Introducción al estudio del Magentismo

Propiedades magnéticas de la materia.
Clase.
La historia más remota que se tiene sobre la existencia del magnetismo datan de la antigua Roma donde
se cuenta que un pastor de nombre Magnes se sorprendía al ver como una piedra atraía sus bastón con
punta de hierro.
De capítulos anteriores vimos el comportamiento del campo magnético
dentro de un solenoide toroidal, estas cualidades motivaron el uso de este
dispositivo para el estudio de las cualidades magnéticas de las sustancias,
surgiendo así el Anillo de Rowland que no es más que un toroide en el cual se
coloca la sustancia de estudio en el interior de su enrollado en la forma de
anillo, más afuera un segundo enrollado (secundario) se conecta a un
galvanómetro.
El estudio de las cualidades magnéticas se basa en la comparación con el
comportamiento magnético del toroide usando como el medio el vacío, para
el cual la inducción magnética está dada por:
B0 = µ0.
Donde tenemos que n: número de vueltas, i: intensidad de la corriente, l: longitud de la
circunferencia media del toroide, µ0 es la constante de permeabilidad magnética del medio en
el vacío.
En este estudio se obtiene tres variantes:



La inducción magnética obtenida sea menor que la del vacío (B < B0)
Sustancia diamagnética.
La inducción magnética aumente ligeramente (B > B0)
Sustancia Paramagnética.
La inducción magnética aumente considerablemente (B >> B0)
Sustancia ferro magnética.
De aquí se desprende que el material hace un aporte a la inducción magnética que llamaremos
BM que responde al nuevo valor de la inducción magnética dentro del toroide, entonces
B = B0 + B M
Si queremos saber la relación entre B y B0 dividimos ambos miembros entre B0 y obtenemos.
Donde tenemos que
es la permeabilidad magnética del medio con respecto al vacío.
es la susceptibilidad magnética de la sustancia
Pero veamos a qué se debe este comportamiento y cómo se interpretan estas nuevas magnitudes.
Como sabes una carga en movimiento induce un campo magnético a su alrededor, por tanto un electrón
sencillamente girando alrededor de su núcleo tendrá un pequeño campo magnético asociado, y así una
sustancia cualquiera tiene un comportamiento magnético resultado de los campos generados por todos
sus electrones y átomos. Un átomo formado por varios electrones posiblemente oriente los spines de
rotación de sus electrones de manera que el átomo en su conjunto tenga una orientación magnética
dada y un campo único, de esta forma da átomo puede comportarse como un dipolo magnético, un
pequeño imán, esto se conoce como momento magnético permanente y la sustancia en su conjunto
tendrá un comportamiento magnético resultado de la interacción de todos los dipolos que la forman.
Por lo anterior podemos entender que si una sustancia cualquiera es sometida a un campo magnético
externo su comportamiento estará en dependencia de cómo estarán las interacciones átomos
moleculares que la componen, en general hay dos comportamientos:
La aparición de un momento magnético que se opone al campo externo que se conoce como distorsión
de movimiento electrónico.
La alineación de todos los dipolos magnéticos formados por los átomos de las sustancia a favor del
campo magnético externo lo que se conoce como Magnetización por alineación.
Sustancias Diamagnéticas: Se magnetizan solo por la distorsión del
movimiento de sus átomos y moléculas bajo la acción de un campo
magnético externo, tiende a repeler la acción del campo magnético
externo, ofrecen resistencia a las líneas de fuerza. Por este motivo su
permeabilidad magnética es menor que uno (µ0 <1) pues es menor que
la del vacío y la susceptibilidad magnética es menor cero (negativa)
, e independiente de la temperatura.
(Hidrógeno, nitrógeno, cobre, sodio, mercurio, agua por ejemplo)
Sustancias Paramagnéticas: Ante un campo magnético externo sus
átomos se alinean a favor de dicho campo incrementando su
comportamiento magnético, ocurre una distorsión del movimiento de
sus electrones pero prevalece la orientación a favor del campo
magnético externo. Su permeabilidad relativa es algo mayor que uno (es
mayor que la del vacío) su susceptibilidad magnética tiene un valor
positivo cercano a cero y disminuye con el aumento de la temperatura. (oxígeno, magnesio, aluminio,
platino, el aire y otros).
Sustancia ferro magnético: Son sustancias que presentan cualidades magnéticas aún en ausencia de
campos magnéticos externos, su permeabilidad relativa y su susceptibilidad magnética son mucho
mayores a la unidad, el ser introducidas dentro de un campo magnético externo distorsionan las líneas
de fuerza del mismo. La susceptibilidad magnética de estas sustancias depende de:
a) Su historial magnético (histéresis) que es el estado magnético en que se encuentra en el
momento en que se determina su susceptibilidad.
b) La temperatura, a partir de cierta temperatura la susceptibilidad tiende a cero comportándose
como una sustancia paramagnética.
Las siguientes gráficas muestran el comportamiento de la susceptibilidad magnética con respecto a la
temperatura:
En las sustancias ferro magnéticas existen regiones llamados dominios que se orientan rápidamente
ante un campo externo, por desplazamiento o por rotación, estos dominios cualifican el magnetismo de
la sustancia, pues si se orientan de forma estable tendremos un magnetismo permanente, si el
magnetismo cesa al desaparecer el campo externo es un magnetismo temporal.
Todas las sustancias tienen un comportamiento magnético y según sea su naturaleza magnética así será
su disposición ante un campo magnético externo, así ocurre que las sustancias paramagnéticas ante un
campo externo orientan su eje mayor paralelo a las líneas de fuerza de dicho campo mientras que las
diamagnéticas se orientan perpendiculares a las líneas de fuerza del campo magnético externo.
Excitación Magnética.
Viendo la forma de calcular la inducción magnética dentro de un solenoide toriodal en el vacío podemos
llegar a conclusiones que podrían parecer precipitadas, veamos
(1)
Y a su vez tenemos que
(2)
De aquí se infiere que si al colocar una sustancia, diamagnética o paramagnética, en el interior
del toroide aumentó la inducción magnética en
es como consecuencia de que apareció una
intensidad de corriente
que se sumó a la existente y provocó un aumento al campo
magnético inducido. Estas son las corrientes amperianas, que se originan dentro de la materia
que está en el núcleo del toroide. Al tenerla en cuenta nuestra expresión de la ley de Ampere
pasa a ser esta
(3)
Retomando (1) con estas nuevas consideraciones nos quedará.
El cociente
es la corriente amperiana por unidad y se conoce como Magnetización o
Imanación quedando
que vectorialmente es
o
Donde
se conoce como excitación magnética o campo magnetizante
Conclusiones
Si sometemos un material a un campo magnético sus dipolos moleculares y átomos se orientan de
determinada manera por el campo externo, esta disposición se llama Magnetización por alineación.
La alineación puede ser en contra de las líneas de fuerza del campo externo Diamagnética.
A favor de las líneas de fuerza del campo externo Paramagnéticas