Magnetización: momento magnético orbital y de espín, ejemplos
La magnetización es una cantidad vectorial que describe el estado magnético de un material y se define como la cantidad de momentos magnéticos dipolares por unidad de volumen. Se puede considerar a un material magnético -hierro o níquel por ejemplo-, como si estuviera constituido por muchos pequeños imanes llamados dipolos.
Normalmente estos dipolos, que a su vez poseen polos magnéticos norte y sur, están distribuidos con cierto grado de desorden dentro del volumen del material. El desorden es menor en materiales con fuertes propiedades magnéticas como el hierro y mayor en otros con menor magnetismo evidente.
Sin embargo, al colocar el material en medio de un campo magnético externo, como el que se produce dentro de un solenoide, los dipolos se orientan según el campo y el material es capaz de comportarse como un imán (figura 2).
Sea M el vector de magnetización, que se define como:
Ahora bien, la intensidad de la magnetización en el material, producto de encontrarse inmerso en el campo externo H, es proporcional a este, por lo tanto:
M∝ H
La constante de proporcionalidad depende del material, se denomina susceptibilidad magnética y se denota como χ:
M=χ. H
Las unidades de M en el Sistema Internacional son ampere/metro, al igual que las de H, por tanto χ es adimensional.
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El magnetismo surge a partir de cargas eléctricas en movimiento, por lo tanto para determinar el magnetismo del átomo, hay que tomar en cuenta los movimientos de las partículas cargadas que lo constituyen.
Comenzando con el electrón, al cual se considera orbitando al núcleo atómico, es como una diminuta espira (circuito cerrado o lazo cerrado de corriente). Este movimiento contribuye al magnetismo del átomo gracias al vector momento magnético orbital m, cuya magnitud es:
m = I.A
Donde I es la intensidad de corriente y A es el área encerrada por la espira. Por lo tanto, las unidades de m en el Sistema Internacional (SI) son amperios x metro cuadrado.
El vector m es perpendicular al plano de la espira, como se muestra en la figura 3 y se dirige según lo indicado por la regla del pulgar derecho.
El pulgar se orienta en el sentido de la corriente y los cuatro dedos restantes se enrollan alrededor de la espira, apuntando hacia arriba. Este pequeño circuito equivale a un imán de barra, tal como lo indica la figura 3.
Aparte del momento magnético orbital, el electrón se comporta como si girase sobre sí mismo. No sucede exactamente de esta forma, pero el efecto resultante es el mismo, así que se trata de otra contribución que es preciso tomar en cuenta para el momento magnético neto de un átomo.
De hecho, el momento magnético de espín es más intenso que el momento orbital y es el principal responsable del magnetismo neto de una sustancia.
Los momentos de espín se alinean en presencia de un campo magnético externo y crean un efecto cascada, alineándose sucesivamente con los momentos vecinos.
No todos los materiales exhiben propiedades magnéticas. Estas se deben a que los electrones con espín opuesto forman parejas y cancelan sus respectivos momentos magnéticos de espín.
Solamente si alguno queda desapareado, hay contribución al momento magnético total. Por lo tanto, solo los átomos con número impar de electrones tienen la posibilidad de ser magnéticos.
Los protones en el núcleo atómico también hacen una pequeña contribución al momento magnético total del átomo, porque también tienen espín y por consiguiente un momento magnético asociado.
Pero este depende inversamente con la masa, y la del protón es mucho más grande que la del electrón.
En el interior de una bobina, por la cual pasa una corriente eléctrica, se crea un campo magnético uniforme.
Y tal como se describe en la figura 2, al colocar allí un material, los momentos magnéticos de este se alinean con el campo de la bobina. El efecto neto es producir un campo magnético más intenso.
Los transformadores, dispositivos que aumentan o disminuyen voltajes alternos, son buenos ejemplos. Constan de dos bobinas, la primaria y la secundaria, arrolladas sobre un núcleo de hierro dulce.
Por la bobina primaria se hace pasar una corriente cambiante que modifica alternadamente las líneas de campo magnético dentro del núcleo, lo cual a su vez induce una corriente en la bobina secundaria.
La frecuencia de la oscilación es la misma, pero la magnitud es diferente. De esta manera, se pueden obtener voltajes mayores o menores.
En vez de enrollar las bobinas a un núcleo de hierro macizo, es preferible poner un relleno de láminas de metal recubiertas de barniz.
La razón se debe a la presencia de las corrientes de Foucault dentro del núcleo, que tienen el efecto de recalentarlo sobremanera, pero las corrientes inducidas en las láminas son menores, y por ello se minimiza el calentamiento del dispositivo.
Un teléfono celular o un cepillo de dientes eléctrico pueden cargarse por inducción magnética, lo que se conoce como carga inalámbrica o carga inductiva.
Funciona de la siguiente manera: se dispone de una base o estación de carga, la cual posee un solenoide o bobina principal, por la que se hace pasar una corriente cambiante. En el mango del cepillo se coloca otra bobina (secundaria).
La corriente en la bobina primaria induce a su vez una corriente en la bobina del mango cuando el cepillo se coloca en la estación de carga, y esta se ocupa de cargar la batería que también se encuentra en el mango.
La magnitud de la corriente inducida se incrementa cuando se coloca en la bobina principal un núcleo de material ferromagnético, que puede ser hierro.
Para que la bobina primaria detecte la cercanía de la bobina secundaria, el sistema emite una señal intermitente. Una vez recibe respuesta, se activa el mecanismo descrito y se comienza a inducir la corriente sin necesidad de cables.
Otra interesante aplicación de las propiedades magnéticas de la materia son los ferrofluidos. Estos consisten en diminutas partículas magnéticas de un compuesto de ferrita, suspendidas en medio líquido, que puede ser orgánico o incluso agua.
Las partículas se recubren con una sustancia que previene su aglomeración, y así permanezcan distribuidas en el líquido.
La idea es que la capacidad de fluir del líquido se combine con el magnetismo de las partículas de ferrita, que por sí mismas no son fuertemente magnéticas, pero adquieren una magnetización en presencia de un campo externo, tal como se ha descrito antes.
La magnetización adquirida desaparece en cuanto se retira el campo externo.
Los ferrofluidos fueron originalmente desarrollados por la NASA para movilizar el combustible dentro de una nave sin gravedad, dando impulso con ayuda de un campo magnético.
Actualmente, los ferrofluidos tienen muchas aplicaciones, algunas todavía en fase experimental, como por ejemplo:
– Reducir la fricción en el amortiguador de los altavoces y audífonos (evitan la reverberación).
– Permitir la separación de materiales con diferente densidad.
– Actuar como sellos en los ejes de los discos duros y repeler la suciedad.
– Como tratamiento contra el cáncer (en fase experimental). El ferrofluido se inyecta en las células cancerosas y se aplica un campo magnético que produce pequeñas corrientes eléctricas. El calor generado por estas ataca las células malignas y las destruye.
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