objeto.

Historia

Lodestone , un imán natural , que atrae los clavos de hierro. Los humanos antiguos descubrieron la propiedad del magnetismo a partir de la piedra imán.

Una ilustración de De Magnete de Gilbert de 1600 que muestra uno de los primeros métodos para fabricar un imán. Un herrero sostiene un trozo de hierro al rojo vivo en dirección norte-sur y lo martilla mientras se enfría. El campo magnético de la Tierra alinea los dominios, dejando al hierro como un imán débil.

Dibujo de un tratamiento médico mediante cepillos magnéticos. Charles Jacques 1843, Francia.

El magnetismo se descubrió por primera vez en el mundo antiguo cuando la gente notó que las piedras imán , piezas naturalmente magnetizadas del mineral magnetita , podían atraer el hierro. ^[3] La palabra imán proviene del término griego μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , ^[4] "la piedra magnesiana, imán". ^[5] En la antigua Grecia, Aristóteles atribuyó la primera de lo que podría llamarse una discusión científica sobre el magnetismo al filósofo Tales de Mileto , que vivió aproximadamente entre el 625 a.C. y aproximadamente el 545 a.C. ^[6] El antiguo texto médico indio Sushruta Samhita describe el uso de magnetita para eliminar flechas incrustadas en el cuerpo de una persona. ^[7]

En la antigua China , la referencia literaria más antigua al magnetismo se encuentra en un libro del siglo IV a.C. que lleva el nombre de su autor, Guiguzi . ^[8] Los anales del siglo II a. C., Lüshi Chunqiu , también señalan: "La piedra imán hace que el hierro se acerque; algo (fuerza) lo atrae". ^[9] La primera mención de la atracción de una aguja se encuentra en una obra del siglo I, Lunheng ( Investigaciones equilibradas ): "Una piedra imán atrae una aguja". ^{[10] El} científico chino del siglo XI, Shen Kuo, fue la primera persona en escribir, en los Ensayos de Dream Pool , sobre la brújula de aguja magnética y que mejoraba la precisión de la navegación empleando el concepto astronómico del norte verdadero . En el siglo XII, se sabía que los chinos utilizaban la brújula de imán para la navegación. Esculpieron una cuchara direccional en piedra imán de tal manera que el mango de la cuchara siempre apuntara hacia el sur.

Alexander Neckam , hacia 1187, fue el primero en Europa en describir la brújula y su uso para la navegación. En 1269, Peter Peregrinus de Maricourt escribió la Epistola de magnete , el primer tratado existente que describe las propiedades de los imanes. En 1282, Al-Ashraf Umar II , un físico , astrónomo y geógrafo yemení, analizó las propiedades de los imanes y las brújulas secas . ^[11]

La única obra conservada de Leonardo Garzoni , Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita , es el primer ejemplo conocido de un tratamiento moderno de los fenómenos magnéticos. Escrito en años cercanos a 1580 y nunca publicado, el tratado tuvo una amplia difusión. En particular, Niccolò Cabeo se refiere a Garzoni como un experto en magnetismo, cuya Philosophia Magnetica (1629) es sólo una readaptación de la obra de Garzoni. El tratado de Garzoni era conocido también por Giovanni Battista Della Porta .

En 1600, William Gilbert publicó su De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure ( Sobre el imán y los cuerpos magnéticos, y sobre el gran imán de la Tierra ). En este trabajo describe muchos de sus experimentos con su modelo de tierra llamado terrella . De sus experimentos llegó a la conclusión de que la Tierra era magnética y que esta era la razón por la que las brújulas apuntaban al norte, mientras que antes algunos creían que era la estrella polar Polaris o una gran isla magnética en el polo norte la que atraía la brújula.

La comprensión de la relación entre electricidad y magnetismo comenzó en 1819 con el trabajo de Hans Christian Ørsted , profesor de la Universidad de Copenhague, quien descubrió, mediante el movimiento accidental de la aguja de una brújula cerca de un cable, que una corriente eléctrica podía crear una onda magnética. campo. Este experimento histórico se conoce como el Experimento de Ørsted. A esto le siguieron varios experimentos de otros científicos: André-Marie Ampère , quien en 1820 descubrió que el campo magnético que circulaba en un camino cerrado estaba relacionado con la corriente que fluía a través de una superficie encerrada por el camino; Carl Friedrich Gauss ; Jean-Baptiste Biot y Félix Savart , quienes en 1820 idearon la ley de Biot-Savart que proporciona una ecuación para el campo magnético de un cable por el que circula corriente; Michael Faraday , quien en 1831 descubrió que un flujo magnético variable en el tiempo a través de un bucle de alambre inducía un voltaje; y otros encuentran más vínculos entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y amplió estos conocimientos en las ecuaciones de Maxwell , unificando la electricidad, el magnetismo y la óptica en el campo del electromagnetismo . En 1905, Albert Einstein utilizó estas leyes para motivar su teoría de la relatividad especial , ^[12] exigiendo que las leyes fueran verdaderas en todos los sistemas de referencia inerciales .

El electromagnetismo ha seguido desarrollándose en el siglo XXI, incorporándose a las teorías más fundamentales de la teoría de calibre , la electrodinámica cuántica , la teoría electrodébil y, finalmente, el modelo estándar .

Fuentes

El magnetismo, en su raíz, surge de tres fuentes:

1. Corriente eléctrica
2. Momentos magnéticos de giro de partículas elementales.
3. Cambiando los campos eléctricos

Las propiedades magnéticas de los materiales se deben principalmente a los momentos magnéticos de los electrones en órbita de sus átomos . Los momentos magnéticos de los núcleos de los átomos suelen ser miles de veces más pequeños que los momentos magnéticos de los electrones, por lo que son insignificantes en el contexto de la magnetización de materiales. Sin embargo, los momentos magnéticos nucleares son muy importantes en otros contextos, particularmente en la resonancia magnética nuclear (NMR) y la resonancia magnética (MRI).

Normalmente, la enorme cantidad de electrones de un material está dispuesta de tal manera que sus momentos magnéticos (tanto orbitales como intrínsecos) se anulan. Esto se debe, hasta cierto punto, a que los electrones se combinan en pares con momentos magnéticos intrínsecos opuestos como resultado del principio de exclusión de Pauli (ver configuración electrónica ) y se combinan en subcapas llenas con movimiento orbital neto cero. En ambos casos, los electrones adoptan preferentemente disposiciones en las que el momento magnético de cada electrón es anulado por el momento opuesto de otro electrón. Además, incluso cuando la configuración electrónica es tal que hay electrones desapareados y/o subcapas no llenas, a menudo ocurre que los diversos electrones en el sólido contribuirán con momentos magnéticos que apuntan en direcciones diferentes y aleatorias, de modo que el material no ser magnético.

A veces, ya sea de forma espontánea o debido a la aplicación de un campo magnético externo, cada uno de los momentos magnéticos de los electrones estará, en promedio, alineado. Un material adecuado puede entonces producir un fuerte campo magnético neto.

El comportamiento magnético de un material depende de su estructura, particularmente de su configuración electrónica , por los motivos mencionados anteriormente, y también de la temperatura. A altas temperaturas, el movimiento térmico aleatorio dificulta que los electrones mantengan la alineación.

Tipos

Jerarquía de tipos de magnetismo. ^[13]

diamagnetismo

El diamagnetismo aparece en todos los materiales y es la tendencia de un material a oponerse a un campo magnético aplicado y, por tanto, a ser repelido por un campo magnético. Sin embargo, en un material con propiedades paramagnéticas (es decir, con tendencia a potenciar un campo magnético externo), domina el comportamiento paramagnético. ^[14] Así, a pesar de su aparición universal, el comportamiento diamagnético se observa sólo en un material puramente diamagnético. En un material diamagnético, no hay electrones desapareados, por lo que los momentos magnéticos intrínsecos de los electrones no pueden producir ningún efecto de masa. En estos casos, la magnetización surge de los movimientos orbitales de los electrones, que pueden entenderse clásicamente de la siguiente manera:

Cuando un material se coloca en un campo magnético, los electrones que rodean el núcleo experimentarán, además de su atracción de Coulomb hacia el núcleo, una fuerza de Lorentz procedente del campo magnético. Dependiendo de la dirección en la que orbita el electrón, esta fuerza puede aumentar la fuerza centrípeta sobre los electrones, atrayéndolos hacia el núcleo, o puede disminuir la fuerza, alejándolos del núcleo. Este efecto aumenta sistemáticamente los momentos magnéticos orbitales que estaban alineados opuestos al campo y disminuye los alineados paralelos al campo (de acuerdo con la ley de Lenz ). Esto da como resultado un pequeño momento magnético en masa, con una dirección opuesta al campo aplicado.

Esta descripción pretende ser sólo una heurística ; El teorema de Bohr-Van Leeuwen muestra que el diamagnetismo es imposible según la física clásica y que una comprensión adecuada requiere una descripción mecánico-cuántica .

Todos los materiales sufren esta respuesta orbital. Sin embargo, en sustancias paramagnéticas y ferromagnéticas, el efecto diamagnético se ve anulado por los efectos mucho más fuertes causados ​​por los electrones desapareados.

Paramagnetismo

En un material paramagnético hay electrones desapareados ; es decir, orbitales atómicos o moleculares con exactamente un electrón en ellos. Si bien el principio de exclusión de Pauli exige que los electrones apareados tengan sus momentos magnéticos intrínsecos ("giro") apuntando en direcciones opuestas, lo que provoca que sus campos magnéticos se cancelen, un electrón no apareado es libre de alinear su momento magnético en cualquier dirección. Cuando se aplica un campo magnético externo, estos momentos magnéticos tenderán a alinearse en la misma dirección que el campo aplicado, reforzándolo así.

Ferromagnetismo

Un ferromagnet, como una sustancia paramagnética, tiene electrones desapareados. Sin embargo, además de la tendencia del momento magnético intrínseco de los electrones a ser paralelo a un campo aplicado, también existe en estos materiales una tendencia a que estos momentos magnéticos se orienten paralelos entre sí para mantener un estado de energía reducida. Así, incluso en ausencia de un campo aplicado, los momentos magnéticos de los electrones del material se alinean espontáneamente en paralelo entre sí.

Cada sustancia ferromagnética tiene su propia temperatura individual, llamada temperatura de Curie o punto de Curie, por encima de la cual pierde sus propiedades ferromagnéticas. Esto se debe a que la tendencia térmica al desorden supera la disminución de energía debido al orden ferromagnético.

El ferromagnetismo sólo ocurre en unas pocas sustancias; los más comunes son el hierro , el níquel , el cobalto , sus aleaciones y algunas aleaciones de metales de tierras raras .

Dominios magnéticos

Los momentos magnéticos de los átomos en un material ferromagnético hacen que se comporten como pequeños imanes permanentes. Se mantienen unidos y se alinean en pequeñas regiones de alineación más o menos uniforme llamadas dominios magnéticos o dominios de Weiss . Los dominios magnéticos se pueden observar con un microscopio de fuerza magnética para revelar los límites de los dominios magnéticos que se asemejan a líneas blancas en el boceto. Hay muchos experimentos científicos que pueden mostrar físicamente campos magnéticos.

Cuando un dominio contiene demasiadas moléculas, se vuelve inestable y se divide en dos dominios alineados en direcciones opuestas para que se unan de manera más estable.

Cuando se exponen a un campo magnético, los límites de los dominios se mueven, de modo que los dominios alineados con el campo magnético crecen y dominan la estructura (área punteada en amarillo), como se muestra a la izquierda. Cuando se elimina el campo magnetizante, es posible que los dominios no vuelvan a un estado no magnetizado. Esto da como resultado que el material ferromagnético se magnetice, formando un imán permanente.

Cuando se magnetiza con suficiente fuerza como para que el dominio predominante supere a todos los demás para dar como resultado un solo dominio, el material se satura magnéticamente . Cuando un material ferromagnético magnetizado se calienta a la temperatura del punto de Curie , las moléculas se agitan hasta el punto de que los dominios magnéticos pierden la organización y las propiedades magnéticas que provocan cesan. Cuando el material se enfría, esta estructura de alineación de dominios regresa espontáneamente, de una manera más o menos análoga a cómo un líquido puede congelarse hasta convertirse en un sólido cristalino.

Antiferromagnetismo

Ordenamiento antiferromagnético

En un antiferroimán , a diferencia de un ferroimán, existe una tendencia a que los momentos magnéticos intrínsecos de los electrones de valencia vecinos apunten en direcciones opuestas . Cuando todos los átomos de una sustancia están dispuestos de modo que cada vecino sea antiparalelo, la sustancia es antiferromagnética . Los antiferromagnetos tienen un momento magnético neto cero porque el momento opuesto adyacente se cancela, lo que significa que no producen ningún campo. Los antiferroimanes son menos comunes en comparación con otros tipos de comportamiento y se observan principalmente a bajas temperaturas. A diferentes temperaturas, se puede observar que los antiferroimanes exhiben propiedades diamagnéticas y ferromagnéticas.

En algunos materiales, los electrones vecinos prefieren apuntar en direcciones opuestas, pero no existe una disposición geométrica en la que cada par de vecinos esté antialineado. Esto se llama antiferroimán inclinado o hielo en espín y es un ejemplo de frustración geométrica .

Ferrimagnetismo

Ordenamiento ferrimagnético

Al igual que el ferromagnetismo, los ferrimagnetos conservan su magnetización en ausencia de campo. Sin embargo, al igual que los antiferromagnetos, los pares de espines de electrones vecinos tienden a apuntar en direcciones opuestas. Estas dos propiedades no son contradictorias, porque en la disposición geométrica óptima, hay más momento magnético de la subred de electrones que apuntan en una dirección que de la subred que apunta en la dirección opuesta.

La mayoría de las ferritas son ferrimagnéticas. La primera sustancia magnética descubierta, la magnetita , es una ferrita y originalmente se creía que era un ferroimán; Louis Néel , sin embargo, lo desmintió después de descubrir el ferrimagnetismo.

Superparamagnetismo

Órdenes magnéticos: comparación entre ferro, antiferro y ferrimagnetismo

Cuando un ferromagneto o ferrimagnet es lo suficientemente pequeño, actúa como un único espín magnético que está sujeto al movimiento browniano . Su respuesta a un campo magnético es cualitativamente similar a la respuesta de un paraimán, pero mucho mayor.

magnetismo de nagaoka

El físico japonés Yosuke Nagaoka concibió un tipo de magnetismo en una red cuadrada bidimensional donde cada nodo de la red tenía un electrón. Si se eliminara un electrón en condiciones específicas, la energía de la red sería mínima sólo cuando los espines de todos los electrones fueran paralelos.

Se logró experimentalmente una variación de esto disponiendo los átomos en una red muaré triangular de monocapas de diseleniuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno . La aplicación de un campo magnético débil y un voltaje condujo a un comportamiento ferromagnético cuando estaban presentes entre un 100 y un 150% más de electrones que los nodos de la red. Los electrones adicionales se deslocalizaron y se emparejaron con electrones de la red para formar doblones. Se evitó la deslocalización a menos que los electrones de la red tuvieran espines alineados. Los doblones crearon así regiones ferromagnéticas localizadas. El fenómeno tuvo lugar a 140 mikelvins. ^[15]

Otros tipos de magnetismo

• metamagnetismo
• Imanes basados ​​en moléculas
• Imán de una sola molécula
• Imán amorfo

Electroimán

Un electroimán atrae clips cuando se aplica corriente creando un campo magnético. El electroimán los pierde cuando se elimina la corriente y el campo magnético.

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético es producido por una corriente eléctrica . ^[16] El campo magnético desaparece cuando se corta la corriente. Los electroimanes suelen consistir en una gran cantidad de espiras de alambre muy espaciadas que crean el campo magnético. Las espiras de alambre suelen estar enrolladas alrededor de un núcleo magnético hecho de un material ferromagnético o ferrimagnético como el hierro ; el núcleo magnético concentra el flujo magnético y produce un imán más potente.

La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético se puede cambiar rápidamente controlando la cantidad de corriente eléctrica en el devanado. Sin embargo, a diferencia de un imán permanente que no necesita energía, un electroimán requiere un suministro continuo de corriente para mantener el campo magnético.

Los electroimanes se utilizan ampliamente como componentes de otros dispositivos eléctricos, como motores , generadores , relés , solenoides, altavoces , discos duros , máquinas de resonancia magnética , instrumentos científicos y equipos de separación magnética . Los electroimanes también se emplean en la industria para recoger y mover objetos pesados ​​de hierro, como chatarra y acero. ^[17] El electromagnetismo fue descubierto en 1820. ^[18]

Magnetismo, electricidad y relatividad especial.

Como consecuencia de la teoría de la relatividad especial de Einstein, la electricidad y el magnetismo están fundamentalmente interrelacionados. Tanto el magnetismo sin electricidad como la electricidad sin magnetismo son inconsistentes con la relatividad especial, debido a efectos tales como la contracción de la longitud , la dilatación del tiempo y el hecho de que la fuerza magnética depende de la velocidad. Sin embargo, cuando se tienen en cuenta tanto la electricidad como el magnetismo, la teoría resultante ( electromagnetismo ) es totalmente coherente con la relatividad especial. ^{[12] [19]} En particular, un fenómeno que parece puramente eléctrico o puramente magnético para un observador puede ser una mezcla de ambos para otro, o más generalmente las contribuciones relativas de la electricidad y el magnetismo dependen del marco de referencia. Así, la relatividad especial "mezcla" electricidad y magnetismo en un fenómeno único e inseparable llamado electromagnetismo , de forma análoga a cómo la relatividad general "mezcla" el espacio y el tiempo en espaciotiempo .

Todas las observaciones sobre electromagnetismo se aplican a lo que podría considerarse principalmente magnetismo; por ejemplo, las perturbaciones en el campo magnético van necesariamente acompañadas de un campo eléctrico distinto de cero y se propagan a la velocidad de la luz . ^[20]

Campos magnéticos en un material.

En el vacío,

${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}\mathbf {H} ,}$

donde μ ₀ es la permeabilidad al vacío .

En un material,

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

La cantidad μ ₀ M se llama polarización magnética .

Si el campo H es pequeño, la respuesta de la magnetización M en un diamagnet o paramagnet es aproximadamente lineal:

${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,}$

la constante de proporcionalidad se llama susceptibilidad magnética. En ese caso,

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

En un imán duro como un ferroimán, M no es proporcional al campo y generalmente es distinto de cero incluso cuando H es cero (ver Remanencia ).

Fuerza magnética

Líneas de fuerza magnéticas de una barra magnética mostradas mediante limaduras de hierro sobre papel.

Detección de campo magnético con brújula y limaduras de hierro.

El fenómeno del magnetismo está "mediado" por el campo magnético. Una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético y ese campo, a su vez, imparte fuerzas magnéticas sobre otras partículas que se encuentran en los campos.

Las ecuaciones de Maxwell, que se simplifican a la ley de Biot-Savart en el caso de corrientes estacionarias, describen el origen y comportamiento de los campos que gobiernan estas fuerzas. Por lo tanto, el magnetismo se ve siempre que partículas cargadas eléctricamente están en movimiento , por ejemplo, por el movimiento de electrones en una corriente eléctrica o, en ciertos casos, por el movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo de un átomo. También surgen de dipolos magnéticos "intrínsecos" que surgen del espín mecánico cuántico .

Las mismas situaciones que crean campos magnéticos (cargas que se mueven en una corriente o en un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son también situaciones en las que un campo magnético tiene un efecto, creando una fuerza. La siguiente es la fórmula para mover la carga; para conocer las fuerzas sobre un dipolo intrínseco, consulte dipolo magnético.

Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B , siente una fuerza de Lorentz F dada por el producto vectorial : ^[21]

${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),}$

dónde

${\displaystyle q}$es la carga eléctrica de la partícula, y

v es el vector de velocidad de la partícula

Como se trata de un producto cruzado, la fuerza es perpendicular tanto al movimiento de la partícula como al campo magnético. De ello se deduce que la fuerza magnética no realiza ningún trabajo sobre la partícula; puede cambiar la dirección del movimiento de la partícula, pero no puede hacer que se acelere o desacelere. La magnitud de la fuerza es

${\displaystyle F=qvB\sin \theta \,}$

¿ Dónde está el ángulo entre v y B ? ${\displaystyle \theta }$

Una herramienta para determinar la dirección del vector velocidad de una carga en movimiento, el campo magnético y la fuerza ejercida es etiquetar el dedo índice como "V" ^{[ dudoso ]} , el dedo medio como "B" y el pulgar como "F". con tu mano derecha. Al hacer una configuración similar a una pistola, con el dedo medio cruzando debajo del dedo índice, los dedos representan el vector de velocidad, el vector de campo magnético y el vector de fuerza, respectivamente. Véase también regla de la mano derecha .

Dipolos magnéticos

Una fuente muy común de campo magnético que se encuentra en la naturaleza es un dipolo , con un " polo sur " y un " polo norte ", términos que se remontan al uso de imanes como brújulas, interactuando con el campo magnético de la Tierra para indicar el norte y el sur. el mundo . Dado que los extremos opuestos de los imanes son atraídos, el polo norte de un imán es atraído por el polo sur de otro imán. El Polo Norte Magnético de la Tierra (actualmente en el Océano Ártico, al norte de Canadá) es físicamente un polo sur, ya que atrae al polo norte de una brújula. Un campo magnético contiene energía y los sistemas físicos se mueven hacia configuraciones con menor energía. Cuando se coloca material diamagnético en un campo magnético, un dipolo magnético tiende a alinearse en polaridad opuesta a ese campo, reduciendo así la intensidad neta del campo. Cuando se coloca material ferromagnético dentro de un campo magnético, los dipolos magnéticos se alinean con el campo aplicado, expandiendo así las paredes de los dominios magnéticos.

Monopolos magnéticos

Dado que una barra magnética obtiene su ferromagnetismo de los electrones distribuidos uniformemente por toda la barra, cuando una barra magnética se corta por la mitad, cada una de las piezas resultantes es una barra magnética más pequeña. Aunque se dice que un imán tiene un polo norte y un polo sur, estos dos polos no pueden separarse entre sí. Un monopolo (si tal cosa existe) sería un tipo de objeto magnético nuevo y fundamentalmente diferente. Actuaría como un polo norte aislado, no unido a un polo sur, o viceversa. Los monopolos transportarían una "carga magnética" análoga a la carga eléctrica. A pesar de las búsquedas sistemáticas desde 1931, hasta 2010 ^[update]nunca han sido observados y es muy posible que no existan. ^[22]

Sin embargo, algunos modelos de física teórica predicen la existencia de estos monopolos magnéticos . Paul Dirac observó en 1931 que, debido a que la electricidad y el magnetismo muestran cierta simetría , así como la teoría cuántica predice que se pueden observar cargas eléctricas positivas o negativas individuales sin la carga opuesta, deberían ser observables polos magnéticos sur o norte aislados. Utilizando la teoría cuántica, Dirac demostró que si existen monopolos magnéticos, entonces se podría explicar la cuantificación de la carga eléctrica, es decir, por qué las partículas elementales observadas portan cargas que son múltiplos de la carga del electrón.

Ciertas grandes teorías unificadas predicen la existencia de monopolos que, a diferencia de las partículas elementales, son solitones (paquetes de energía localizados). Los resultados iniciales del uso de estos modelos para estimar el número de monopolos creados en el Big Bang contradecían las observaciones cosmológicas: los monopolos habrían sido tan abundantes y masivos que habrían detenido hace mucho tiempo la expansión del universo. Sin embargo, la idea de inflación (para la cual este problema sirvió como motivación parcial) logró resolver este problema, creando modelos en los que existían monopolos pero eran lo suficientemente raros como para ser consistentes con las observaciones actuales. ^[23]

Unidades

SI

Otro

• gauss : unidad de campo magnético centímetro-gramo-segundo (CGS) (denominada B ).
• oersted : la unidad CGS de campo magnetizante (denotada como H )
• maxwell : la unidad CGS para flujo magnético
• gamma: una unidad de densidad de flujo magnético que se usaba comúnmente antes de que entrara en uso el tesla (1,0 gamma = 1,0 nanotesla)
• μ ₀ – símbolo común para la permeabilidad del espacio libre ( 4π × 10 ⁻⁷ newton /( amperio-vuelta ) ² )

Cosas vivas

Una rana viva levita dentro de un orificio vertical de 32 mm de diámetro de un solenoide Bitter en un campo magnético muy fuerte, alrededor de 16 teslas.

Algunos organismos pueden detectar campos magnéticos, fenómeno conocido como magnetocepción . Algunos materiales de los seres vivos son ferromagnéticos, aunque no está claro si las propiedades magnéticas cumplen una función especial o son simplemente un subproducto de contener hierro. Por ejemplo, los quitones , un tipo de molusco marino, producen magnetita para endurecer sus dientes, e incluso los humanos producen magnetita en los tejidos corporales. ^[25] La magnetobiología estudia los efectos de los campos magnéticos en los organismos vivos; Los campos producidos naturalmente por un organismo se conocen como biomagnetismo . Muchos organismos biológicos están compuestos principalmente de agua y, como el agua es diamagnética , campos magnéticos extremadamente fuertes pueden repeler estos seres vivos.

Interpretación del magnetismo mediante velocidades relativas.

En los años posteriores a 1820, André-Marie Ampère llevó a cabo numerosos experimentos en los que midió las fuerzas entre corrientes continuas. En particular, también estudió las fuerzas magnéticas entre cables no paralelos ^[26] . El resultado final de su trabajo fue una ley de fuerza que ahora lleva su nombre. En 1835, Carl Friedrich Gauss se dio cuenta ^[27] de que la ley de fuerza de Ampère en su forma original puede explicarse mediante una generalización de la ley de Coulomb .

La ley de fuerza de Gauss establece que la fuerza electromagnética experimentada por una carga puntual, con trayectoria , en las proximidades de otra carga puntual, con trayectoria , en el vacío es igual a la fuerza central ${\textstyle \mathbf {F} _{1}}$ ${\displaystyle q_{1}}$ ${\displaystyle \mathbf {r} _{1}(t)}$ ${\displaystyle q_{2}}$ ${\displaystyle \mathbf {r} _{2}(t)}$

${\displaystyle \mathbf {F} _{1}={\frac {q_{1}\,q_{2}}{4\,\pi \,\epsilon _{0}}}\,{\frac {\mathbf {r} }{|\mathbf {r} |^{3}}}\,\left(1+{\frac {|\mathbf {v} |^{2}}{c^{2}}}-{\frac {3}{2}}\,\left({\frac {\mathbf {r} }{|\mathbf {r} |}}\cdot {\frac {\mathbf {v} }{c}}\right)^{2}\right)}$,

donde es la distancia entre las cargas y es la velocidad relativa. Wilhelm Eduard Weber confirmó la hipótesis de Gauss en numerosos experimentos ^{[28] [29] [30]} . Mediante la electrodinámica de Weber es posible explicar los efectos estáticos y cuasiestáticos en el régimen no relativista de la electrodinámica clásica sin campo magnético ni fuerza de Lorentz . ${\textstyle \mathbf {r} =\mathbf {r} _{1}(t)-\mathbf {r} _{2}(t)}$ ${\textstyle \mathbf {v} ={\dot {\mathbf {r} }}_{1}(t)-{\dot {\mathbf {r} }}_{2}(t)}$

Desde 1870 se desarrolló la electrodinámica de Maxwell , que postula la existencia de campos eléctricos y magnéticos. En la electrodinámica de Maxwell, la fuerza electromagnética real se puede calcular utilizando la fuerza de Lorentz, que, al igual que la fuerza de Weber, depende de la velocidad. Sin embargo, la electrodinámica de Maxwell no es totalmente compatible con el trabajo de Ampère, Gauss y Weber en el régimen cuasiestático. En particular, la ley de fuerza original de Ampère y la ley de Biot-Savart sólo son equivalentes si el bucle conductor que genera el campo está cerrado ^[31] . Por tanto, la electrodinámica de Maxwell representa una ruptura con la interpretación del magnetismo de Gauss y Weber, ya que en la electrodinámica de Maxwell ya no es posible deducir la fuerza magnética a partir de una fuerza central.

Origen mecánico-cuántico del magnetismo.

Si bien se pueden formular explicaciones heurísticas basadas en la física clásica, el diamagnetismo, el paramagnetismo y el ferromagnetismo sólo pueden explicarse completamente utilizando la teoría cuántica. ^{[32] [33] Ya en 1927} Walter Heitler y Fritz London desarrollaron un modelo exitoso, quienes dedujeron, mediante mecánica cuántica, cómo se forman las moléculas de hidrógeno a partir de átomos de hidrógeno, es decir, a partir de los orbitales atómicos del hidrógeno y centradas en los núcleos A. y B , ver más abajo. Que esto conduzca al magnetismo no es del todo obvio, pero se explicará a continuación. ${\displaystyle u_{A}}$ ${\displaystyle u_{B}}$

Según la teoría de Heitler-London se forman los llamados orbitales moleculares de dos cuerpos, es decir, el orbital resultante es: ${\displaystyle \sigma }$

${\displaystyle \psi (\mathbf {r} _{1},\,\,\mathbf {r} _{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(u_{A}(\mathbf {r} _{1})u_{B}(\mathbf {r} _{2})+u_{B}(\mathbf {r} _{1})u_{A}(\mathbf {r} _{2})\right)}$

Aquí el último producto significa que un primer electrón, r ₁ , está en un orbital atómico de hidrógeno centrado en el segundo núcleo, mientras que el segundo electrón gira alrededor del primer núcleo. Este fenómeno de "intercambio" es una expresión de la propiedad de la mecánica cuántica de que no se pueden distinguir partículas con propiedades idénticas. Es específico no sólo para la formación de enlaces químicos , sino también para el magnetismo. Es decir, en este sentido surge el término interacción de intercambio , término esencial para el origen del magnetismo y que es más fuerte, aproximadamente en 100 o incluso en 1.000 factores, que las energías que surgen de la interacción electrodinámica dipolo-dipolo.

En cuanto a la función de espín , que es responsable del magnetismo, tenemos el principio de Pauli ya mencionado, es decir, que un orbital simétrico (es decir, con el signo + como arriba) debe multiplicarse por una función de espín antisimétrica (es decir, con el signo -). , y viceversa . De este modo: ${\displaystyle \chi (s_{1},s_{2})}$

${\displaystyle \chi (s_{1},\,\,s_{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(\alpha (s_{1})\beta (s_{2})-\beta (s_{1})\alpha (s_{2})\right)}$,

Es decir, no sólo y debe ser sustituido por α y β , respectivamente (la primera entidad significa "girar hacia arriba", la segunda "girar hacia abajo"), sino también el signo + por el signo −, y finalmente r _i por el discreto valores s _i (= ± 1 ⁄ 2 ); por lo tanto tenemos y . El " estado singlete ", es decir, el signo -, significa: los espines son antiparalelos , es decir, para los sólidos tenemos antiferromagnetismo , y para las moléculas de dos átomos tenemos diamagnetismo . La tendencia a formar un enlace químico (homeopolar) (es decir, la formación de un orbital molecular simétrico , es decir, con el signo +) resulta automáticamente, según el principio de Pauli, en un estado de espín antisimétrico (es decir, con el signo -). Por el contrario, la repulsión de Coulomb de los electrones, es decir, la tendencia a evitarse entre sí mediante esta repulsión, conduciría a una función orbital antisimétrica (es decir, con el signo -) de estas dos partículas, y complementaria a una función de espín simétrica . (es decir, con el signo +, una de las llamadas " funciones tripletes "). Así, ahora los espines serían paralelos ( ferromagnetismo en un sólido, paramagnetismo en gases biatómicos). ${\displaystyle u_{A}}$ ${\displaystyle u_{B}}$ ${\displaystyle \alpha (+1/2)=\beta (-1/2)=1}$ ${\displaystyle \alpha (-1/2)=\beta (+1/2)=0}$

Esta última tendencia domina en los metales hierro , cobalto y níquel , así como en algunas tierras raras, que son ferromagnéticas . La mayoría de los demás metales en los que predomina la tendencia mencionada en primer lugar son no magnéticos (p. ej ., sodio , aluminio y magnesio ) o antiferromagnéticos (p. ej., manganeso ). Los gases diatómicos también son casi exclusivamente diamagnéticos y no paramagnéticos. Sin embargo, la molécula de oxígeno, debido a la participación de los orbitales π, es una excepción importante para las ciencias de la vida.

Las consideraciones de Heitler-London pueden generalizarse al modelo de magnetismo de Heisenberg (Heisenberg 1928).

Por tanto, la explicación de los fenómenos se basa esencialmente en todas las sutilezas de la mecánica cuántica, mientras que la electrodinámica cubre principalmente la fenomenología.

Ver también

• coercitividad
• Gravitomagnetismo
• Histéresis magnética
• Magnetar
• rodamiento magnético
• circuito magnético
• Enfriamiento magnético
• Película de visualización de campo magnético
• Agitador magnético
• Estructura magnética
• Micromagnetismo
• Imán de neodimio
• Imán de plástico
• Imán de tierras raras
• onda de giro
• Magnetización espontánea
• Magnetómetro de muestras vibratorias
• Libros de texto sobre electromagnetismo.

Referencias

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Otras lecturas

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Bibliografía

• The Exploratorium Science Snacks – Tema: Física/Electricidad y Magnetismo
• Una colección de estructuras magnéticas – MAGNDATA