Materiales magnéticos y magnetización
Aumenta μ_r y el campo interior se refuerza
Una barra de material magnético está dentro de un campo magnético externo que apunta hacia arriba. Las flechas celestes son el campo externo, y las pequeñas flechas de la barra son imanes atómicos. Al aumentar con el deslizador la permeabilidad relativa μ_r, los imanes atómicos se alinean con más claridad en la misma dirección, y la flecha dorada, el campo neto dentro de la barra, se alarga.
Qué es un material magnético
Los electrones de los átomos llevan pequeños momentos magnéticos debidos a su movimiento orbital y a su espín, y en muchos átomos estos se suman y forman un pequeño imán del tamaño de un átomo. Normalmente estos imanes apuntan cada uno hacia un lado y se anulan, así que no hay campo magnético neto. Pero al aplicar un campo externo empiezan a alinearse con él. No se hace pasar una corriente nueva; se ponen en fila los imanes atómicos que ya existen, y esta capacidad de un material de comportarse como un imán se llama magnetismo.
Magnetización M, los momentos se alinean
Un campo externo alinea innumerables imanes atómicos en su dirección. El grado de alineación, expresado como momento magnético por unidad de volumen, es la magnetización M. Se parece mucho a la polarización de EM-10, pero se diferencia en que la polarización es carga separada un poco, mientras que la magnetización son imanes ya existentes que se ponen en fila. Cuando los imanes atómicos alineados apuntan en una dirección, sus campos se suman todos del mismo lado.
El campo neto crece
Aquí está la diferencia decisiva con los dieléctricos. La carga ligada de un dieléctrico creaba un campo opuesto al campo eléctrico externo y lo debilitaba, pero los imanes atómicos alineados añaden un campo en la misma dirección que el campo magnético externo y lo refuerzan. Por eso el campo neto es más fuerte que fuera, y el factor de refuerzo es la permeabilidad relativa μ_r. B = μ_r B₀. Esta fórmula funciona bien cuando el material es alargado en la dirección del campo. En los paramagnéticos μ_r es un poco mayor que 1, mientras que en los ferromagnéticos como el hierro o el níquel llega a cientos o decenas de miles y agranda muchísimo el campo. En los diamagnéticos μ_r es algo menor que 1, así que debilitan un poco el campo y son expulsados de los campos intensos.
Permeabilidad, H y B
Para tratar por separado la parte de la magnetización se usa la intensidad de campo magnético H. La densidad de flujo magnético B combina la H aplicada desde fuera y la magnetización M que aporta el material. B = μ₀(H + M). En un material magnético lineal, M es proporcional a H, así que queda limpio como B = μH, con permeabilidad μ = μ_r μ₀. Se puede pensar así: la circulación de H la fija solo la corriente libre, y B es el campo real que incluye la parte de la magnetización. Los ferromagnéticos no son lineales y muestran histéresis, quedando magnetizados una vez que se magnetizan, y esa propiedad es la base de los imanes permanentes y los medios de grabación.
De vuelta a la primera pantalla
En la primera pantalla, al aumentar μ_r los imanes atómicos de la barra se alinearon con más claridad, y la flecha dorada del campo neto se fue alargando, porque los imanes alineados sumaban campo en la misma dirección que el externo. El factor de refuerzo es justamente μ_r. B = μ_r B₀. Al revés que un dieléctrico, que suaviza el campo eléctrico, un material magnético agranda el campo magnético, y por eso, al meter un núcleo de hierro en una bobina, la inductancia salta en un factor μ_r (EM-17).
La última pieza de la magnetostática es la energía. La energía almacenada en bobinas y materiales magnéticos está en realidad en el propio campo magnético. La próxima unidad (EM-19 energía magnética) la ve como la densidad de energía del campo, u = B²/(2μ). Forma pareja con la energía electrostática u = ½εE², y el ½LI² de una bobina también sale de aquí. Con eso se cierran las siete unidades de la magnetostática, y pasamos a los campos que cambian con el tiempo y a las ecuaciones de Maxwell.