Propiedades Magneticas de los materiales

PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS MATERIALES

El magnetismo se define como el fenómeno físico por medio del cual ciertos materiales tienen la capacidad de atraer o repeler a otros materiales, basándose su origen en el movimiento de partículas cargadas el magnetismo forma parte de la fuerza electromagnética siendo una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza y este puede representarse o manifestarse por medio de un campo magnético. El concepto de campo magnético se deriva, históricamente, de la tendencia observada de la brújula a apuntar en una dirección particular: “la dirección de campo”. Un campo puede ser visualizado como un campo electrostático, en términos de “líneas de fuerza” cuya dirección es, en todo punto, la dirección del campo.

Líneas imaginarias de fuerza, que son el camino que sigue la fuerza magnética y que son conocidas también como líneas de flujo magnético. Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro también puede atraer al cobalto y al níquel. Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales como la magnetita Fe3O4 o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Un imán permanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado.

La región del espacio donde se manifiesta la acción del imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste; se representa con la letra B.

Ilustración 1 Líneas de campo magnético en un imán.

En un imán todos los electrones tienen la misma orientación creando una fuerza magnética. Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que anula ambas fuerzas se denomina teoría electromagnética.

En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.

El campo magnético en la superficie de la tierra varia en magnitud entre aproximadamente 3.5x10-5 N/A/m en el ecuador magnético, donde es horizontal, hasta casi 7x10-5 N/A/m en los polos magnéticos donde es vertical. Este campo presenta muchas irregularidades, las cuales se deben parcialmente a la distribución dispar de los materiales magnéticos en la corteza terrestre y parcialmente a las corrientes en la atmosfera.1

Según Amper en los primeros años del siglo XIX, al observar que un solenoide se comporta como un imán, propuso una teoría del magnetismo, en la que todos los imanes se comportan simplemente como sistemas por los que circula una corriente. Él consideraba que cada partícula de un imán tenía en torno suyo una “corriente ecuatorial” que producía el efecto de los polos magnéticos y atribuía el magnetismo terrestre simplemente a corrientes que fluían en torno a la tierra. La interpretación de los fenómenos magnéticos en términos de “polos”, estaba tan firmemente establecida que no podía ser rota con facilidad.

La inducción magnética como el proceso de magnetización de una barra de acero mediante la circulación de corriente a través de una alambre enrollado a ella, son ejemplos en los cuales el hierro y el acero se convierten en imanes mediante la aplicación de un campo magnético debido a un agente externo. En un anillo toroidal si el embobinado se ha llenado con hierro, entonces e campo producido por una corriente aplicada por cierto número de vueltas por unidad de longitud debe definir radicalmente en valor de μₒnI, con esto se deduce que según el material con el que se llene el espacio del embobinado e producen diferentes efectos con la misma causa; esta causa se puede considerar como el producto de nI, de acá se puede identificar la causa con la letra H;

H = nI

A esta cantidad se le llama fuerza magnetizadora. Como H es la corriente efectiva circulante en torno a cada unidad de longitud del embobinado, su unidad es el Amper por metro.

Al omitir μₒ de la definición de H, las dimensiones de B y H deben ser diferentes, debido a que μₒ no es un valor adimensional. Siempre se considera a H de la misma forma que a B, como un campo medido por la corriente nI de un embobinado toroidal mediante el cual ha sido producido.

INTERACCIONES ENTRE LOS ESPINES

Las interacciones entre los espines son originadas por mecanismos diversos, algunos de los cuales no son del todo conocidos. Sin embargo, para nuestra discusión, únicamente es pertinente conocer el efecto de dichas interacciones, sin importar las causas que las originan. Lo que sí es necesario señalar es que debido a un principio muy general de la naturaleza, la orientación final de los espines será aquella en donde la energía libre del sistema sea mínima. Para explicar a qué nos referimos, haremos una analogía entre un par de espines microscópicos y dos imanes permanentes. Esta analogía nos permitirá hacernos una idea acerca de lo que sucede a nivel molecular.

Si tomamos dos imanes permanentes, observaremos que los extremos de uno y otro se atraen o se repelen, debido a que cada uno de ellos tiene dos tipos de polos magnéticos. Como consecuencia, si los ponemos en contacto veremos que tienden a alinearse de una cierta manera que resulta "natural" para ellos. Decimos entonces que los imanes han tomado su posición de mínima energía, o de equilibrio. Si ahora tratamos de girar uno de ellos 180°, veremos que necesitamos hacer un trabajo; esto es, dado que esta nueva posición es de energía mayor que la anterior, necesitaremos suministrar energía para lograr y mantener esta nueva posición, ya que en el momento en que dejemos de administrar esta energía extra, o sea, en cuanto dejemos de hacer fuerza para detener a los imanes y les permitamos girar libremente, éstos cambiarán de dirección y se alinearán de nueva cuenta en su antigua dirección, esto es, regresarán a su estado de mínima energía.

Algo similar sucede a nivel microscópico con los materiales a que nos hemos referido, únicamente que en vez de tener un par de imanes, tendremos un número del orden de 1023 pequeños imanes interactuando entre sí. Entonces, cada par de espines tratará localmente de orientarse de la forma más natural posible, es decir, de manera que la energía de ese par sea mínima. Como resultado de este proceso

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