Materiales magnéticos
En el análisis de cómo es que las corrientes generan campos magnéticos, se ha supuesto que los conductores están rodeados por vacío. Pero las bobinas de transformadores, motores, generadores y electroimanes casi siempre tienen núcleos de hierro para incrementar el campo magnético y confinarlo a las regiones deseadas.
El magnetón de Bohr
Los átomos que constituyen toda la materia contienen electrones
en movimiento, los cuales forman espiras microscópicas de corriente que producen
campos magnéticos por sí mismos.
En muchos materiales, estas corrientes se encuentran orientadas al azar y no producen un campo magnético neto. Pero en algunos materiales, un campo externo (producido por corrientes afuera del material) ocasionan que estas espiras se orienten en forma preferencial con el campo, por lo que sus campos magnéticos se suman al campo exterior. Entonces decimos que el material se ha magnetizado.
La cantidad de movimiento
angular atómico está cuantizado; su componente en una dirección particular siempre es un múltiplo entero de h/2π, donde h es una constante física fundamental llamada constante de Planck.
Asociada con la unidad fundamental de cantidad de movimiento angular, hay otra unidad fundamental de momento magnético.
L = h/2π
magnetón de Bohr, y se denota con μB
Paramagnetismo
En un átomo, la mayoría de los distintos momentos magnéticos orbitales y de espín de los electrones suman cero. Sin embargo, en ciertos casos el átomo tiene un momento magnético neto que es del orden de μB. Cuando un material así se coloca en un campo magnético, éste ejerce un par de torsión sobre cada momento magnético.
El campo producido por una espira de corriente es proporcional al momento dipolar magnético de la espira. Del mismo modo, el campo adicional producido por espiras de corriente electrónicas microscópicas es proporcional al momento magnético total por unidad de volumen en el material.
El campo magnético adicional debido a la magnetización del material resulta ser igual simplemente a μ0M, donde μ0 es la misma constante que aparece en la ley deBiot y Savart y la ley de Ampère. Cuando un material así rodea por completo un conductor portador de corriente, el campo magnético total en el material es
Se dice que un material que tenga el comportamiento que se acaba de describir es paramagnético. El resultado es que el campo magnético en cualquier punto de un material así es mayor en un factor adimensional Km, llamado permeabilidad relativa del material, de lo que sería si ese material se remplazara por un vacío.
Diamagnetismo
En ciertos materiales, el momento magnético total de todas las espiras atómicas de corriente es igual a cero cuando no hay un campo magnético.
Pero incluso estos materiales
tienen efectos magnéticos porque un campo externo altera los movimientos de los electrones dentro de los átomos.
En este caso, la dirección del campo adicional causado por estas espiras de corriente siempre es opuesta a la dirección del campo externo.
Se dice que tales materiales son diamagnéticos. Siempre tienen susceptibilidad negativa.
Ferromagnetismo
En esos materiales, las interacciones fuertes entre los momentos magnéticos atómicos los incitan a alinearse paralelamente entre sí en regiones llamadas dominios magnéticos, aun cuando no esté presente un campo externo.
Dentro de cada dominio, casi todos los momentos magnéticos atómicos son paralelos.
Cuando no hay un campo externo aplicado, las magnetizaciones de los dominios están orientadas al azar. Pero cuando está presente un campo (generado por corrientes externas), los dominios tienden a orientarse paralelamente al campo. Las fronteras del dominio también se desplazan; los dominios magnetizados en dirección del campo crecen, y aquellos que lo están en otras direcciones se reducen. Como el momento magnético total de un dominio puede ser de muchos miles de magnetones de Bohr, los pares de torsión que tienden a alinear los dominios con un campo externo son mucho más intensos que aquellos que se presentan en los materiales paramagnéticos.
A medida que se incrementa el campo externo, se alcanza en algún momento un
punto en que casi todos los momentos magnéticos en el material ferromagnético están alineados en forma paralela con el campo externo. Esta condición se llama magnetización de saturación; una vez que ésta se alcanza, un mayor incremento del campo externo ya no ocasiona un aumento en la magnetización ni en el campo adicional causado por la magnetización.
Curva de magnetización para un material ferromagnético. La magnetización M se aproxima a su valor de saturación Msat conforme el campo magnético (generado por corrientes externas) aumenta.
Para muchos materiales ferromagnéticos, la relación entre magnetización y el campo magnético externo es diferente cuando el campo externo aumenta que cuando disminuye.
Cuando el material se magnetiza hasta la saturación y luego el campo externo se reduce a cero, permanece cierta magnetización. Este comportamiento es característico de los imanes permanentes, que retienen la mayor parte de su magnetización de saturación cuando se retira el campo magnético. Para reducir la magnetización a cero se requiere un campo magnético en la dirección inversa.
Este comportamiento se llama histéresis, y las curvas de la figura se denominan curvas o ciclos de histéresis. La magnetización y desmagnetización de un material que tiene histéresis implica la disipación de energía, por lo que la temperatura del material aumenta durante este proceso.
