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En la historia se ha estudiado la magnetización e intensidad de campo magnético. Sin embargo, debido a los movimientos de los electrones a nivel atómico, en los materiales se originan sus propiedades magnéticas resultando en las interacciones de los diferentes materiales, unas más fuertes y otras casi imperceptibles. Todos los materiales están compuestos por átomos: el modelo atómico básico fue planteado por el físico Ernest Rutherford.
Según este modelo, el átomo está formado por un núcleo que tiene carga positiva en el que se concentra la mayoría de masa del átom; una corteza formada por los electrones, los cuales orbitan circularmente alrededor del núcleo. Los electrones que orbitan originan corrientes y, a nivel microscópico, se fundan dipolos magnéticos. Los dipolos magnéticos de los átomos de la mayoría de los materiales, en ausencia de un campo magnético externo, están orientados de manera aleatoria; es cuando es aplicado un campo magnético externo los dipolos magnéticos se alinean y se produce un momento magnético inducido.
De no aplicarse el campo magnético externo, a causa de la orientación aleatoria de los dipolos, no hay momento magnético neto. La magnetización es una cantidad vectorial y equivale al momento magnético dipolar por unidad de volumen, se representa con M y se expresa en Amperes/metro (A/m).
Magnetización en redes
Dicho de otra manera, la magnetización es la densidad del volumen del momento dipolar magnético y se define con la siguiente expresión; M = lim (A/m) N: número de átomos en el volumen ∆v mk: momento dipolar magnético del átomo de orden k. La ecuación permite determinar cuantitativamente la variación en la densidad de flujo magnético debido a la presencia de un material magnético. La densidad superficial de corriente de magnetización se define como en donde an es un vector unitario normal a la superficie. Jms = M X an (A/m).
La densidad volumétrica de corriente de magnetización se define como en Jmv = X M (A/m2 ) Al vector de magnetización M se le llama también densidad de polarización magnética de un medio, ya que es análogo al vector de polarización P. Existen dos vectores fundamentales para describir los fenómenos magnéticos, el que se conoce como densidad de flujo magnético B y la intensidad de campo magnético H, ambos en el espacio libre están relacionados por la siguiente ecuación: B = μ0 H
En el interior de un material la relación de ambos vectores incluye a un tercer vector, al vector de magnetización M, de manera que: B = μ0 (H + M) La unidad de la intensidad de campo magnético H, es (A/m), despejando de se tiene que: H = -M (A/m) Otra ecuación muy importante de relacionada con la intensidad de campo magnético es la conocida como otra forma de ley circuital de Ampere para corrientes estacionaras, que se aplica a medios magnéticos y no magnéticos. Esta ecuación se expresa así: ∫C H· dl = I (A) Donde, I: corriente libre total que pasa a través de S. C: contorno de la trayectoria cerrada que limita la superficie S.
Magnetización e intensidad de campo magnético: el campo magnético en medios materiales
Los materiales magnéticos pueden ser clasificados de las maneras siguientes: Diamagnéticos Paramagnéticos Ferromagnéticos Antes de entrar en detalle en cada una de estas clasificaciones, es importante primero ver qué valores de susceptibilidad magnética y permeabilidad relativa diferencian a un material magnético de uno no magnético. Un material es no magnético si la susceptibilidad magnética xm es nula (xm = 0) y, por tanto, la permeabilidad relativa μ_r es unitaria (μr = 1), de lo contrario se clasifica como material magnético. A efectos prácticos μr 1 en materiales diamagnéticos y paramagnéticos, considerándoseles lineales y no magnéticos.
Diamagnetismo
El diamagnetismo es un magnetismo débil y en él la magnetización del material tiene una dirección opuesta a la del campo aplicado. Está presente en todo tipo de materia, pero puede quedar oculto por el ferromagnetismo y el paramagnetismo. El movimiento orbital de los electrones en el átomo es la principal causa del diamagnetismo. Cuando es aplicado un campo en un material diamagnético se introduce una rotación orbital en los electrones del núcleo, lo que implica la creación de momentos magnéticos.
La corriente de los momentos magnéticos orbitales es opuesta al campo aplicado. El diamagnetismo ocurre en los materiales cuyos campos magnéticos debidos a los movimientos de los electrones en órbita y rotación, se anulan totalmente entre sí. Como resultado, el momento magnético permanente de cada átomo es cero, de manera que un campo magnético ejerce débil influencia sobre el material de que se trate.
Paramagnetismo
Los materiales en los cuales los átomos tienen un momento magnético permanente distinto a cero, pueden ser paramagnéticos o ferromagnéticos. Ahora se hará énfasis en los materiales paramagnéticos. El paramagnetismo, al igual que el diamagnetismo, es un magnetismo débil. La magnetización en el paramagnetismo es proporcional al campo magnético. El paramagnetismo ocurre en aquellos materiales en los cuales los campos magnéticos producidos por la orbitación o rotación de los electrones no se anulan totalmente. A diferencia del diamagnetismo, el paramagnetismo es dependiente de la temperatura.
Las sustancias paramagnéticas contienen átomos magnéticos. Los espines de sus átomos están separados del entorno magnético y pueden cambiar su dirección con cierta libertad. Además, a temperaturas finitas, dichos espines experimentan agitación térmica y toman direcciones aleatorias. Al aplicarse un campo, la dirección de los espines cambia ligeramente y ocurre un magnetismo débil, orientado en la misma dirección que el campo aplicado. La susceptibilidad es inversamente proporcional a la temperatura.
Ferromagnetismo
El ferromagnetismo, tal como señala Sadiku ocurre en los materiales que presentan átomos con un momento magnético permanente relativamente alto. El hierro es el más conocido de los materiales ferromagnéticos y es por ello que se les nombra así, otros ejemplos son el níquel y el cobalto. La magnetización de los materiales ferromagnéticos puede ser bastante mayor que los paramagnéticos. Una manera de explicar el ferromagnetismo es a partir de los denominados “dominios magnetizados”, descubiertos en 1907 por el físico francés Pierre Weiss.
Un conjunto de dominios magnetizados compone un material ferromagnético, estos dominios son muy pequeños, contienen de 10^15 o 10^16 átomos y dipolos magnéticos alineados como resultado de los electrones giratorios, incluso en ausencia de un campo magnético aplicado, es por ello que se dice que están totalmente magnetizados. En un dominio, los átomos tienen momentos dipolares magnéticos fuertemente acoplados, estas fuertes fuerzas de acoplamiento mantienen los momentos dipolares en paralelo.
Los dominios están divididos por la denominada “pared de dominio”. En un material ferromagnético no magnetizado, los dominios contiguos tienen momentos magnéticos con diferentes direcciones aleatorias, por lo que no produce una magnetización total o neta, es manifestar, cada uno está magnetizado de una manera espontánea y en una dirección arbitraria, por lo que la magnetización resultante es nula.
Ahora, cuando es aplicado un campo magnético externo al material ferromagnético, se alinean los momentos magnéticos de algunos dominios y las paredes de estos dominios adyacentes con momentos magnéticos alineados se mueven y, por lo tanto, el volumen de estos dominios aumenta y con ello la densidad de flujo magnético aumenta también.
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