Materiales magnéticos y magnetización
Sube μ_r y mira crecer el campo
Una barra de material magnético está en un campo externo. Sube la permeabilidad relativa μ_r. ¿Cuánto se alinean los imanes atómicos dentro? ¿Qué pasa con el campo neto (la flecha dorada)?
Qué es un material magnético
Cada átomo lleva un pequeño momento magnético del movimiento y el espín de sus electrones: un imán del tamaño de un átomo. Normalmente apuntan en todas direcciones y se cancelan, así que no hay campo neto. Pero aplica un campo externo y empiezan a alinearse con él. No es una corriente, sino los imanes atómicos existentes puestos en fila. Esta capacidad de magnetizarse es el magnetismo.
Magnetización M, los momentos se alinean
Aplica un campo externo y un sinfín de imanes atómicos se alinean con él. El grado de alineación, como momento magnético por unidad de volumen, es la magnetización M. Refleja de cerca la polarización dieléctrica P de EM-10. La diferencia: la polarización era carga desplazándose un poco, mientras que la magnetización son imanes existentes poniéndose en fila. Cuando los imanes atómicos alineados apuntan todos a un lado, sus campos se suman en esa misma dirección.
El campo neto crece
Aquí se separa del dieléctrico de forma decisiva. La carga ligada de un dieléctrico creaba un campo opuesto al externo, debilitándolo. Los imanes atómicos alineados, en cambio, añaden un campo en la misma dirección que el externo, reforzándolo. Así que el campo neto es más fuerte que fuera. El factor de crecimiento es la permeabilidad relativa μ_r: B = μ_r B₀. Los paramagnéticos tienen μ_r apenas mayor que 1; los ferromagnéticos (hierro, níquel) alcanzan cientos a miles, amplificando el campo enormemente. Los diamagnéticos tienen μ_r apenas menor que 1 y empujan débilmente en contra.
Permeabilidad, H y B
Para tratar la magnetización por separado se usa la intensidad de campo H. La densidad de flujo B combina el H aplicado con la magnetización M que añade el material: B = μ₀(H + M). En un material lineal M es proporcional a H, así que B = μH limpiamente, con permeabilidad μ = μ_r μ₀. Piensa en H como la parte creada por corrientes libres y en B como el campo real incluyendo la magnetización. Los ferromagnéticos son no lineales: una vez magnetizados se resisten a volver, mostrando histéresis — la base de los imanes permanentes y los medios de grabación.
De vuelta a la primera pantalla
En la primera pantalla, subir μ_r alineó los imanes atómicos cada vez más nítidamente, y la flecha dorada del campo neto se hizo más y más larga, porque los imanes alineados añadieron su campo en la misma dirección que el externo. El factor de crecimiento es μ_r mismo: B = μ_r B₀. Justo al revés de cómo un dieléctrico domaba el campo eléctrico, un material magnético amplifica el campo magnético. Por eso poner un núcleo de hierro en una bobina hace saltar su inductancia por μ_r (EM-17).
La última pieza de la magnetostática es la energía. La energía almacenada en bobinas y materiales magnéticos reside de hecho en el propio campo magnético. La próxima unidad (EM-19, energía magnética) la ve como una densidad de energía de campo u = B²/(2μ). Es el equivalente magnético del electrostático u = ½εE², y de aquí sale también el ½LI² de la bobina. Eso completa las siete piezas de la magnetostática, y pasamos a los campos variables y a Maxwell.