Dipolos magnéticos
Dipolos magnéticos
Las fuerzas magnéticas se deben al movimiento de partículas con carga eléctrica.
En los materiales magnéticos existen dipolos magnéticos semejantes a los dipolos eléctricos, que pueden considerarse como imanes minúsculos formados por un polo norte y un polo sur. Un dipolo suele representarse con una flecha en la dirección S → N. Un dipolo magnético se crea, por ejemplo, cuando una corriente eléctrica de intensidad circula por una espira.
Se define el momento magnético dipolar μ = I · S, donde I es la intensidad de corriente que circula por la espira y S es el vector superficie (o área) de la espira.
Cuando un dipolo magnético se encuentra en un campo magnético, tiende a orientarse en la dirección de dicho campo, de la misma forma que una brújula se alinea con el campo magnético terrestre.
Clases de sólidos según la susceptibilidad magnética
Según los valores de la susceptibilidad magnética χm podemos distinguir tres clases principales de sólidos:
- Diamagnéticos: χm < 0.
- Paramagnéticos: χm > 0 (pequeño y positivo).
- Ferromagnéticos: χm → ∞ (valor efectivo muy grande en comparación con los anteriores).
El comportamiento magnético de un material depende de la respuesta de los dipolos magnéticos atómicos y electrónicos a la aplicación de un campo magnético externo.
Momentos magnéticos del electrón
El electrón tiene momentos magnéticos relacionados con:
- Su movimiento orbital alrededor del núcleo. El electrón puede ser considerado como una pequeña espira de corriente con un momento magnético a lo largo de su eje de rotación.
- El momento magnético de espín de cada electrón, que vale aproximadamente ±μB, donde μB es el magnetón de Bohr, con valor μB ≈ 9,27 · 10−24 A·m2.
- La contribución del momento magnético orbital es ml · μB, donde ml es el número cuántico magnético del electrón.
Efecto de la temperatura
Efecto de la temperatura
- La agitación térmica tiende a desalinear los dominios magnéticos.
- Por encima de la temperatura de Curie (TC), el material ferromagnético se vuelve paramagnético, porque los efectos térmicos de desorden superan a los efectos de alineamiento de la interacción magnética entre dominios.
- A temperaturas por debajo de la temperatura de Curie, la energía térmica no es suficiente para desmagnetizar un material magnetizado de forma espontánea.
El ferromagnetismo es, pues, una transición de fase con una temperatura crítica: la temperatura de Curie.
Energías asociadas al magnetismo
Energía de canje
Es proporcional a la diferencia de energía entre los estados ferromagnético y antiferromagnético (espines paralelos o antiparalelos). Normalmente la energía es menor cuando los espines se disponen antiparalelamente al solaparse las funciones de onda de dos electrones; en los únicos materiales en que esto no sucede es precisamente en los ferromagnéticos.
Energía de anisotropía
Energía de anisotropía
Llamada también energía magnetocristalina, hace que la imantación se oriente preferentemente a lo largo de ciertas direcciones cristalográficas llamadas «direcciones de fácil imantación». Es debida a interacciones electrostáticas asociadas a distribuciones electrónicas.
Energía de la pared de dominios
Energía de la pared de dominios
La pared de dominios o pared de Bloch es la zona de transición que separa dos dominios magnéticos adyacentes. La variación del espín ocurre de forma gradual sobre un gran número de planos atómicos, porque así se minimiza la energía de canje. Si no existiera energía de anisotropía, la pared engrosaría sin límite, ya que así minimizaríamos la energía de canje. La energía de anisotropía asociada a la pared es proporcional a su espesor.
Energía magnetoestrictiva
Energía magnetoestrictiva
Cuando el material se imanta, la muestra se expande o contrae en la dirección de imantación. Esta deformación elástica reversible inducida magnéticamente se denomina magnetostricción y es del orden de 10−6. Su origen está en el cambio de la longitud de enlace entre átomos cuando el momento magnético de espín rota para alinearse durante la imantación. Los cambios en la dimensión de los dominios harán que estos no encajen exactamente, dando lugar a una energía elástica. El aumento de energía del sistema es una limitación a la formación de dominios.
Energía magnetostática
Energía magnetostática
Es la energía potencial magnética de un material ferromagnético debida al campo magnético externo generado por la propia distribución de magnetización. La figura (no incluida) muestra diferentes configuraciones de dominios y su energía magnetostática asociada. El ciclo de histéresis magnético está por tanto muy ligado a la estructura de dominios del material.
Así como la imantación de saturación queda determinada principalmente por el tipo de material, la imantación remanente o el campo coercitivo dependen también de su microestructura: tamaño de grano, presencia de defectos y su relación con los dominios magnéticos.
Materiales magnéticos: blandos y duros
Materiales blandos
- Ciclos de histéresis estrechos (alta permeabilidad inicial y baja coercitividad).
- Deben alcanzar la saturación con campo pequeño (fácilmente magnetizables y desmagnetizables).
- Se usan en dispositivos sometidos a campos magnéticos alternantes en los que las pérdidas de energía deben ser pequeñas, como en los núcleos de los transformadores.
- Una baja coercitividad (Hc) corresponde a un movimiento fácil de las paredes de dominio ante cambios en la magnitud y/o dirección del campo. Los defectos estructurales (partículas no magnéticas, poros…) restringen el movimiento de las paredes y aumentan la coercitividad, lo que resulta perjudicial en estos materiales.
Materiales magnéticos duros
- Se utilizan en imanes permanentes. Deben tener una alta resistencia a la desmagnetización.
- Tienen remanencia, coercitividad y densidad de flujo de saturación altas; permeabilidad inicial baja y altas pérdidas de energía por histéresis.
- El producto Br × Hc es aproximadamente el doble de la energía necesaria para desmagnetizar la unidad de volumen del material. Cuanto mayor sea este producto, más «duro» magnéticamente es el material.
Tipos de magnetización
Magnetización débil
- Diamagnetismo: dipolos inducidos orientados opuestos al campo aplicado. Átomos con orbitales llenos; no permiten imantación permanente. Orientación aleatoria y contraria al campo. Remanencia (Mr) ≈ 0 y χm < 0.
- Paramagnetismo: alineación parcial de dipolos en dirección al campo aplicado. Átomos con orbitales semillenos; la magnetización es inducida por el campo y no es permanente (Mr ≈ 0). χm > 0 (pequeño).
Magnetización fuerte
- Ferromagnetismo: alineación espontánea de espines dentro de dominios. Orbitales casi llenos; magnetización espontánea y remanente elevada (Mr >> 0). χm >> 0.
- Antiferromagnetismo: compensación de los dipolos en sentidos antiparalelos entre subredes; orbitales parcialmente llenos. Magnetización neta aproximada nula (Mr ≈ 0). χm ≈ 0.
- Ferrimagnetismo: alineamiento espontáneo con direcciones opuestas pero de magnitud desigual, de manera que domina una dirección; orbitales parcialmente llenos y compensación parcial. Presentan magnetización remanente significativa (Mr >> 0) y χm > 0.
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