Magnetización

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Scientists Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Helmholtz Henry Hertz Hopkinson Jefimenko Joule Kelvin Kirchhoff Larmor Lenz Liénard Lorentz Maxwell Neumann Ohm Ørsted Poisson Poynting Ritchie Savart Singer Steinmetz Tesla Thomson Volta Weber Wiechert
v t e

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. En consecuencia, los físicos e ingenieros suelen definir la magnetización como la cantidad de momento magnético por unidad de volumen. ^[1] Se representa mediante 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 un material responde a un campo magnético aplicado , así como la forma en que el material cambia el campo magnético, y puede utilizarse para calcular las fuerzas que resultan de esas interacciones.

El origen de los momentos magnéticos responsables de la magnetización puede ser tanto corrientes eléctricas microscópicas resultantes del movimiento de los electrones en los átomos , como el giro 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 magnetización fuerte 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:$${\displaystyle \mathbf {M} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {m} }{\mathrm {d} V}}}$$

Donde es 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: donde es el momento dipolar eléctrico elemental.${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {m} }$${\displaystyle \mathrm {d} V}$$${\displaystyle \mathbf {m} =\iiint \mathbf {M} \,\mathrm {d} V}$$ $${\displaystyle \mathbf {P} ={\mathrm {d} \mathbf {p} \over \mathrm {d} V},\quad \mathbf {p} =\iiint \mathbf {P} \,\mathrm {d} V,}$$${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {p} }$

Estas definiciones de P y M como "momentos por unidad de volumen" son ampliamente adoptadas, aunque en algunos casos pueden conducir a ambigüedades y paradojas. ^[1]

El campo M se mide en amperios por metro (A/m) en unidades del SI . ^[2]

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 . A continuación se describe el papel de la magnetización.

La magnetización define el campo magnético auxiliar H como

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

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

lo cual es conveniente para diversos cálculos. La permeabilidad al vacío μ ₀ es, aproximadamente,4π × 10 ⁻⁷  V · s /( A · m ).

Existe una relación entre M y H en muchos materiales. En los diaimanes y paraimanes , 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, la densidad de energía magnética ) del paramagnético (o diamagnético) 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 paramagnético (o diamagnético) por unidad de volumen (es decir, densidad de fuerza).

En los diamagnéticos ( ) y paramagnéticos ( ), 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 correspondencia biunívoca 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]

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

Esto es directamente análogo a la polarización eléctrica , . La polarización magnética difiere 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 da con la unidad amperio/metro, la polarización magnética se da con la unidad tesla.

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 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

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

Estas ecuaciones se pueden resolver en analogía con los 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 ; (véase también campo desmagnetizante ).

El comportamiento dependiente del tiempo de la magnetización se vuelve importante cuando se considera la magnetización en escalas de tiempo nanométricas y nanométricas. 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.

La inversión de magnetización, también conocida como conmutación, se refiere al proceso que lleva 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 en el 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 sabe hoy en día, solo hay 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

La desmagnetización es la reducción o eliminación de la magnetización. ^[7] Una forma de hacerlo 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 la atraviesa, lo que da lugar a campos que se oponen a la magnetización. ^[8]

Una de las aplicaciones de la desmagnetización es la eliminación de campos magnéticos no deseados. Por ejemplo, los campos magnéticos pueden interferir con dispositivos electrónicos como teléfonos celulares u ordenadores, y con el mecanizado al hacer que los recortes se adhieran a su material original. ^[8]

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