En electromagnetismo , la permeabilidad es la medida de la magnetización producida en un material en respuesta a un campo magnético aplicado . La permeabilidad suele representarse con la letra griega μ (en cursiva) . Es la relación entre la inducción magnética y el campo magnetizante en función del campo en un material. El término fue acuñado por William Thomson, primer barón Kelvin en 1872, [1] y utilizado junto con la permitividad por Oliver Heaviside en 1885. El recíproco de la permeabilidad es la reluctividad magnética .
En unidades del SI , la permeabilidad se mide en henrios por metro (H/m), o equivalentemente en newtons por amperio cuadrado (N/A 2 ). La constante de permeabilidad μ 0 , también conocida como constante magnética o permeabilidad del espacio libre, es la proporcionalidad entre la inducción magnética y la fuerza magnetizante al formar un campo magnético en un vacío clásico .
Una propiedad estrechamente relacionada de los materiales es la susceptibilidad magnética , que es un factor de proporcionalidad adimensional que indica el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético aplicado.
En la formulación macroscópica del electromagnetismo aparecen dos tipos diferentes de campo magnético :
El concepto de permeabilidad surge porque en muchos materiales (y en el vacío), existe una relación simple entre H y B en cualquier lugar o momento, en el sentido de que los dos campos son precisamente proporcionales entre sí: [2]
donde el factor de proporcionalidad μ es la permeabilidad, que depende del material. La permeabilidad del vacío (también conocida como permeabilidad del espacio libre) es una constante física, denotada μ 0 . Las unidades SI de μ son voltios-segundos/amperímetro, equivalentemente henrio /metro. Normalmente μ sería un escalar, pero para un material anisotrópico, μ podría ser un tensor de segundo rango .
Sin embargo, dentro de materiales magnéticos fuertes (como el hierro o los imanes permanentes ), normalmente no existe una relación simple entre H y B. El concepto de permeabilidad entonces no tiene sentido o al menos sólo es aplicable a casos especiales como los núcleos magnéticos insaturados . Estos materiales no sólo tienen un comportamiento magnético no lineal, sino que a menudo hay una histéresis magnética significativa, por lo que ni siquiera existe una relación funcional de un solo valor entre B y H. Sin embargo, considerando comenzar con un valor dado de B y H y cambiar ligeramente los campos, todavía es posible definir una permeabilidad incremental como: [2]
suponiendo que B y H son paralelos.
En la formulación microscópica del electromagnetismo , donde no existe el concepto de campo H , la permeabilidad al vacío μ 0 aparece directamente (en las ecuaciones de SI Maxwell) como un factor que relaciona las corrientes eléctricas totales y los campos eléctricos variables en el tiempo con el campo B. generar. Para representar la respuesta magnética de un material lineal con permeabilidad μ , éste aparece como una magnetización M que surge en respuesta al campo B : . La magnetización, a su vez, es una contribución a la corriente eléctrica total: la corriente de magnetización .
La permeabilidad relativa, denotada por el símbolo , es la relación entre la permeabilidad de un medio específico y la permeabilidad del espacio libre μ 0 :
donde 4 π × 10 −7 H/m es la permeabilidad magnética del espacio libre . [3] En términos de permeabilidad relativa, la susceptibilidad magnética es
El número χ m es una cantidad adimensional , a veces llamada susceptibilidad volumétrica o masiva , para distinguirla de χ p ( masa magnética o susceptibilidad específica ) y χ M ( susceptibilidad molar o de masa molar ).
El diamagnetismo es la propiedad de un objeto que hace que cree un campo magnético en oposición a un campo magnético aplicado externamente, provocando así un efecto repulsivo. Específicamente, un campo magnético externo altera la velocidad orbital de los electrones alrededor de los núcleos de sus átomos, cambiando así el momento dipolar magnético en la dirección opuesta al campo externo. Los diamagnetos son materiales con una permeabilidad magnética inferior a μ 0 (una permeabilidad relativa inferior a 1).
En consecuencia, el diamagnetismo es una forma de magnetismo que una sustancia exhibe sólo en presencia de un campo magnético aplicado externamente. Generalmente es un efecto bastante débil en la mayoría de los materiales, aunque los superconductores exhiben un efecto fuerte.
El paramagnetismo es una forma de magnetismo que se produce sólo en presencia de un campo magnético aplicado externamente. Los materiales paramagnéticos son atraídos por los campos magnéticos y, por lo tanto, tienen una permeabilidad magnética relativa mayor que uno (o, de manera equivalente, una susceptibilidad magnética positiva ).
El momento magnético inducido por el campo aplicado es lineal en la intensidad del campo y es bastante débil . Por lo general, se requiere una balanza analítica sensible para detectar el efecto. A diferencia de los ferromagnetos , los paramagnetos no retienen ninguna magnetización en ausencia de un campo magnético aplicado externamente, porque el movimiento térmico hace que los espines se orienten aleatoriamente sin él. Por lo tanto, la magnetización total caerá a cero cuando se elimine el campo aplicado. Incluso en presencia del campo, sólo hay una pequeña magnetización inducida porque sólo una pequeña fracción de los espines estarán orientadas por el campo. Esta fracción es proporcional a la intensidad del campo y esto explica la dependencia lineal. La atracción que experimentan los ferromagnetos no es lineal y es mucho más fuerte, por lo que se puede observar fácilmente, por ejemplo, en los imanes de un frigorífico.
Para medios giromagnéticos (ver rotación de Faraday ), la respuesta de permeabilidad magnética a un campo electromagnético alterno en el dominio de la frecuencia de microondas se trata como un tensor no diagonal expresado por: [4]
La siguiente tabla debe usarse con precaución ya que la permeabilidad de los materiales ferromagnéticos varía mucho según la intensidad del campo y la composición y fabricación específicas. Por ejemplo, el 4% de acero eléctrico tiene una permeabilidad relativa inicial (en o cerca de 0 T) de 2000 y un máximo de 38 000 en T = 1 [5] [6] y un rango diferente de valores en diferentes porcentajes de Si y proceso de fabricación. y, de hecho, la permeabilidad relativa de cualquier material con una intensidad de campo suficientemente alta tiende hacia 1 (en saturación magnética).
Un buen material de núcleo magnético debe tener una alta permeabilidad. [35]
Para la levitación magnética pasiva se necesita una permeabilidad relativa inferior a 1 (correspondiente a una susceptibilidad negativa).
La permeabilidad varía con un campo magnético. Los valores mostrados arriba son aproximados y válidos sólo en los campos magnéticos mostrados. Se dan para una frecuencia cero; en la práctica, la permeabilidad es generalmente función de la frecuencia. Cuando se considera la frecuencia, la permeabilidad puede ser compleja , correspondiente a la respuesta en fase y desfasada.
Una herramienta útil para abordar los efectos magnéticos de alta frecuencia es la permeabilidad compleja. Mientras que a bajas frecuencias en un material lineal el campo magnético y el campo magnético auxiliar son simplemente proporcionales entre sí a través de cierta permeabilidad escalar, a altas frecuencias estas cantidades reaccionarán entre sí con cierto retraso. [36] Estos campos se pueden escribir como fasores , de modo que
¿Dónde está el retraso de fase de from ?
Entendiendo la permeabilidad como la relación entre la densidad del flujo magnético y el campo magnético, la relación de los fasores se puede escribir y simplificar como
de modo que la permeabilidad se convierte en un número complejo.
Según la fórmula de Euler , la permeabilidad compleja se puede traducir de forma polar a rectangular,
La relación entre la parte imaginaria y la real de la permeabilidad compleja se llama tangente de pérdida ,
que proporciona una medida de cuánta energía se pierde en el material versus cuánta se almacena.