Ecuaciones de Maxwell Clase de hoy Magnetismo en la materia

Magnetismo en la materia Los átomos tienen momentos de dipolo magnético debido al movimiento de sus electrones y momentos de dipolo magnético asociados con el spin de los electrones. Alineamiento de los dipolos magnéticos paralelos a un campo magnético externo incrementan el campo. Esto es diferente para dipolos eléctricos + -

Magnetismo en la materia Lejos del dipolo, las líneas de E y B son los mismos. Entre las cargas del dipolo eléctrico, las líneas de campo están en dirección opuesta al momento del dipolo. Así, dentro de un material magnéticamente polarizado, los dipolos magnéticos crean un campo magnético B paralelo a los vectores del momento magnético + -

Magnetismo en la materia Los materiales caen en tres categorías, dependiendo de su comportamiento de sus momentos magnéticos en un campo magnético externo. Paramagnéticos Diamagnéticos Ferromagnéticos. Paramagnetismo: originado por el alineamiento parcial de los espines del electrón (en metales) o de momentos magnéticos atómicos o moleculares por un campo magnético aplicado en la dirección del campo.

Magnetismo en la materia En materiales paramagnéticos, los momentos dipolares no interactúan fuertemente uno con otro y están aleatoriamente orientados. Cuando un campo externo es aplicado, los dipolos son parcialmente alineados en la dirección del campo incrementándose este campo. Pero para campos ordinariamente fuertes, solamente una pequeña fracción son alineados debido al movimiento térmico que aleatoriza su orientación, así su incremento en el campo magnético es pequeño.

Magnetismo en la materia Ferromagnetismo: mucho más complicado. Fuerte interacción entre dipolos magnéticos vecinos, alto grado de alineamiento ocurre aún en campos externos débiles causando un incremento muy grande en el campo total. Aún sin campo externo, los materiales ferromagnéticos tienen sus momentos alineados, como magnetos permanentes. Diamagnetismo: originado de los momentos dipolares magnéticos orbitales inducidos por un campo magnético aplicado.( Sigue )

Magnetismo en la materia Estos momentos son opuestos a la dirección del campo aplicado, así que decrece el campo total. Ocurre en todos los materiales, pero debido a que los momentos magnéticos inducidos son pequeños comparados con los momentos magnéticos permanentes el diamagnetismo es enmascarado por efectos paramagnéticos o ferromagnéticos. El diamagnetismo es observado solamente en materiales que no tienen momentos magnéticos permanentes.

Magnetización y susceptibilidad magnética Cuando algunos materiales son colocados en campo B fuerte tal como el de un solenoide, el campo B alinea los momentos del dipolo magnético (ambos permanentes e inducidos) dentro del material los materiales son entonces magnetizados. Describiremos los materiales magnetizados por su magnetización M, definido como el momento dipolar neto por unidad de volumen del material:

Magnetización y susceptibilidad magnética Magnetización de Amperè del material debido a corrientes microscópicas de las espiras dentro del material magnetizado. Hoy conocemos que las corrientes de las espiras son el resultado de movimientos intrínsecos de cargas de corriente. Consideremos un cilindro de material magnetizado. Las corrientes atómicas en el cilindro están alineados con sus momentos magnéticos a lo largo del eje del cilindro.

Magnetización y susceptibilidad magnética La cancelación de las espiras vecinas, la corriente neta en algún punto dentro del material es cero. Una corriente neta sobre la superficie del material similar a la corriente serpenteante de un solenoide. La corriente superficial es llamada una corriente amperiana

Magnetización y susceptibilidad magnética Consideremos un disco pequeño, de área de sección transversal A y espesor dl, vol dV=Adl. La magnitud del momento del dipolo magnético es el mismo como el de una espira de área A portando una corriente di. ( di- corriente amperiana sobre la superficie) dl di A

Magnetización y susceptibilidad magnética La magnetización del disco es el momento magnético por unidad de volumen: dl La magnitud del vector de magnetización = corriente amperiana por unidad de longitud a lo largo de la superficie del material magnetizado. di A

Magnetización y susceptibilidad magnética Consideremos un cilindro con vector de magnetización uniforme M paralelo a su eje. El efecto es el mismo como si el cilindro llevará una corriente superficial por unidad de longitud de magnitud M. Las corrientes son similares a corriente que es llevada por un solenoide. En un solenoide, corriente /long=nI (n es el número de vueltas por unidad e I es la corriente en cada vuelta). La magnitud del campo magnético Bm en el cilindro y lejos de su borde esta dado por:

Magnetización y susceptibilidad magnética Ahora coloquemos el cilindro de material magnético dentro solenoides grandes (n vueltas/longitud, corriente I). El campo aplicado del solenoide es: Este campo magnetiza al material así que este tiene una magnetización: El campo magnético resultante en un punto dentro del solenoide y lejos de sus bordes debido a la corriente en el solenoide mas el material magnetizado:

Magnetización y susceptibilidad magnética Materiales paramagnéticos y ferromagnéticos tienen M en la misma dirección de Bapp En los materiales diamagnéticos M es opuesto a Bapp La magnetización de los materiales paramagnéticos y ferromagnéticos M es proporcional al campo magnético aplicado que produce alineamiento de los dipolos magnéticos en el material. Por lo tanto:

Valores típicos para sólidos es 10-5, Km =1 Magnetización y susceptibilidad magnética Entonces tenemos: Para materiales paramagnéticos la permeabilidad relativa es un número positivo pequeño que depende de la temperatura. Para materiales diamagnéticos la permeabilidad relativa este es un número negativo pequeño que depende de la temperatura. Valores típicos para sólidos es 10-5, Km =1

Magnetización y susceptibilidad magnética La magnetización de materiales paramagnéticos es más complicada. Km varía drásticamente teniendo valores máximos entre 5000-100,000. Para magnétos permanentes Km no esta definida, entonces, cada material exhibe magnetización aún en ausencia de un campo aplicado.

Momentos magnéticos atómicos Podemos relacionar la magnetización de los materiales paramagnéticos o ferromagnéticos con los momentos magnéticos permanentes de los átomos individuales o los electrones del material. q m v r Consideremos una partícula de masa m y carga q moviéndose con una velocidad v en un círculo de radio r. La magnitud del momento angular de la partícula: La magnitud del momento magnético es:

Momentos magnéticos atómicos T= tiempo para completar una revolución. Corriente (carga pasando por un punto por unidad de tiempo) es q/T: El momento magnético es entonces: Si la carga q es positiva, el momento angular y el momento magnético están en la misma dirección y están relacionados por:

Momentos magnéticos atómicos Aunque el resultado es clásico, se mantiene en la teoría cuántica para el momento angular orbital del átomo, pero no para el momento angular del spin del electrón. Para el spin del electrón, el momento magnético es dos veces el resultado. Entonces L está cuantizado, el momento magnético de un átomo también está cuantizado. El momento angular cuántico (L) es h/2π --h es la constante de Planck.

Momentos magnéticos atómicos Electrón m=me y q=-e, así el momento magnético del electrón debido a su movimiento orbital es: Es la unidad cuántica del momento magnético llamado magnetón de Bohr

Momentos magnéticos atómicos El momento magnético de un electrón debido a su momento angular de spin intrínseco: Calcular el momento magnético de algunos átomos es complicado en la teoría cuántica. El resultado para todos los electrones (de ambas teoría y experimento) es que el momento magnético es del orden de pocos magnetones de Bohr. Para átomos con momento angular neto cero, el momento magnético es cero.

Momentos magnéticos atómicos Si todos los átomos o moléculas tienen sus momentos magnéticos alineados, el momento magnético por unidad de volumen del material es el producto del número de moléculas por unidad de volumen n y el momento magnético  de cada molécula. Este es un caso extremo con saturación de la magnetización Ms Para obtener n, necesitamos la masa molecular M, la densidad del material ρ y el número de Avogadro NA:

Ejemplo Encontrar la magnetización de saturación y el campo magnético que produce el hierro, suponiendo que cada átomo de hierro tiene un momento magnético de 1 magnetón de Bohr. Campo magnético de saturación: n está dado por:

Continuación de ejemplo Entonces un magnetón de Bohr Por lo tanto: Campo magnético sobre el eje dentro de un cilindro largo resultado de su magnetización máxima.

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