La propiedad magnética se refiere a la respuesta de un material a un campo magnético aplicado. Las propiedades magnéticas macroscópicas de un material son una consecuencia de las interacciones entre un campo magnético externo y los momentos dipolares magnéticos de los átomos constituyentes. Diferentes materiales reaccionan a la aplicación de un campo magnético de manera diferente. Los efectos más familiares ocurren en materiales ferromagnéticos, que son fuertemente atraídos por campos magnéticos y pueden magnetizarse para convertirse en imanes permanentes, produciendo campos magnéticos ellos mismos. Solo unas pocas sustancias son ferromagnéticas. Los más comunes son el hierro, el cobalto y el níquel y sus aleaciones.
Tipos de magnetismo
Se han observado y clasificado cinco tipos básicos de magnetismo sobre la base del comportamiento magnético de los materiales en respuesta a campos magnéticos a diferentes temperaturas. Desde este punto de vista, este tipo de materiales son:
- Material diamagnético. Los materiales diamagnéticos son aquellos que algunas personas generalmente consideran no magnéticos. Los materiales diamagnéticos son repelidos por un campo magnético; un campo magnético aplicado crea un campo magnético inducido en ellos en la dirección opuesta, provocando una fuerza repulsiva. El diamagnetismo es el resultado de cambios en el movimiento orbital de los electrones inducidos por un campo externo. Los materiales diamagnéticos incluyen agua, madera, la mayoría de los compuestos orgánicos como el petróleo y algunos plásticos, y muchos metales, incluido el cobre, en particular los pesados con muchos electrones centrales, como el mercurio, el oro y el bismuto. El efecto es extremadamente pequeño (con susceptibilidades del orden de -10-5) y en oposición al campo aplicado. Los materiales diamagnéticos, como el agua o los materiales a base de agua, tienen una permeabilidad magnética relativa menor o igual a 1 y, por lo tanto, una susceptibilidad magnética menor o igual a 0, ya que la susceptibilidad se define como χv = μv – 1 Los materiales diamagnéticos y paramagnéticos se consideran no magnéticos porque las magnetizaciones son relativamente pequeñas y persisten sólo mientras está presente un campo aplicado. Si χ ( susceptibilidad magnética) es negativo, el material es diamagnético. En este caso, el campo magnético del material se debilita por la magnetización inducida. Los materiales diamagnéticos son repelidos por campos magnéticos. Por ejemplo, la susceptibilidad magnética de diamagnetos como el agua es χv = −9,05 × 10−6. El material más fuertemente diamagnético es el bismuto, χv = −1,66 × 10−4. Generalmente, se dice que los materiales no magnéticos son paramagnéticos o diamagnéticos porque no poseen magnetización permanente sin un campo magnético externo.
- Materiales paramagnéticos. Los materiales paramagnéticos son aquellos que tienen dipolos atómicos permanentes, sobre los que se actúa individualmente y se alinean en la dirección de un campo externo. Los materiales diamagnéticos y paramagnéticos se consideran no magnéticos porque las magnetizaciones son relativamente pequeñas y persisten solo mientras está presente un campo aplicado. Si χ (susceptibilidad magnética) es positivo, un material puede ser paramagnético. En este caso, el campo magnético del material se ve reforzado por la magnetización inducida. Los materiales paramagnéticos incluyen la mayoría de los elementos químicos y algunos compuestos. Tienen una permeabilidad magnética relativa ligeramente superior a 1 (es decir, una pequeña susceptibilidad magnética positiva) y, por tanto, son atraídos por los campos magnéticos. Generalmente, se dice que los materiales no magnéticos son paramagnéticos o diamagnéticos porque no poseen magnetización permanente sin un campo magnético externo.
- Materiales ferromagnéticos. El ferromagnetismo es el mecanismo básico por el cual un material forma un imán permanente (es decir, materiales que pueden ser magnetizados por un campo magnético externo y permanecer magnetizados después de que se elimina el campo externo). El ferromagnetismo es el tipo más fuerte y es responsable de este fenómeno común. Los materiales ferromagnéticos, ferrimagnéticos o antiferromagnéticos poseen magnetización permanente incluso sin campo magnético externo y no tienen una susceptibilidad de campo cero bien definida. Los momentos magnéticos permanentes en materiales ferromagnéticos son el resultado de momentos magnéticos atómicos debidos a espines de electrones no apareados como consecuencia de la estructura electrónica. También hay una contribución del momento magnético orbital que es pequeña en comparación con el momento de giro. Por lo tanto, incluso en ausencia de un campo aplicado, los momentos magnéticos de los electrones en el material se alinean espontáneamente en paralelo entre sí. Cada material ferromagnético tiene su propia temperatura individual, llamada temperatura de Curie, o punto de Curie, por encima del cual pierde sus propiedades ferromagnéticas. Esto se debe a que la tendencia térmica al desorden supera la disminución de energía debido al orden ferromagnético. Solo unas pocas sustancias son ferromagnéticas. Los más comunes son el hierro, el cobalto, el níquel y la mayoría de sus aleaciones, y algunos compuestos de metales de tierras raras. El ferromagnetismo es muy importante en la industria y la tecnología moderna. Los materiales ferromagnéticos se pueden dividir en materiales magnéticamente «blandos» como el hierro recocido, que pueden magnetizarse pero no tienden a permanecer magnetizados, y materiales magnéticamente «duros», que sí lo hacen. Los imanes permanentes están hechos de materiales ferromagnéticos «duros» como el álnico y la ferrita que se someten a un procesamiento especial en un fuerte campo magnético durante la fabricación para alinear su estructura microcristalina interna.
- Materiales antiferromagnéticos. En un antiferromagnet, a diferencia de un ferromagnet, hay una tendencia a que los momentos magnéticos intrínsecos de los electrones de valencia vecinos apunten en direcciones opuestas. Cuando todos los átomos están dispuestos en una sustancia de modo que cada vecino sea antiparalelo, la sustancia es antiferromagnética. Los antiferromagnetos tienen un momento magnético neto cero, lo que significa que no producen ningún campo. El óxido de manganeso (MnO) es un material que muestra este comportamiento. Generalmente, el orden antiferromagnético puede existir a temperaturas suficientemente bajas, pero desaparece a la temperatura de Néel y por encima de ella. Por encima de la temperatura de Néel, el material es típicamente paramagnético, es decir, la energía térmica se vuelve lo suficientemente grande como para destruir el orden magnético microscópico dentro del material. La temperatura de Néel del MnO es de aproximadamente 116K.
- Materiales ferrimagnéticos. Las características magnéticas macroscópicas de los ferromagnetos y los ferrimagnetos son similares, la distinción radica en la fuente de los momentos magnéticos netos. Un material ferrimagnético es aquel que tiene poblaciones de átomos con momentos magnéticos opuestos, como en el antiferromagnetismo; sin embargo, en los materiales ferrimagnéticos, los momentos opuestos son desiguales y queda una magnetización espontánea. Los materiales ferromagnéticos, ferrimagnéticos o antiferromagnéticos poseen magnetización permanente incluso sin campo magnético externo y no tienen una susceptibilidad de campo cero bien definida. Las ferritas (ampliamente utilizadas en productos domésticos como los imanes de nevera) suelen ser compuestos cerámicos ferrimagnéticos derivados de los óxidos de hierro. Magnetita (Fe3O4) es un ejemplo famoso.
En las centrales nucleares y en las centrales eléctricas en general, la elección adecuada de los materiales es crucial en el generador principal donde hay fuertes campos magnéticos. En general, un generador principal consta de una parte giratoria y una parte estacionaria:
- Estator. El estator es la parte estacionaria de un generador eléctrico que rodea el rotor. El estator tiene un devanado de alambre en el que el campo cambiante induce una corriente eléctrica.
- Rotor. El rotor es la parte giratoria de un generador eléctrico y genera un campo magnético.
Permeabilidad – Permeabilidad relativa
En electromagnetismo, la permeabilidad es la medida de la resistencia de una sustancia frente a la formación de un campo magnético. El campo magnético auxiliar H representa cómo un campo magnético B influye en la organización de los dipolos magnéticos en una sustancia dada. La intensidad del campo magnético y la densidad de flujo se relacionan de acuerdo con:
En esta ecuación, B representa la magnitud de la intensidad del campo interno dentro de una sustancia que está sujeta a un campo H. La permeabilidad tiene dimensiones de webers por amperio-metro (Wb/Am) o henries por metro (H/m). La constante de permeabilidad μ0, también conocida como constante magnética o permeabilidad del espacio libre, es una medida de la cantidad de resistencia que se encuentra al formar un campo magnético en un vacío clásico. Esta constante es muy importante, ya que una de las propiedades magnéticas importantes es la permeabilidad relativa (adimensional), la relación entre la permeabilidad en un material y la permeabilidad en el vacío.
Según la referencia del NIST sobre constantes físicas fundamentales, la constante magnética tiene el valor exacto (definido)
μ0 = 4π × 10−7 H/m ≈ 12,57 × 10−7 H/m
Una propiedad estrechamente relacionada de los materiales es la susceptibilidad magnética, que es un factor de proporcionalidad adimensional que indica el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético aplicado.
Ni μr ni χ son constantes, ya que pueden variar con la posición en el medio. Dependen no solo del material sino también de la magnitud del campo, H, la frecuencia del campo magnético aplicado, la humedad, la temperatura y otros parámetros. Casi todos los materiales responden a un campo magnético magnetizándose, pero la mayoría son paramagnéticos con una respuesta tan débil que no tiene ningún uso práctico. Algunos, sin embargo, contienen átomos que tienen grandes momentos dipolares y tienen la capacidad de magnetizarse espontáneamente (es decir, alinear sus dipolos en paralelo). Estos se denominan materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos (el segundo se llama ferritas para abreviar), y son estos los que tienen un uso práctico real. Ferromagnético, ferrimagnético,
Susceptibilidad magnética
En electromagnetismo, la susceptibilidad magnética es la medida de la magnetización de una sustancia. La susceptibilidad magnética es un factor de proporcionalidad adimensional que indica el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético aplicado. La magnitud de M es proporcional al campo aplicado de la siguiente manera:
La susceptibilidad magnética y la permeabilidad relativa se relacionan de la siguiente manera:
Esto permite una clasificación simple de la respuesta de la mayoría de los materiales a un campo magnético aplicado en dos categorías: una alineación con el campo magnético, χ>0, llamada paramagnetismo, o una alineación con el campo, χ<0, llamada diamagnetismo.
- Material diamagnético. Los materiales diamagnéticos son aquellos que algunas personas generalmente consideran no magnéticos. Los materiales diamagnéticos son repelidos por un campo magnético; un campo magnético aplicado crea un campo magnético inducido en ellos en la dirección opuesta, provocando una fuerza repulsiva. El diamagnetismo es el resultado de cambios en el movimiento orbital de los electrones inducidos por un campo externo. Los materiales diamagnéticos incluyen agua, madera, la mayoría de los compuestos orgánicos como el petróleo y algunos plásticos, y muchos metales, incluido el cobre, en particular los pesados con muchos electrones centrales, como el mercurio, el oro y el bismuto. El efecto es extremadamente pequeño (con susceptibilidades del orden de -10-5) y en oposición al campo aplicado. Los materiales diamagnéticos, como el agua o los materiales a base de agua, tienen una permeabilidad magnética relativa menor o igual a 1 y, por lo tanto, una susceptibilidad magnética menor o igual a 0, ya que la susceptibilidad se define como χv = μ v – 1 Los materiales diamagnéticos y paramagnéticos se consideran no magnéticos porque las magnetizaciones son relativamente pequeñas y persisten sólo mientras está presente un campo aplicado. Si χ (susceptibilidad magnética) es negativo, el material es diamagnético. En este caso, el campo magnético del material se debilita por la magnetización inducida. Los materiales diamagnéticos son repelidos por campos magnéticos. Por ejemplo, la susceptibilidad magnética de diamagnetos como el agua es χv = −9,05 × 10−6. El material más fuertemente diamagnético es el bismuto, χv = −1,66 × 10−4. Generalmente, se dice que los materiales no magnéticos son paramagnéticos o diamagnéticos porque no poseen magnetización permanente sin un campo magnético externo.
- Materiales paramagnéticos. Los materiales paramagnéticos son aquellos que tienen dipolos atómicos permanentes, sobre los que se actúa individualmente y se alinean en la dirección de un campo externo. Los materiales diamagnéticos y paramagnéticos se consideran no magnéticos porque las magnetizaciones son relativamente pequeñas y persisten solo mientras está presente un campo aplicado. Si χ (susceptibilidad magnética) es positivo, un material puede ser paramagnético. En este caso, el campo magnético del material se ve reforzado por la magnetización inducida. Los materiales paramagnéticos incluyen la mayoría de los elementos químicos y algunos compuestos. Tienen una permeabilidad magnética relativa ligeramente superior a 1 (es decir, una pequeña susceptibilidad magnética positiva) y, por tanto, son atraídos por los campos magnéticos. Generalmente, se dice que los materiales no magnéticos son paramagnéticos o diamagnéticos porque no poseen magnetización permanente sin un campo magnético externo.
Una propiedad estrechamente relacionada de los materiales es la permeabilidad relativa, que es la relación entre la permeabilidad en un material y la permeabilidad en el vacío. En general, la permeabilidad es la medida de la resistencia de una sustancia frente a la formación de un campo magnético.
Ni μr ni χ son constantes, ya que pueden variar con la posición en el medio. Dependen no solo del material sino también de la magnitud del campo, H, la frecuencia del campo magnético aplicado, la humedad, la temperatura y otros parámetros. Casi todos los materiales responden a un campo magnético magnetizándose, pero la mayoría son paramagnéticos con una respuesta tan débil que no tiene ningún uso práctico. Algunos, sin embargo, contienen átomos que tienen grandes momentos dipolares y tienen la capacidad de magnetizarse espontáneamente (es decir, alinear sus dipolos en paralelo). Estos se denominan materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos (el segundo se llama ferritas para abreviar), y son estos los que tienen un uso práctico real. Ferromagnético, ferrimagnético,
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