Conceptos clave dos materiais magnéticos
O Momento Dipolo Magnético
Ao estar expostos ao mesmo campo magnético externo, diferentes materiais poden exhibir respostas moi diferentes. Para explorar as razóns subxacentes, primeiro debemos comprender como os dípolos magnéticos xovernan o comportamento magnético. Esta comprensión comeza coa exploración do momento dipolo magnético.
O momento dipolo magnético, a miúdo referido simplemente como momento magnético, é un concepto fundamental en electromagnetismo. Ofrece unha ferramenta poderosa para entender e cuantificar a interacción entre un bucle portador de corrente e un campo magnético uniforme. O momento magnético dun bucle que ten un área A e porta unha corrente I, defínese do seguinte xeito:
Notar que a área está definida como un vector, o que fai que o momento magnético tamén sexa unha cantidade vectorial. Ambos os vectores teñen a mesma dirección.
A dirección do momento magnético é perpendicular ao plano do bucle. Pode atoparse aplicando a regra da man dereita—Se encrespas os dedos da túa man dereita na dirección do fluxo da corrente, o polegar mostra a dirección do vector do momento magnético. Isto ilustrase na Figura 1.
O momento magnético dun bucle determinase só pola corrente que circula por el e a área que encerra. Permanece inalterado polo formato do bucle.
Couple e o Momento Magnético
Observa a Figura 2, que representa un bucle portador de corrente situado dentro dun campo magnético uniforme.
Na figura presentada arriba:
I representa a corrente.
B denota o vector do campo magnético.
u representa o momento magnético.
θ indica o ángulo entre o vector do momento magnético e o vector do campo magnético.
xa que as forzas que actúan nos lados opostos do bucle se contrarrestan, a forza neta que actúa no bucle suma a cero. Non obstante, o bucle está suxeito a un par magnético. A magnitude deste par exercido no bucle dáse do seguinte xeito:
A partir da ecuación 2, podemos observar claramente que o par (t) está directamente correlacionado co momento magnético. Isto é porque o momento magnético actúa como un imán; cando se coloca nun campo magnético externo, experimenta un par. Este par sempre ten tendencia a rotar o bucle cara á posición de equilibrio estable.
O equilibrio estable lograse cando o campo magnético é perpendicular ao plano do bucle (é dicir, θ=0^o ). Se o bucle rota lixeiramente fora desta posición, o par actuará para restaurar o bucle ao estado de equilibrio. O par tamén é cero cando θ=180^o . No entanto, neste caso, o bucle está nun equilibrio inestable. Unha rotación menor desde θ=180^o causará que o par impulsa o bucle máis lonxe deste punto e cara a θ=0^o .
Por que é importante o Momento Magnético?
Numerosos dispositivos dependen da interacción entre un bucle portador de corrente e un campo magnético. Por exemplo, o par xerado por un motor eléctrico basease na interacción entre o campo magnético do motor e os conductores portadores de corrente. Durante esta interacción, a enerxía potencial varía a medida que os conductores rotan.
É a interacción entre o momento magnético e o campo magnético externo a que dá orixe á enerxía potencial no noso sistema magnético. O ángulo entre estes dous vectores determina a cantidade de enerxía (U) almacenada no sistema, como se mostra na seguinte ecuación:
O seguinte presenta os valores de enerxía almacenada para varias configuracións cruciais:
Cando θ=0^o, o sistema está nun estado de equilibrio estable, e a enerxía almacenada alcanza o seu mínimo, con U=-uB.
Cando θ=90^o, a enerxía almacenada aumentou a U=0.
Cando θ=180^o, a enerxía almacenada alcanza o seu valor máximo, U=uB. Este estado particular representa a posición de equilibrio inestable.
Comprender o Momento Magnético Neto a través do Modelo Atómico
Para comprender comprehensivamente como os materiais magnéticos xeran un campo magnético, é esencial adentrarse na mecánica cuántica. Pero, xa que este tema está máis aló do alcance deste artigo, aínda así podemos aproveitar o concepto do momento magnético e o modelo atómico clásico para obter valiosas percepcións sobre como os materiais interactúan con un campo magnético externo.
Este modelo representa un electrón tanto orbitando o núcleo atómico como girando sobre o seu propio eixo, como se mostra vividamente na Figura 3.
O Momento Magnético Neto de Electrones, Átomos e Obxectos
O movemento orbital dun electrón pode compararse a un pequeno bucle portador de corrente. Como resultado, xera un momento magnético (denotado como (u1) na figura superior). Da mesma forma, o giro do electrón tamén xera un momento magnético (u2). O momento magnético neto dun electrón é a suma vectorial destes dous momentos magnéticos.
Para un átomo, o seu momento magnético neto é a suma vectorial dos momentos magnéticos de todos os seus electrones. Aínda que os protóns nun átomo tamén posúen un dipolo magnético, o seu efecto global xeralmente é negligible en comparación co dos electrones.
O momento magnético neto dun obxecto determinase tomando a suma vectorial dos momentos magnéticos de todos os átomos dentro del.
O Vector Magnetización
As propiedades magnéticas dun material determinanse polos momentos magnéticos das súas partículas constitutivas. Como se discutió anteriormente neste artigo, estes momentos magnéticos poden pensarse como imáns minúsculos. Cando se coloca un material nun campo magnético externo, os momentos magnéticos atómicos dentro do material interactúan co campo aplicado e experimentan un par. Este par ten tendencia a alinear os momentos magnéticos na mesma dirección.
O estado magnético dunha substancia depende de dous factores: o número de momentos magnéticos atómicos presentes no material e o grao da súa alineación. Se os momentos magnéticos xerados por bucles de corrente microscópicos están orientados aleatoriamente, tenderán a anularse uns aos outros, resultando nun campo magnético neto negligible. Para describir o estado magnético da substancia, introducimos o vector magnetización. Defínese como o momento magnético total por unidade de volume da substancia:
onde V representa o volume do material.
Cando o material está exposto a un campo magnético externo, os seus momentos magnéticos tenden a alinarse, levando a un aumento na magnitude do vector magnetización. As características do vector magnetización tamén son influenciadas pola clasificación do material como paramagnético, ferromagnético ou diamagnético.
Os materiais paramagnéticos e ferromagnéticos consisten en átomos con momentos magnéticos permanentes. En contraste, os momentos magnéticos atómicos nos materiais diamagnéticos non son permanentes.
Encontrar o Campo Magnético Total: Permeabilidade e Susceptibilidade
Supoñamos que colocamos un material dentro dun campo magnético. O campo magnético total dentro do material ten dúas orixes distintas:
O campo magnético externo aplicado (B0).
A magnetización do material en resposta ao campo externo (Bm).
O campo magnético total dentro do material é a suma destes dous componentes:
B0 produce un conductor portador de corrente; Bm produce a substancia magnética. Pódese demostrar que Bm é proporcional ao vector magnetización:
onde μ0 é unha constante chamada permeabilidade do espazo libre. Polo tanto, temos:
O vector magnetización tamén está relacionado co campo externo pola seguinte ecuación:
onde a letra grega χ é un factor de proporcionalidade coñecido como susceptibilidade magnética. O valor de χ depende do tipo de material.
Combinando as dúas últimas ecuacións, temos:
A Importancia da Ecuación e a Permeabilidade Relativa
Esta ecuación ten unha interpretación intuitiva: indica que o campo magnético total dentro do material é equivalente ao campo magnético externo aplicado multiplicado polo factor 1+x. Este factor, coñecido como permeabilidade relativa, serve como un parámetro crucial para caracterizar como un material responde a un campo magnético. A permeabilidade relativa xeralmente denótase por ur.
Susceptibilidade Magnética de Diferentes Materiais
A Figura 4 representa o comportamento magnético de tres tipos distintos de materiais cando se colocan nun campo magnético uniforme. A área interior do material representa por un rectángulo amarelo.
Susceptibilidade Magnética de Diferentes Materiais
Na Figura 4(a), as liñas do campo magnético dentro do material están máis separadas en comparación coas exteriores. Isto indica que o campo magnético total dentro dun material diamagnético é lixeiramente máis débil que o campo externo aplicado. Para os materiais diamagnéticos, a susceptibilidade magnética (X) é un valor negativo pequeno. Por exemplo, a 300 K, o cobre ten unha susceptibilidade magnética de –9.8 × 10⁻⁶. Como resultado, o material repelle parcialmente o campo magnético do seu interior.
A Figura 4(b) demuestra a resposta dun material paramagnético. Aquí, as liñas do campo magnético dentro do material están máis concentradas que as do campo externo. Isto implica que o campo magnético total dentro do material é lixeiramente máis forte que o campo externo. Para os materiais paramagnéticos, X é un valor positivo pequeno. Por exemplo, a 300 K, a susceptibilidade magnética do lítio é 2.1 × 10⁻⁵.
Finalmente, na Figura 4(c), o material ferromagnético distorsiona as liñas do campo magnético, facendo que pasen a través do material. O material magnetízase, aumentando significativamente o campo magnético dentro. Para os materiais ferromagnéticos, X ten un valor positivo que vaia de 1,000 a 100,000. Debido á súa alta susceptibilidade magnética, estes materiais xeran un campo magnético moito máis forte que o externo aplicado.
É importante notar que para os materiais ferromagnéticos, X non é unha constante. En consecuencia, a magnetización (M) non é unha función linear do campo magnético externo aplicado (B0).
Conclusión
Os materiais magnéticos son cruciais en unha ampla variedade de aplicacións, incluíndo transformadores, motores e dispositivos de almacenamento de datos. O estado magnético dunha substancia depende do número de momentos magnéticos atómicos no material e de como se alinean na presenza dun campo magnético externo. Como se discutió brevemente, podemos clasificar os materiais magnéticos en tres tipos baseados nestos criterios: paramagnéticos, diamagnéticos e ferromagnéticos. Exploraremos estas categorías con máis detalle nun artigo futuro.
