Polarización magnética
¿Qué es la polarización magnética?
La polarización magnética de un material ferromagnético se refiere a la alineación de los imanes elementales en el material, esto es, al proceso de magnetización. La dirección e intensidad de las fuerzas magnéticas generadas por los imanes elementales alineados también suele denominarse «polarización magnética». Los imanes con polarización inversa son aquellos en los que el polo norte de un imán se encuentra en el lugar del polo sur del otro imán y viceversa.Índice
La polarización magnética es el proceso de alinear momentos magnéticos.
Una vez completado el alineamiento, la polarización se refiere a la dirección en la que se han alineado los imanes elementales.
La polarización magnética se manifiesta como magnetización y también indica la dirección de la magnetización.
Se dice que dos imanes diferentes tienen polarización inversa u opuesta si ambos imanes tienen sus polos norte
y sur
en extremos opuestos.
Origen de la polarización magnética
Físicamente, la polarización magnética se produce cuando los momentos magnéticos presentes en la materia son alineados por un campo magnético. Esto hace que las fuerzas magnéticas de todos los momentos magnéticos se sumen, dando lugar a una amplificación del campo magnético externo por el factor μ, la permeabilidad magnética. Este es precisamente el caso cuando en la materia hay momentos magnéticos que también pueden alinearse. Pueden ser, p. ej., espines de electrones individuales. Los materiales con esta propiedad son paramagnéticos o incluso ferromagnéticos. El proceso de polarización de la materia puede observarse cuando un material ferromagnético se coloca en un campo magnético externo.Cuando un campo magnético externo H0 actúa sobre un material de permeabilidad magnética μ, se genera una densidad de flujo magnético B, que es mayor por el factor μ del material que en el vacío: B=μμ0H0.
Este cambio aparente en la densidad del flujo magnético, causado por la influencia de la materia en contraposición al vacío, se conoce como «polarización magnética» y se marca con la letra J. Un material ferromagnético, p. ej., aumenta la densidad de flujo magnético. La polarización magnética en un campo externo H0 está determinada por la susceptibilidad magnética χ del material: J=χμ0H0.
Debido a B=μ0H0+J,
μ=(1+χ)
representa la relación entre la susceptibilidad magnética χ
y la permeabilidad magnética μ.
Determinación experimental
En un experimento, la polarización magnética puede determinarse midiendo la densidad de flujo magnético en el extremo de una bobina de alambre cuando fluye una corriente a través de la bobina. Esto puede hacerse utilizando, p. ej., una sonda Hall. Si en la bobina se introduce un material ferromagnético, p. ej., un cilindro de hierro, se mide una densidad de flujo magnético mucho mayor que sin el núcleo de hierro..
Cuando se aplica una tensión U en los extremos de una bobina, circula una corriente I.
Esta corriente genera una densidad de flujo magnético B.
La magnitud de dicha densidad depende fundamentalmente de la permeabilidad magnética del volumen encerrado por la bobina.
Si la bobina está llena de aire (μ=1, lado izquierdo), se forma un flujo magnético B, que se representa mediante líneas de campo en la figura.
Sin embargo, cuando se introduce en la bobina un material ferromagnético con una permeabilidad superior a 1 (para el hierro, μ puede alcanzar valores de hasta 100000), los espines atómicos del material se alinean paralelamente al campo magnético generado (los espines atómicos se muestran en rojo, lado derecho).
El flujo magnético B es significativamente mayor debido a este proceso, denominado «polarización magnética».
A continuación, se puede medir un campo magnético considerablemente más intenso en la superficie del imán, y las fuerzas magnéticas de una bobina de este tipo, con un núcleo de hierro polarizado magnéticamente, también son notablemente mayores.
Relación entre polarización magnética y densidad de flujo magnético
En el vacío (μ=1), el campo magnético H0 corresponde a una densidad de flujo magnético B=μ0H0.La materia también introduce la polarización magnética J: B=μ0H0+J.
Esto corresponde a un aumento del campo magnético H
en comparación con el campo magnético externo H0
por la magnetización M:
H=H0+M.
La polarización magnética equivale, por tanto, a la magnetización. La polarización magnética es la densidad de flujo magnético asociada al campo magnético de una determinada magnetización. La magnetización es un campo magnético, mientras que la polarización magnética es una densidad de flujo magnético.
Debido a B=μ0H, se deduce que B=μ0H0+μ0M.
Debido a B=μ0H0+J, la polarización magnética J es, a su vez, igual al producto de la magnetización M y la constante de permeabilidad del vacío μ0: J=μ0M
La magnetización se mide en amperios por metro (A/m), mientras que la unidad de polarización magnética es la misma que la unidad de densidad de flujo magnético tesla (T).
En ferromagnetos, parte de la polarización magnética se conserva incluso cuando se desconecta el campo magnético externo. Esta polarización magnética remanente se denomina «remanencia». La razón de la polarización magnética residual en los materiales ferromagnéticos es la alineación permanente de los momentos magnéticos de los espines de los electrones. Estos permanecen en estado alineado debido a la interacción de intercambio. La alineación de los momentos magnéticos solo puede destruirse aplicando calor, mediante golpes fuertes o un campo opuesto adecuado de la intensidad de campo coercitivo.
En diamagnetos, no existen momentos magnéticos permanentes. Sin embargo, si se coloca un material diamagnético en un campo magnético externo, se produce un efecto, a saber, la inducción de corrientes circulares en el material. La inducción de corrientes circulares en el material es un efecto que también está presente en sustancias paramagnéticas y ferromagnéticas, pero está enmascarado por los momentos magnéticos permanentes, es decir, el para y ferromagnetismo. Las propias corrientes circulares inducidas presentan momentos magnéticos. Sin embargo, no refuerzan el campo externo, sino que lo debilitan (según la ley de Lenz) porque están orientadas en dirección opuesta al campo magnético externo.
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.
Dr. Franz-Josef Schmitt
El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.
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