Electromagnetismo

Indice

1.19. Campo magnético en la sustancia

Las investigaciones experimentales demostraron que todas las sustancias en mayor o menor grado tienen propiedades magnéticas. Si introducimos dos espiras con corriente en cualquier medio, podemos ver que la fuerza de interacción magnética cambia. Este experimento nos puede hacer ver que la inducción del campo magnético creado por las corrientes eléctricas en la sustancia se diferencia de la inducción magnética creada por esas mismas corrientes en el vacío.

La magnitud física, que muestra en cuántas veces la inducción   del campo magnético en un medio homogéneo se diferencia en módulo de la inducción magnética en el vacío, se denomina permeabilidad magnética:

Las propiedades magnéticas de la sustancia se determinan por las propiedades magnéticas de los átomos o partículas elementales (electrones, protones y neutrones) que entran en la composición de los átomos. Actualmente se ha establecido que las propiedades magnéticas de los protones y neutrones es casi 1000 veces más débil que las propiedades magnéticas de los electrones. Por eso las propiedades magnéticas de las sustancias por lo general se determinan por los electrones que entran en la composición de los átomos.

Una de las principales propiedades del electron es la presencia en él no solamente de campo eléctrico, sino también de campo magnético propio. El campo magnético propio del electron se denomina campo de espin (spin rotación). El electrón crea campo magnético también debido al movimiento orbital alrededor del núcleo, lo que se puede asemejar a una microcorriente circular. Los campos espinoriales de los electrones y los campos magnéticos debidos a su movimeinto orbital determinan una amplia gama de propiedades magnéticas de las sustancias.

Todas las sustancias se diferencian unas de otras en sus propiedades magnéticas. En la mayoría de las sustancias estas propiedades son muy débilmente reflejadas. Las sustancias magnéticamente débiles se dividen en dos grandes grupos: los paramagnéticos y los diamagnéticos. Ellos se diferencian en que, introduciéndolos en un campo magnético externo, los paramagnéticos se magnetizan de tal manera que su campo magnético propio resulta direccionado en dirección del campo magnético externo, y los diamagnéticos se magnetizan en contra del campo magnético externo. Por eso, para los paramagnéticos m > 1, y para los diamagnéticos m < 1. Tanto en los paramagnéticos como en los diamagnéticos m se diferencia muy poco de la unidad. Por ejemplo, para el Aluminio, que pertenece al grupo de los paramagnéticos, m  1  2,1105, para el cloruro de hierro (FeCl3) m  1  2,5103. Al grupo de los paramagnéticos pertenecen también el platino, el aire y muchos otros. Al grupo de los diamagnéticos pertenece el cobre (m  1  3106), el agua (m  1  9106), el bismuto (m  1  1,7103) y otras sustancias. Un paramagnético y un diamagnético sumergidos en un campo magnético heterogéneo entre los polos de un electroimán, se comportan de manera diferente: los paramagnéticos se atraen hacia la región del campo más fuerte, mientras que los diamagnéticos se repelen (dibujo 1.19.1).

Dibujo 1.19.1.
Paramagnético (1) y diamagnético (2) en un campo magnético heterogéneo.

Tanto el para- como el diamagnetismo se explica por el comportamiento de las órbitas electrónicas en el campo magnético externo. En los átomos de las sustancias diamagnéticas, en ausencia de campo magnético externo, los campos magnéticos propios y los campos debidos al movimiento orbital, se compensan totalmente. El surgimiento del diamagnetismo se debe a la fuerza de Lorentz sobre las órbitas electrónicas. Bajo la acción de esta fuerza se cambia el carácter del movimiento orbital de los electrones y se rompe el equilibrio de compensación de los campos magnéticos. El campo magnético propio resultante del átomo aparece entonces con dirección contraria a la del campo externo.

En los átomos de las sustancias paramagnéticas, los campos magnéticos de los electrones se compensan no totalmente, y el átomo queda pareciéndose a una pequena corriente circular. En ausencia de campo externo, estas microcorrientes circulares están orientadas de una manera arbitraria de tal manera que el campo magnético total es igual a cero. El campo magnético externo presta una acción de orientación: las microcorrientes tienden a orientarse de tal manera que sus campos magnéticos propios estén direccionados en direcciónados como el campo externo. Debido al movimiento térmico de los átomos, la orientación de las microcorrientes nunca existe completamente. Al aumentar el campo externo, el efecto de orientación crece de tal manera que el campo magnético propio de la sustancia paramagnética crece directamente proporcional al campo externo. El campo magnético total en la sustancia se suma del campo magnético externo y del campo magnético propio que surge en el proceso de magnetización. El mecanismo de magnetización de los paramagnéticos es muy parecido al mecanismo de polarización de los dieléctricos polares. El diamagnetismo no tiene análogo entre las propiedades eléctricas de la sustancia.

Hay que subrayar que las propiedades diamagnéticas las tienen cualesquiera átomos de cualesquiera sustancias. Sin embargo en muchos casos el diamagnetismo de los átomos se cubre con un efecto paramagnético más fuerte. El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto por M. Faraday (1845).

Las sustancias que son capaces de magnetizarse fuertemente en presencia de campo magnético, se denominan ferromagnéticos. La permeabilidad magnética de los ferromagnéticos está entre los órdenes de 102105. Por ejemplo para el acero m  8000, para una aleación de hierro y niquel la permeabilidad alcanza valores de 250000.

Al grupo de los ferromagnéticos pertenecen cuatro elementos químicos: hierro, niquel, cobalto, Gadolinio. De ellos el hierro es el que tiene permeabilidad mayor. Por eso este grupo recibió el nombre de ferromagnéticos.

Los ferromagnéticos pueden ser diferentes aleaciones que contienen elementos ferromagnéticos. Una amplia aplicación tienen los ferromagnéticos cerámicos, los ferritos.

Para cada ferromagnético existe una determianda temperatura (llamada temperatura o punto de Curie), más arriba de la cual las propiedades ferromagnéticas desaparecen, y la sustancia se vuelve paramagnética. Por ejemplo para el hierro la temperatura de Curie es igual a 770 C, para el cobalto 1130 C, para el níquel 360 C.

Los materiales ferromagnéticos se dividen en dos grandes grupos: los ferromagnéticos suaves y los ferromagnéticos duros. Los ferromagnéticos suaves se desmagnetizan casi completamente cuando el campo magnético externo se hace igual a cero. Al grupo de los ferromagnéticos suaves entra por ejemplo el hierro puro, el acero utilizado en electricidad y algunas aleaciones. Estos materiales se utilizan en los dispositivos de corriente alterna, en los cuales sucede una re-magnetización continua, es decir cambio de dirección del campo magnético (transformadores, electromotores, etc.)

Los ferromagnéticos duros conservan en gran medida su magnetización inclusive después de alejarlos del campo magnético externo. Como ejemplo de ferromagnéticos duros pueden servir el acero carbonado, y una serie de aleaciones especiales. Estos ferromagnéticos duros son utilizados principalmente para la elaboración de imanes.

La permeabilidad magnética de los ferromagnéticos m no es una magnitud constante; ella depende fuertemente del campo magnético externo B0. Una dependencia típica m (B0) se muestra en la figura  1.19.2. En las tablas por lo general aparecen los valores de la permeabilidad máxima de la sustancia.

Figura 1.19.2.
Dependencia típica de la permeabilidad magnética de un ferromagnético, del campo magnético externo.

La no constancia de la permeabilidad magnética conlleva a una dependencia compleja no lineal del campo B en el ferromagnético y el campo externo B0. Una particularidad característica del proceso de magnetización de los ferromagnéticos es la llamada histéresis magnética, es decir que la magnetización de una sustancia ferromagnética depende de la historia de la sustancia. La curva de magnetización B (B0) de un objeto ferromagnético es una espira cerrada de forma compleja, la cual se denomina espira de histéresis (fig. 1.19.3.).

Figura 1.19.3.
Espira de histéresis del ferromagnético. Con las flechas se indica la dirección de los procesos de magnetización y desmagnetización de la sustancia ferromagnética al cambiar el campo magnético externo.

En la figura  1.19.3 se puede apreciar que, cuando empieza una saturación magnética, es decir la magnetización de la sustancia alcanza su valor máximo.

Si ahora disminuimos el campo magnético externo B0 y lo llevamos hasta cero, entonces el ferromagnético conserva una magnetización restante el campo dentro de la sustancia es igual a Br. La magnetización restante permite fabricar imanes. Para desmagnetizar completamente la sustancia hay que, cambiando el signo del campo magnético, llevar el campo B0 hasta el valor B0c, el cual se suele llamar fuerza cohersitiva. Luego el proceso de magnetización puede ser continuado como muestran las flechas de la figura 1.19.3.

Para los ferromagnéticos blandos el valor de la fuerza cohersitiva B0c no es muy grande. la espira de hitéresis de estos materiales es muy estrecha. Los materiales con un valor grande de fuerza cohersitiva, es decir los que tienen una espira de histéresis ancha, pertenecen al grupo de los ferromagnéticos duros.

La naturaleza del ferromagnetismo puede ser totalmente entendida solamente con base en conceptos cuánticos. Cualitativamente el ferromagnetismo se explica por la presencia de campos magnéticos propios (de esípn) en los electrones. En los cristales de los materiales ferromagnéticos surgen condiciones, con las cuales, en consecuencia de la interacción de los campos magnéticos propios de los electrones vecinos, su orientación paralela resulta energéticamente provechosa. Como resultado de esta interacción, dentro del cristal del ferromagnético surgen arbitrariamente regiones magnetizadas del orden de los 102104 cm. Estas regiones se llaman dominios. Cada dominio es un pequeno imán.

En ausencia de campo magnético externo las direcciones de los vectores del campo magnético en diferentes dominios están orientados en un cristal grande caóticamente. Este cristal en promedio no está magnetizado. Al someterlo a un campo magnético externo se produce un desplazamiento de las fronteras de los dominios, de tal manera que el volumen de los dominios orientados de acuerdo al campo externo aumenta. Al aumentar el campo externo crece la inducción magnética de la sustancia magnetizada. En un campo magnético externo muy fuerte, los dominios, en los cuales el campo magnético propio concuerda con el campo externo, absorben a los demás dominios y se alcanza la saturación magnética. El dibujo 1.19.4 puede servir de ilustración del proceso de magnetización de una sustancia ferromagnética.

Dibujo 1.19.4.
Magnetización de una sustancia ferromagnética. (1) B0 = 0; (2) B0 = B01; (3) B0 = B02 > B01.

Ejemplo 1

Una bobina larga (solenoide) está enrollada en un a capa sobre un núcleo de hierro. La densidad de las espiras de la bobina es n = 12 cm1. Con una corriente de I = 0,5 A, el campo magnético en el núcleo resultó ser B = 1,36 T. Determine el campo externo magnetizante B0 y la permeabilidad magnética del material del núcleo.

Solución

El campo magnetizante B0 es creado por la corriente que fluye por las espiras de la bobina.
B0 = m0nI = 7,54104 T.

Como podemos ver, el campo magnetizante es sólo una parte muy pequena del campo resultante B en el núcleo. Esto significa que el material del núcleo tiene un valor muy grande de permeabilidad magnética m >> 1. Por definición,

Observación. Para los núcleos de hierro, el valor máximo mmax  5500. En el presente ejemplo el núcleo todavía está lejos de su saturación.


Ejemplo 2

Una bobina larga, por cuyas espiras fluye corriente constante, la llenaron de cierto líquido. Después de esto, el campo magnético dentro de la bobina disminuyó en 0,004 %. Determine la permeabilidad magnética del líquido. A qué clase de materiales magnéticos pertenece el líquido usado en el experimento: para-, dia- o ferromagnéticos?

Solución

Debido a que el cambio del campo magnético no cambió significativamente al llenar la bobina de líquido, se puede llegar a la conclusión de que el líquido no es ferromagnético. Luego, debido a que el campo magnético dentro de la bobina disminuyó, el líquido se magnetizó de tal manera que el campo magnético propio resultó en dirección contraria al campo magnetizante de la bobina. De aquí se concluye que el líquido es un diamagnético, es decir m < 1.

Por definición, la permeabilidad magnética de la sustancia m es igual a la relación de los módulos del campo magnético con el campo magnético magnetizante :

El valor de la relación B' / B0 está dado en las condiciones del problema:
 = B' / B0 = 0,004 % = 0,00004.

Por consiguiente,
m = 1   = 0,99996.

Observación: En la teoría sobre el magnetismo, la permeabilidad magnética m de la sustancia se acostumbra a escribir de la forma
m = 1 + cm,

La magnitud cm se denomina susceptibilidad magnética. En el presente ejemplo cm =  = 0,00004.