Magnetización

Cantidad física, densidad de momento magnético por volumen.

Este artículo trata sobre la magnetización tal como aparece en las ecuaciones de Maxwell de la electrodinámica clásica. Para obtener una descripción microscópica de cómo reaccionan los materiales magnéticos a un campo magnético, consulte magnetismo . Para obtener una descripción matemática de los campos que rodean los imanes y las corrientes, consulte campo magnético .

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Científicos Amperio Biot Culombio Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Enrique Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Cantante Tesla Volta Weber Poisson
v t mi

En el electromagnetismo clásico , la magnetización es el campo vectorial que expresa la densidad de momentos dipolares magnéticos permanentes o inducidos en un material magnético. El movimiento dentro de este campo se describe por dirección y es Axial o Diamétrico. 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 giro de los electrones o los núcleos. La magnetización neta resulta de la respuesta de un material a un campo magnético externo . Paramagnéticolos materiales 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, pero puede variar entre diferentes puntos. 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. Se puede comparar conpolarización eléctrica , que es la medida de la respuesta correspondiente de un material a un campo eléctrico en electrostática . Los físicos e ingenieros suelen definir la magnetización como la cantidad de momento magnético por unidad de volumen. ^[1] Está representado por un pseudovector M .

Definición

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

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

Donde 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 colector en cuestión. Esto se ilustra mejor a través de la siguiente relación:${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {m} }$${\displaystyle \mathrm {d} V}$

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

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 colector similar con tal polarización:

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

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

Esas definiciones de P y M como "momentos por unidad de volumen" se adoptan ampliamente, aunque en algunos casos pueden conducir 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 ), los campos eléctricos ( E , D ), la densidad de carga ( ρ ) y la 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

Artículo principal: campo magnético

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 )

que es conveniente para varios cálculos. La permeabilidad al vacío μ ₀ es, por definición,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 denomina susceptibilidad magnética volumétrica y μ se denomina 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 diamagnets ( ) y paramagnets ( ), normalmente , y por lo tanto .${\displaystyle \chi <0}$${\displaystyle \chi >0}$${\displaystyle |\chi |\ll 1}$${\displaystyle \mathbf {M} \approx \chi {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}}$

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

Polarización magnética

Alternativamente a la magnetización, se puede definir la polarización magnética , I (a menudo se usa 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 a 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 típicamente 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, las corrientes volumétricas ligadas (flechas azules) y las corrientes superficiales ligadas (flechas rojas) aparecen en el medio.

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 cargas libres (también llamada la corriente libre ), el segundo término es la contribución de la magnetización, y el último término está relacionado con la polarización eléctrica P .

Magnetostática

Artículo principal: Magnetostática

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

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

Estas ecuaciones se pueden resolver en analogía con problemas electrostáticos donde

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

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 de desmagnetización ).

Dinámica

Artículo principal: dinámica de magnetización

El comportamiento de la magnetización dependiente del tiempo se vuelve importante 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 precesar alrededor del campo aplicado y se alinean a través de la 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, de 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 las unidades de disco duro modernas . ^[5] Como se conoce hoy en día, solo hay algunas formas posibles de revertir 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

Artículo principal: 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 con corriente alterna que lo atraviesa, 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 celulares o computadoras, y con el mecanizado al hacer que los esquejes se adhieran a sus padres. ^[8]

Ver también

Busque magnetización en Wikcionario, el diccionario gratuito.

• Magnetómetro
• Magnetización orbital

Referencias

1. C.A. Gonano; RE Zich; M. Mussetta (2015). "Definición de polarización P y magnetización M totalmente coherente con las ecuaciones de Maxwell" (PDF) . Progresar en la Investigación de Electromagnetismo 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 vinculadas" (PDF) . Revista estadounidense de física . 81 (3): 202-205. Código bibliográfico : 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), Physical Review Letters 99, 217204
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 por partículas magnéticas . Centro de recursos NDT . Consultado el 18 de abril de 2011 .