MAGNETISMO

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MAGNETISMO
¿Qué es magnetismo? El magnetismo es el conjunto de fenómenos físicos mediados por campos magnéticos. Estos pueden ser generados por las corrientes eléctricas o por los momentos magnéticos de las partículas constituyentes de los materiales. Es parte de un fenómeno más general: el electromagnetismo.
¿Quién invento el magnetismo? 
Tales de Mileto
El primer filósofo que estudió el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que vivió entre 625 a. C. y 545 a. C.
¿Por qué algunos materiales son magnéticos y otros no? ¿Y por qué ciertas sustancias se magnetizan con un campo, mientras que otras no se ven afectadas? Para responder a estas preguntas, necesitamos comprender el magnetismo a nivel microscópico.
Dentro de un átomo, cada electrón viaja en una órbita y gira sobre un eje interno. Ambos tipos de movimiento producen bucles de corriente y, por tanto, dipolos magnéticos. Para un átomo concreto, el momento dipolar magnético neto es la suma vectorial de los momentos dipolares magnéticos. Se indican valores de μ� para varios tipos de átomos en la Tabla 12.1. Observe que algunos átomos tienen un momento dipolar neto cero y que las magnitudes de los momentos no evanescentes suelen ser 10−23A⋅m2.10−23A·m2.
	Átomo
	Momento magnético (10−24A⋅m2)(10−24A·m2)
	H
	9,27
	He
	0
	Li
	9,27
	O
	13,9
	Na
	9,27
	S
	13,9
Tabla 12.1 Momentos magnéticos de algunos átomos
Un puñado de materia tiene aproximadamente 10261026 átomos e iones, cada uno con su momento dipolar magnético. Si no hay un campo magnético externo, los dipolos magnéticos se orientan de forma aleatoria: tantos apuntan hacia arriba como hacia abajo, tantos apuntan al este como al oeste, etc. En consecuencia, el momento dipolar magnético neto de la muestra es cero. Sin embargo, si la muestra se coloca en un campo magnético, estos dipolos tienden a alinearse con el campo (vea la Ecuación 12.14), y esta alineación determina cómo responde la muestra al campo. En función de esta respuesta, se dice que un material es paramagnético, ferromagnético o diamagnético.
En un material paramagnético, solo una pequeña fracción (aproximadamente un tercio) de los dipolos magnéticos están alineados con el campo aplicado. Dado que cada dipolo produce su propio campo magnético, esta alineación aporta uno adicional, que aumenta el campo aplicado. Cuando un material ferromagnético se coloca en un campo magnético, sus dipolos magnéticos también se alinean; además, se bloquean entre sí de modo que se produce una magnetización permanente, incluso cuando el campo se apaga o se invierte. Esta magnetización permanente se produce en los materiales ferromagnéticos pero no en los paramagnéticos. Los materiales diamagnéticos están compuestos por átomos que no tienen un momento dipolar magnético neto. Sin embargo, cuando un material diamagnético se coloca en un campo magnético, un momento dipolar magnético se dirige de forma opuesta al campo aplicado y, por lo tanto, produce un campo magnético que se opone al campo aplicado. A continuación, examinamos con más detalle cada tipo de material.
Materiales paramagnéticos
Para simplificar, suponemos que nuestra muestra es una pieza larga y cilíndrica que llena completamente el interior de un solenoide largo y bien enrollado. Cuando no hay corriente en el solenoide, los dipolos magnéticos de la muestra están orientados al azar y no producen ningún campo magnético neto. Con una corriente de solenoide, el campo magnético debido al solenoide ejerce un torque sobre los dipolos que tiende a alinearlos con el campo. En competencia con el torque de alineación están las colisiones térmicas que tienden a aleatorizar las orientaciones de los dipolos. La importancia relativa de estos dos procesos en competencia puede estimarse al comparar las energías implicadas. De la Ecuación 12.14, la diferencia de energía entre un dipolo magnético alineado con y contra un campo magnético es UB=2μB.��=2��. Si μ=9,3×10−24A⋅m2�=9,3×10−24A·m2 (el valor del hidrógeno atómico) y B = 1,0 T, entonces
UB=1,9×10−23J.��=1,9×10−23J.
A una temperatura ambiente de 27°C,27°C, la energía térmica por átomo es
UT≈kT=(1,38×10−23J/K)(300K)=4,1×10−21J,��≈��=(1,38×10−23J/K)(300K)=4,1×10−21J,
que es unas 220 veces mayor que UB.��. Está claro que los intercambios de energía en las colisiones térmicas pueden interferir seriamente en la alineación de los dipolos magnéticos. Como resultado, solo una pequeña fracción de los dipolos está alineada en cualquier instante.
Los cuatro bocetos de la Figura 12.23 proporcionan un modelo sencillo de este proceso de alineación. En la parte (a), antes de que se aplique el campo del solenoide (no mostrado) que contiene la muestra paramagnética, los dipolos magnéticos están orientados al azar y no hay ningún momento dipolar magnético neto asociado al material. Con la introducción del campo, se produce una alineación parcial de los dipolos, como se representa en la parte (b). La componente del momento dipolar magnético neto que es perpendicular al campo, desaparece. Podemos entonces representar la muestra mediante la parte (c), que muestra una colección de dipolos magnéticos completamente alineados con el campo. Al tratar estos dipolos como bucles de corriente, podemos imaginar la alineación de los dipolos como equivalente a una corriente alrededor de la superficie del material, como en la parte (d). Esta corriente superficial ficticia produce su propio campo magnético, que aumenta el campo del solenoide.
Figura 12.23 El proceso de alineación en un material paramagnético que rellena un solenoide (no se muestra). (a) Sin un campo aplicado, los dipolos magnéticos se orientan al azar. (b) Con un campo, se produce una alineación parcial. (c) Una representación equivalente de la parte (b). (d) Las corrientes internas se cancelan, dejando una corriente superficial efectiva que produce un campo magnético similar al de un solenoide finito.
Podemos expresar el campo magnético total B⃗ �→ en el material como
B⃗ =B⃗ 0+B⃗ m,�→=�→0+�→�,