INVESTIGACION

MATERIALES MAGNÉTICOS

En algunos materiales, a los que llamaremos materiales magnéticos, se observa que sus átomos o iones se comportan como si fuesen pequeños imanes que interactúan entre sí. En estos casos se dice que los átomos tienen un momento magnético diferente de cero, el cual se caracteriza por su magnitud y la dirección en la que está orientado. En lo sucesivo, a estos pequeños imanes los denominaremos espines magnéticos o espines.

Pero no todos estos materiales se comportan de la misma manera, debido a que sus propiedades magnéticas dependen de dos factores. Éstos son: la magnitud de sus espines individuales, y la orientación relativa de éstos: Si los espines no tuviesen ninguna interacción, ya sea entre ellos o con sus alrededores, entonces cada uno de ellos podría apuntar en cualquier dirección, puesto que no tendría preferencia alguna. Sin embargo, éste no es en general el caso: la orientación que tomará cada uno de ellos dependerá del balance de varios factores que pueden resumirse en factores internos y externos.

Como su nombre lo indica, los factores internos dependen de las características intrínsecas de cada material, esto es, del tipo de interacciones entre los espines. Por otro lado, los factores externos son los que están relacionados con el ambiente, es decir, que dependen de la interacción del sistema con sus alrededores. Como ejemplo de factores externos tenemos la posible existencia de un campo magnético producido por una fuente ajena al material, y por otro lado, de manera muy importante, la temperatura ambiental, ya que el medio ambiente funciona como una fuente de calor y agitación para el material.

Un ejemplo típico de un material magnético, que todos conocemos, es el de los imanes permanentes. En este caso, una gran parte de los espines está alineada permanentemente en la misma dirección relativa. Y aunque el campo producido por cada uno estos espines es muy pequeño, al sumarse sus contribuciones individuales se produce un campo magnético que puede observarse macroscópicamente.

En el otro extremo tenemos los materiales paramagnéticos. En estos materiales los espines apuntan en direcciones totalmente azarosas, por lo que las contribuciones de los espines individuales tienden a anularse. Como consecuencia, a nivel macroscópico no se observa un campo magnético resultante. Sin embargo, existen localmente pequeños campos magnéticos producidos por los espines, y un pequeño "imán de prueba" sentirá las variaciones de este campo a lo largo del material.

     Las interacciones entre los espines son originadas por mecanismos diversos,                   algunos de los cuales no son del todo conocidos. Sin embargo, para nuestra discusión, únicamente es pertinente conocer el efecto de dichas interacciones, sin importar las causas que las originan. Lo que sí es necesario señalar es que debido a un principio muy general de la naturaleza, la orientación final de los espines será aquella en donde la energía libre del sistema sea mínima. Para explicar a qué nos referimos, haremos una analogía entre un par de espines microscópicos y dos imanes permanentes. Esta analogía nos permitirá hacernos una idea acerca de lo que sucede a nivel molecular.

Materiales Magnéticos

Existen unos cuantos materiales que son magnéticos de forma natural, o que tienen el potencial de convertirse en imanes. Algunos de estos materiales son:

• hierro
• hemática
• magnetita
• gases ionizados, (como el material del que están hechas las estrellas )

Se puede hacer un imán para atraer objetos que contengan material magnético, como el hierro, aunque este no esté magnetizado. Pero no se puede hacer un imán para atraer materiales plásticos, de algodón o de cualquier otro material, como roca de silicato, pues estos no son materiales magnéticos.

El que un material contenga hierro, o cualquier otro material magnético, no significa que sea un imán. Para que un material magnético se pueda convertir en un imán ha de tener condiciones especiales . Esto se debe a que un imán es un objeto de donde emana la fuerza del magnetismo.

Las relaciones constitutivas que caracterizan los distintos materiales presentan una gran diversidad, a diferencia de lo que ocurre con los dieléctricos o con los medios conductores.

Entre los distintos tipos de materiales, los más importantes son los siguientes:

 Medios lineales

Son aquellos en los que la magnetización es proporcional al campo magnético

siendo χ_m la susceptibilidad magnética. Para los medios lineales, el campo magnético es también proporcional al campo magnético

Diamagnético

Poseen una susceptibilidad negativa. En estos materiales, el campo se ve reducido por efecto de la magnetización inducida, que se opone al campo externo. Para casi todos los diamagnéticos y puede aproximarse .

 Paramagnéticos

Tienen una susceptibilidad positiva. En los materiales paramagnéticos la magnetización refuerza al campo externo. La mayoría de los medios paramagnéticos tienen una susceptibilidad muy pequeña y . No obstante, existen sustancias paramagnéticas con muy alta susceptibilidad; estas sustancias, a bajas temperaturas se transforman en ferromagnéticas.

 Ferromagnéticos

Se caracterizan por ser capaces de presentar una magnetización remanente en ausencia de campo externo, pudiendo ser empleados como imanes permanentes. Cuando se les aplica un campo externo presentan lo que se denomina ciclo de histéresis}. El estado, para un campo H dado, depende del proceso previo. Cuando el campo aplicado es muy intenso, los materiales ferromagnéticos presentan saturación. Al reducir el campo a cero, persiste una magnetización remanente, M_r. Es necesario aplicar un campo opuesto (campo coercitivo, H_c) para reducir la imanación a cero. Con un campo opuesto más intenso, vuelve a aparecer la saturación y el proceso puede repetirse en sentido opuesto. Los ferromagnéticos se dividen en blandos, cuando H_c es pequeño, y duros, si H_c es grande.

Ferritas

También conocidos como ferrimagnéticos. Similares a los ferromagnéticos en su comportamiento frente a un campo magnético, con la diferencia de que su conductividad eléctrica es muy inferior, lo que reduce las pérdidas por efecto Joule. Suelen ser óxidos metálicos como la magnetita.

Superconductores

Además de por una resistividad eléctrica nula, los materiales superconductores se caracterizan porque el campo magnético en su interior es siempre nulo (efecto Meissner). Se inducen corrientes en la superficie de los superconductores que provocan que . Alternativamente, puede decirse que un superconductor es un diamagnético perfecto (χ_m = − 1, μ = 0).

DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO

La densidad de flujo magnético, visualmente notada como B, es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y es igual a la intensidad del campo magnético.

La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Tesla.

Está dado por:

donde B es la densidad del flujo magnético generado por una carga q que se mueve a una velocidad v a una distancia r de la carga, y ur es el vector unitario que une la carga con el punto donde se mide B (el punto r).

o bien

donde B es la densidad del flujo magnético generado por un conductor por el cual pasa una corriente I, a una distancia r. Este campo B también se llama inducción magnética.

La fórmula de esta definición se llama Ley de Biot-Savart, y es en magnetismo la “equivalente” a la Ley de Coulomb de la electrostática: Sirve para calcular fuerzas de atracción-repulsión entre conductores atravesados por corrientes de carga.

El campo inducción, B, o densidad de flujo magnético (los tres nombres son equivalentes) es incluso mas importante en electromagnetismo que el propio campo magnetico H, y aparece en las ecuaciones de Maxwell con mayor relevancia que este.

Las ecuaciones de Maxwell son las ecuaciones que describen los fenómenos electromagnéticos. La gran contribución de James Clerk Maxwell fue reunir en estas ecuaciones largos años de resultados experimentales, debidos a Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros, introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético. De las ecuaciones de Maxwell se desprende la existencia de ondas electromagnéticas propagándose con velocidad vf:

El valor numérico de esta cantidad, que depende del medio material, coincide con el valor de la velocidad de la luz en dicho medio, con lo cual Maxwell identificó la luz con una onda electromagnética, unificando la óptica con el electromagnetismo.

MAGNETISMO TERRESTRE

El campo magnético terrestre presente en la Tierra no es equivalente a un dipolo magnético con el polo S magnético próximo al Polo Norte geográfico, y, con el polo N de campo magnético cerca del Polo Sur geográfico, sino más bien presenta otro tipo especial de magnetismo. Es un fenómeno natural originado por los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta y está presente en la Tierra y en otros cuerpos celestes como el Sol.

Se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior (sin límite), con efectos electromagnéticos conocidos en la magnetosfera que nos protege del viento solar, pero que además permite fenómenos muy diversos como la orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magneto recepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas.

Una brújula apunta en la dirección Sur-Norte por tratarse de una aguja imantada inmersa en el campo magnético terrestre: desde este punto de vista, la Tierra se comporta como un imán gigantesco y tiene polos magnéticos, los cuales, en la actualidad, no coinciden con los polos geográficos.

Magnetismo terrestre. El fenómeno del magnetismo terrestre se debe a que toda la Tierra se comporta como un gigantesco imán. Aunque no fue hasta 1600 que se señaló esta similitud, los efectos del magnetismo terrestre se habían utilizado mucho antes en las brújulas primitivas. El nombre dado a los polos de un imán (Norte y Sur) se debe a esta similitud. Un hecho a destacar es que los polos magnéticos de la Tierra no coinciden con los polos geográficos de su eje. Las posiciones de los polos magnéticos no son constantes y muestran ligeros cambios de un año para otro, e incluso existe una pequeñísima variación diurna solo detectable con instrumentos especiales.

Declinación. La diferencia angular entre el Norte magnético y el Norte geográfico, se denomina declinación. La declinación es Este cuando el norte magnético está al este del norte geográfico, y es Oeste cuando el norte magnético está al oeste del norte geográfico. En España la declinación es Oeste. La declinación varía de un lugar a otro. Dado que las variaciones no son muy grandes, se suele asumir una misma declinación para zonas geográficas próximas (p.ejemplo la Península Ibérica, uno o más Estados en EE.UU, etc...).

Inclinación. Dependiendo de la zona magnética del planeta en la que nos encontremos la aguja de nuestra brújula puede llegar a inclinarse sobre una superficie totalmente nivelada, hasta llegar a tocar el cristal protector y bloquearse. Este efecto es consecuencia directa de la curvatura de la tierra y de encontrarse en latitudes muy cercanas o alejadas del polo magnético. Así pues, en latitudes cercanas al Polo Norte magnético, la aguja tenderá a bajar, mientras que en latitudes cercanas al polo sur, la aguja tenderá a subir. Para solucionar este problema existe un tipo de brújulas llamadas de "Tipo Global", que lo corrigen.

El Polo Sur Magnético se encuentra a 1800 kilómetros del Polo Norte Geográfico En consecuencia, una brújula no apunta exactamente hacia el Norte geográfico; la diferencia, medida en grados, se denomina declinación magnética La declinación magnética depende del lugar de observación, por ejemplo actualmente en Madrid (España) es aproximadamente 3º oeste. El polo Sur magnético está desplazándose por la zona norte canadiense en dirección hacia el norte de Alaska.

 Las variaciones del campo terrestre orientación de los dominios magnéticos de las rocas y el ligero magnetismo resultante se puede medir.

Midiendo el magnetismo de rocas situadas en estratos formados en periodos geológicos distintos se elaboraron mapas del campo magnético terrestre en diversas eras. Estos mapas muestran que ha habido épocas en que el campo magnético terrestre se ha reducido a cero para luego invertirse.

Durante los últimos cinco millones de años se han efectuado más de veinte inversiones, la más reciente hace 700.000 años. Otras inversiones ocurrieron hace 870.000 y 950.000 años.

No se puede predecir cuándo ocurrirá la siguiente inversión porque la secuencia no es regular. Ciertas mediciones recientes muestran una reducción del 5% en la intensidad del campo magnético en los últimos 100 años, hecho que ha estimado que el campo magnético terrestre prácticamente desaparecerá dentro de unos 1500 años aproximadamente. En la Anomalía del Atlántico Sur, la fuerza del campo magnético está disminuyendo diez veces más rápido que en otros lugares

TEORÍAS DEL MAGNETISMO

1.- existen varias teorías que tratan de explicar por qué se magnetizan algunas sustancias; la más aceptad actualmente es la del físico alemán Guillermo weber. Dicha teoría establece que los metales magnéticos como el hierro, cobalto y níquel, están formados por innumerables imanes elementales muy pequeños. Antes de magnetizarse cualquier trozo de alguno de estos metales, los diminutos imanes elementales están orientados imanes elementales están orientados al azar, es decir, en diferentes direcciones. cuando se comienza a magnetizar cualquier trozo de estos metales, los imanes elementales giran asta alinearse en forma paralela al campo , los imanes elementales giran asta alinearse en forma paralela al campo que los maque los magnetiza totalmente.

2.- La teoría del magnetismo de la tierra dice que este núcleo actúa como un gigantesco imán, gracias al cual pueden funcionar las brújulas por ejemplo. Esta es una de las primeras teorías del magnetismo descubiertas, fué formulada en el año 1600 y desde entonces es aceptada como un hecho comprobado infinidad de veces.

Hasta el siglo XIII el magnetismo no fue demasiado tenido en cuenta por la ciencia. Recién entonces los científicos comenzaron a preguntarse cómo funcionaba el fenómeno del magnetismo, hasta que recién en el siglo XIX se comenzó a estudiar el magnetismo.

3.-  Fue James C. Maxwell

quien completó el estudio del magnetismo y formuló las leyes que rigen este fenómeno. Hoy en día es imposible estudiar el magnetismo y la electricidad de manera separada. El magnetismo es generado por el movimiento de cargas eléctricas, y la teoría de Maxwell logra unificar todas las teorías tanto de electricidad como de magnetismo que existían en ese momento. Dentro de las ecuaciones de Maxwell está la Ley de Gauss, que fue propuesta originalmente por Carl Gauss. Esta teoría relaciona los campos magnéticos, sus fuentes y las cargas eléctricas. Puede ser aplicada sobre campos eléctricos o magnéticos estáticos o variables, y pone en evidencia la inexistencia de un polo magnético único e independiente. De acuerdo con esta teoría, no existe un polo positivo o negativo aislado.

4.-  En 1947, Blackett introdujo una teoría para explicar el campo magnético de la tierra en función de su rotación, con la esperanza de que unificara la fuerza electromagnética y la fuerza de la gravedad. Pasó varios años desarrollando magnetómetros de alta calidad para probar su teoría.