- Moment magnètic orbital i d'espín
- Moment magnètic de spin
- exemples
- Carregadors sense fil
- ferrofluids
- referències
La magnetització és una quantitat vectorial que descriu l'estat magnètic d'un material i es defineix com la quantitat de moments magnètics dipolars per unitat de volum. Es pot considerar a un material magnètic -ferro o níquel per exemple-, com si estigués constituït per molts petits imants anomenats dipols.
Normalment aquests dipols, que al seu torn posseeixen pols magnètics nord i sud, estan distribuïts amb cert grau de desordre dins el volum de l'material. El desordre és menor en materials amb fortes propietats magnètiques com el ferro i major en altres amb menys magnetisme evident.
Figura 1. Els dipols magnètics es disposen a l'atzar a l'interior d'un material. Font: F. Zapata.
No obstant això, a l'col·locar el material enmig d'un camp magnètic extern, com el que es produeix dins d'un solenoide, els dipols s'orienten segons el camp i el material és capaç de comportar-se com un imant (figura 2).
Figura 2. Col·locant un material com un tros de ferro per exemple, a l'interior d'un solenoide pel qual passa un corrent I, el camp magnètic d'aquest alinea els dipols en el material. Font: F. Zapata.
Sigui M el vector de magnetització, que es defineix com:
Ara bé, la intensitat de la magnetització en el material, producte de trobar-se immers en el camp extern H, és proporcional a aquest, per tant:
M α H
La constant de proporcionalitat depèn de l'material, es denomina susceptibilitat magnètica i es denota com χ:
M = χ. H
Les unitats de M en el Sistema Internacional són ampere / metre, a l'igual que les de H, per tant χ és adimensional.
Moment magnètic orbital i d'espín
El magnetisme sorgeix a partir de càrregues elèctriques en moviment, per tant per a determinar el magnetisme de l'àtom, cal tenir en compte els moviments de les partícules carregades que el constitueixen.
Figura 3. El moviment de l'electró al voltant de l'nucli contribueix a l'magnetisme amb el moment magnètic orbital. Font: F. Zapata.
Començant amb l'electró, a el qual es considera orbitant a l'nucli atòmic, és com una diminuta espira (circuit tancat o llaç tancat de corrent). Aquest moviment contribueix a el magnetisme de l'àtom gràcies a el vector moment magnètic orbital m, la magnitud és:
On I és la intensitat de corrent i A és l'àrea tancada per l'espira. Per tant, les unitats de m en el Sistema Internacional (SI) són amperes x metre quadrat.
El vector m és perpendicular a l'pla de l'espira, com es mostra a la figura 3 i es dirigeix com dictamina la regla de l'polze dret.
El polze s'orienta en el sentit del corrent i els quatre dits restants s'enrotllen al voltant de l'espira, apuntant cap amunt. Aquest petit circuit equival a un imant de barra, tal com ho indica la figura 3.
Moment magnètic de spin
A part de el moment magnètic orbital, l'electró es comporta com si girés sobre si mateix. No passa exactament d'aquesta manera, però l'efecte resultant és el mateix, així que es tracta d'una altra contribució que cal prendre en compte per al moment magnètic net d'un àtom.
De fet, el moment magnètic d'espín és més intens que el moment orbital i és el principal responsable de l'magnetisme net d'una substància.
Figura 4. El moment magnètic d'espín és el que més contribueix a la magnetització neta d'un material. Font: F. Zapata.
Els moments d'espín s'alineen en presència d'un camp magnètic extern i creen un efecte cascada, alineant successivament amb els moments veïns.
No tots els materials exhibeixen propietats magnètiques. Aquestes es deuen al fet que els electrons amb espín oposat formen parelles i cancel·len els seus respectius moments magnètics de spin.
Només si algun queda desaparellat, hi ha contribució a el moment magnètic total. Per tant, només els àtoms amb nombre imparell d'electrons tenen la possibilitat de ser magnètics.
Els protons en el nucli atòmic també fan una petita donació a el moment magnètic total de l'àtom, perquè també tenen espín i per tant un moment magnètic associat.
Però aquest depèn inversament amb la massa, i la de l'protó és molt més gran que la de l'electró.
exemples
A l'interior d'una bobina, per la qual passa un corrent elèctric, es crea un camp magnètic uniforme.
I tal com es descriu a la figura 2, a l'col·locar-hi un material, els moments magnètics d'aquest s'alineen amb el camp de la bobina. L'efecte net és produir un camp magnètic més intens.
Els transformadors, dispositius que augmenten o disminueixen voltatges alterns, són bons exemples. Consten de dues bobines, la primària i la secundària, atropellades sobre un nucli de ferro dolç.
Figura 5. En el nucli de l'transformador ocorre una magnetització neta. Font: Wikimedia Commons.
Per la bobina primària es fa passar un corrent canviant que modifica alternativament les línies de camp magnètic dins el nucli, la qual cosa al seu torn indueix un corrent en la bobina secundària.
La freqüència de l'oscil·lació és la mateixa, però la magnitud és diferent. D'aquesta manera, es poden obtenir voltatges majors o menors.
En comptes d'enrotllar les bobines a un nucli de ferro massís, és preferible posar un farcit de làmines de metall recobertes de vernís.
La raó es deu a la presència de corrents de Foucault dins de el nucli, que tenen l'efecte de recalentarlo en gran manera, però els corrents induïts en les làmines són menors, i per això es minimitza l'escalfament de l'dispositiu.
Carregadors sense fil
Un telèfon mòbil o un raspall de dents elèctric poden carregar-se per inducció magnètica, el que es coneix com a càrrega sense fils o càrrega inductiva.
Funciona de la següent manera: es disposa d'una base o estació de càrrega, la qual posseeix un solenoide o bobina principal, per la qual es fa passar un corrent canviant. En el mànec de l'raspall es col·loca una altra bobina (secundària).
El corrent en la bobina primària indueix al seu torn un corrent en la bobina d'mànec quan el raspall es col·loca a l'estació de càrrega, i aquesta s'ocupa de carregar la bateria que també es troba en el mànec.
La magnitud del corrent induït s'incrementa quan es col·loca en la bobina principal un nucli de material ferromagnètic, que pot ser ferro.
Perquè la bobina primària detecti la proximitat de la bobina secundària, el sistema emet un senyal intermitent. Un cop rep resposta, s'activa el mecanisme descrit i es comença a induir el corrent sense necessitat de cables.
ferrofluids
Una altra interessant aplicació de les propietats magnètiques de la matèria són els ferrofluids. Aquests consisteixen en diminutes partícules magnètiques d'un compost de ferrita, suspeses en medi líquid, que pot ser orgànic o fins i tot aigua.
Les partícules es recobreixen amb una substància que prevé la seva aglomeració, i així romanguin distribuïdes en el líquid.
La idea és que la capacitat de fluir de el líquid es combini amb el magnetisme de les partícules de ferrita, que per si mateixes no són fortament magnètiques, però adquireixen una magnetització en presència d'un camp extern, tal com s'ha descrit abans.
La magnetització adquirida desapareix quan es retira el camp extern.
Els ferrofluids van ser originalment desenvolupats per la NASA per mobilitzar el combustible dins d'una nau sense gravetat, donant impuls amb ajuda d'un camp magnètic.
Actualment, els ferrofluids tenen moltes aplicacions, algunes encara en fase experimental, com per exemple:
- Reduir la fricció en el amortidor dels altaveus i audiòfons (eviten la reverberació).
- Permetre la separació de materials amb diferent densitat.
- Actuar com a segells en els eixos dels discos durs i repel·lir la brutícia.
- Com a tractament contra el càncer (en fase experimental). El ferrofluïd s'injecta en les cèl·lules canceroses i s'aplica un camp magnètic que produeix petits corrents elèctriques. La calor generada per aquestes ataca les cèl·lules malignes i les destrueix.
referències
- Brazilian Journal of Physics. Ferrofluids: Properties and applications. Recuperat de: sbfisica.org.br
- Figueroa, D. (2005). Sèrie: Física per a Ciències i Enginyeria. Volum 6. Electromagnetisme. Editat per Douglas Figueroa (USB). 215-221.
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th.Ed Prentice Hall. 560-562.
- Kirkpatrick, L. 2007. Física: Una mirada a l'món. 6ta Edició abreujada. Cengage Learning. 233.
- Shipman, J. 2009. Introduction to Physical Science. Cengage Learning. 206-208.