Magnetismo
Sabías ...
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Electrostática
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Magnetoestática
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Electrodinámica
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Red eléctrica
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Formulación covariante Tensor electromagnético ( tensor de tensión-energía)
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El magnetismo es una clase de fenómenos físicos que incluye fuerzas ejercidas por los imanes en otros imanes. Tiene su origen en las corrientes eléctricas y los momentos magnéticos fundamentales de las partículas elementales. Estos dan lugar a una campo magnético que actúa sobre otras corrientes y momentos. Todos los materiales están influenciados en cierta medida por un campo magnético. El efecto más fuerte está en los imanes permanentes, que tienen momentos magnéticos persistentes causadas por ferromagnetismo. La mayoría de los materiales no tienen momentos permanentes. Algunos se sienten atraídos por un campo magnético ( paramagnetismo); otros son rechazados por un campo magnético ( diamagnetism); otros tienen una relación mucho más complejo con un campo magnético aplicado ( comportamiento vidrio giro y antiferromagnetismo). Las sustancias que se ve ligeramente influido por campos magnéticos se conocen como sustancias no magnéticas. Estos incluyen cobre , aluminio , los gases , y de plástico . Puro oxígeno presenta propiedades magnéticas cuando se enfría a una líquida estatal.
El estado magnético (o fase) de un material depende de la temperatura (y otras variables tales como la presión y el campo magnético aplicado) de manera que un material puede presentar más de una forma de magnetismo en función de su temperatura, etc.
Historia
Aristóteles atribuyó el primero de lo que podría llamarse una discusión científica sobre el magnetismo a Thales de Mileto, que vivió de cerca de 625 aC hasta el 545 aC. Por la misma época, en la antigua India , el Cirujano indio, Sushruta, fue el primero en hacer uso del imán para fines quirúrgicos.
En la antigua China , la primera referencia literaria al magnetismo reside en un libro del siglo cuarto antes de Cristo el nombre de su autor, El Maestro del Valle de los Demonios (鬼谷子): "El magnetita hace hierro vienen o que lo atrae "La primera mención de la atracción de una aguja aparece en una obra compuesta entre los años 20 y 100 (Louen-heng):".. Un imán atrae a una aguja "La antigua Científico chino Shen Kuo (1031-1095) fue la primera persona a escribir de la aguja de la brújula magnética y que mejora la precisión de la navegación empleando el astronómico concepto de norte verdadero ( Sueño piscina Ensayos, AD 1088), y por el siglo 12 los chinos eran conocidos por utilizar la piedra imán brújula para la navegación. Ellos esculpidos una cuchara direccional de imán de tal manera que el mango de la cuchara siempre apuntaba hacia el sur.
Alexander Neckham, por 1187, fue el primero en Europa para describir la brújula y su uso para la navegación. En 1269, Peter Peregrinus de Maricourt escribió la Epístola de magnete, el primer tratado existente que describe las propiedades de los imanes. En 1282, las propiedades de los imanes y la brújula seca fueron discutidas por Al-Ashraf, un Físico yemení, astrónomo, y geógrafo.
En 1600, William Gilbert publicó su De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (en el imán y magnéticos de los cuerpos, y en el Gran Imán de la Tierra). En esta obra se describen muchos de sus experimentos con el modelo de la tierra llamado terrella. A partir de sus experimentos, concluyó que la Tierra era en sí magnético y que esta era la razón brújulas apuntan al norte (anteriormente, algunos creyeron que era la estrella polar ( Polaris) o una gran isla magnética en el polo norte, que atrajo la brújula).
La comprensión de la relación entre la electricidad y el magnetismo se inició en 1819 con el trabajo de Hans Christian Oersted, profesor en la Universidad de Copenhague, que descubrió más o menos por casualidad que una corriente eléctrica podría influir en una aguja de la brújula. Este experimento histórico es conocido como Experimento de Oersted. Varios otros experimentos siguieron, con André-Marie Ampère, que en 1820 descubrió que el campo magnético que circula en una trayectoria cerrada estaba relacionada con la corriente que fluye a través del perímetro de la trayectoria; Carl Friedrich Gauss ; Jean-Baptiste Biot y Félix Savart, ambos de los cuales en 1820 se le ocurrió la Ley de Biot-Savart dando una ecuación para el campo magnético de un alambre de transporte de corriente; Michael Faraday , que en 1831 encontró que una variable en el tiempo del flujo magnético a través de un bucle de alambre de una tensión inducida, y otros encontrar otros enlaces entre el magnetismo y la electricidad . James Clerk Maxwell sintetizó y amplió estas observaciones en las ecuaciones de Maxwell , unificando la electricidad, el magnetismo y la óptica en el campo de electromagnetismo . En 1905, Einstein utilizó estas leyes en la motivación de su teoría de la relatividad especial , que requiere que las leyes eran válidas en todo marcos de referencia inerciales.
Electromagnetismo ha seguido desarrollando en el siglo 21, su incorporación a las teorías más fundamentales de Teoría Gauge, electrodinámica cuántica, la teoría electrodébil, y finalmente el modelo estándar .
Temas
Diamagnetism
Diamagnetism aparece en todos los materiales, y es la tendencia de un material para oponerse a un campo magnético aplicado, y por lo tanto, a ser repelida por un campo magnético. Sin embargo, en un material con propiedades paramagnéticas (es decir, con una tendencia a mejorar un campo magnético externo), el comportamiento paramagnético domina. Por lo tanto, a pesar de su ocurrencia universal comportamiento diamagnético se observa sólo en un material puramente diamagnético. En un material diamagnético, no hay electrones desapareados, por lo que los momentos magnéticos de electrones intrínseca no pueden producir ningún efecto mayor. En estos casos, la magnetización surge de movimientos orbitales de los electrones, que pueden ser entendidos clásicamente como sigue:
- Cuando un material es puesto en un campo magnético, los electrones que circundan el núcleo experimentarán, además de su Coulomb de atracción al núcleo, una Lorentz fuerza del campo magnético. Dependiendo de la dirección que el electrón está en órbita, esta fuerza puede aumentar la fuerza centrípeta sobre los electrones, tirando de ellos hacia el núcleo en, o puede disminuir la fuerza, tirando de ellos lejos del núcleo. Este efecto aumenta sistemáticamente los momentos magnéticos orbitales que fueron alineados frente al campo, y disminuye los alineado en paralelo al campo (de conformidad con La ley de Lenz). Esto se traduce en un pequeño momento magnético a granel, con una dirección opuesta al campo aplicado.
Tenga en cuenta que esta descripción se entiende sólo como una heurístico; una adecuada comprensión requiere un mecánico cuántico descripción.
Tenga en cuenta que todos los materiales se someten a esta respuesta orbital. Sin embargo, en las sustancias paramagnéticas y ferromagnéticas, el efecto diamagnético se siente abrumado por los efectos mucho más fuertes causados por los electrones no apareados.
Paramagnetismo
En un material paramagnético hay electrones no apareados, es decir, atómica o orbitales moleculares con exactamente un electrón en ellos. Mientras electrones apareados son requeridos por el Principio de exclusión de Pauli a tener su intrínseca ('giro') momentos magnéticos que apuntan en direcciones opuestas, haciendo que sus campos magnéticos que se anulan, un electrón no apareado está libre para alinear su momento magnético en cualquier dirección. Cuando se aplica un campo magnético externo, estos momentos magnéticos tenderán a alinearse en la misma dirección que el campo aplicado, por lo tanto reforzarla.
Ferromagnetismo
Un material ferromagnético, como una sustancia paramagnética, tiene electrones no apareados. Sin embargo, además de la tendencia intrínseca del momento magnético de los electrones a ser paralela a un campo aplicado, hay también en estas materias una tendencia a que estos momentos magnéticos a orientar paralelo entre sí para mantener un estado de energía más baja. Por lo tanto, incluso cuando se elimina el campo aplicado, los electrones en el material mantienen una orientación paralela.
Cada sustancia ferromagnética tiene su propia temperatura individual, llamado el Temperatura de Curie, o punto de Curie, por encima del cual pierde sus propiedades ferromagnéticas. Esto es debido a la tendencia térmica para el trastorno abruma la energía para bajar debido a la orden ferromagnético.
Algunos materiales ferromagnéticos conocidos que presentan propiedades magnéticas fácilmente detectables (para formar imanes ) son el níquel , hierro , cobalto , gadolinio y su aleaciones.
Dominios magnéticos
El momento magnético de los átomos en una material ferromagnético hacen que se comporte algo así como pequeños imanes permanentes. Ellos se unen y se alinean en pequeñas regiones de la alineación más o menos uniforme llamadas dominios magnéticos o Dominios de Weiss. Dominios magnéticos se pueden observar con un microscopio de fuerza magnética para revelar los límites de dominio magnético que se asemejan a las líneas blancas en el boceto. Hay muchos experimentos científicos que pueden mostrar físicamente campos magnéticos.
Cuando un dominio contiene demasiadas moléculas, se vuelve inestable y se divide en dos dominios alineados en direcciones opuestas, de modo que se mantienen unidos de manera más estable como se muestra a la derecha.
Cuando se expone a un campo magnético, los límites de dominio se mueven de manera que los dominios alineados con el campo magnético crecen y dominan la estructura como se muestra a la izquierda. Cuando se elimina el campo de magnetización, los dominios no pueden regresar a un estado no magnetizado. Esto se traduce en ser magnetizado de material ferromagnético, formando un imán permanente.
Cuando magnetizado lo suficientemente fuerte que el dominio que prevalece desborda todos los otros para dar lugar a sólo un dominio único, el material es magnéticamente saturado. Cuando un material ferromagnético magnetizado se calienta a la Temperatura del punto de Curie, las moléculas se agitan hasta el punto de que los dominios magnéticos pierden la organización y las propiedades magnéticas que causan cese. Cuando se enfría el material, esta estructura de alineación de dominio devuelve espontáneamente, de una manera más o menos análoga a cómo un líquido puede congelar en un sólido cristalino.
Antiferromagnetismo
En una antiferromagneto, a diferencia de un material ferromagnético, hay una tendencia a que los momentos magnéticos intrínsecos de la vecina electrones de valencia para apuntar en direcciones opuestas. Cuando todos los átomos están dispuestos en una sustancia de manera que cada vecino es 'anti-alineados', la sustancia es antiferromagnético. Antiferromagnéticos tienen un momento magnético neto cero, es decir, ningún campo es producido por ellos. Antiferromagnéticos son menos comunes en comparación con los otros tipos de comportamientos, y se observan sobre todo a bajas temperaturas. En diferentes temperaturas, antiferromagnéticos se pueden ver a exhibir propiedades diamagnéticos y ferrimagnéticas.
En algunos materiales, los electrones vecinos quieren señalar en direcciones opuestas, pero no hay ninguna disposición geométrica en la que cada par de vecinos es anti-alineados. Esto se llama una girar vidrio, y es un ejemplo de frustración geométrica.
Ferrimagnetismo
Como ferromagnetismo, ferrimagnets retienen su magnetización en ausencia de un campo. Sin embargo, al igual que antiferromagnéticos, pares vecinos de electrón gira como a punto en direcciones opuestas. Estas dos propiedades no son contradictorios, ya que en la disposición geométrica óptima, no hay momento más magnético de la subred de electrones que apuntan en una dirección, que de la subred que apunta en la dirección opuesta.
Más ferritas son ferrimagnético. La sustancia magnética descubrió por primera vez, magnetita, es una ferrita y se creía originalmente para ser un material ferromagnético; Louis Néel refutó esto, sin embargo, después de descubrir ferrimagnetismo.
Superparamagnetismo
Cuando un material ferromagnético o ferrimagnet es suficientemente pequeño, actúa como un solo giro magnético que está sujeto a El movimiento browniano. Su respuesta a un campo magnético es cualitativamente similar a la respuesta de un paramagneto, pero mucho más grande.
Electroimán
Una electroimán es un tipo de imán cuyo magnetismo es producido por el flujo de electricidad actual. El campo magnético desaparece cuando la corriente cesa.
Otros tipos de magnetismo
- Imán molecular
- Metamagnetism
- Imán basado en la molécula
- Vidrio de espín
El magnetismo, la electricidad y la relatividad especial
Como consecuencia de la teoría de la relatividad especial, la electricidad y el magnetismo de Einstein están fundamentalmente vinculados entre sí. Tanto el magnetismo que carece de electricidad, y la electricidad sin magnetismo, son incompatibles con la relatividad especial, debido a efectos tales como contracción de la longitud, dilatación del tiempo, y el hecho de que la fuerza magnética es dependiente de la velocidad. Sin embargo, considerando tanto la electricidad y el magnetismo en cuenta, la teoría resultante (electromagnetismo) es plenamente coherente con la relatividad especial. En particular, un fenómeno que aparece puramente eléctrico para un observador puede ser puramente magnético a otro, o más generalmente las contribuciones relativas de la electricidad y el magnetismo dependen del marco de referencia. Así, la relatividad especial "mezcla" de electricidad y el magnetismo en un único fenómeno, inseparable llamado electromagnetismo, análogo a cómo la relatividad "mezcla" espacio y el tiempo en espacio tiempo.
Los campos magnéticos en un material
En el vacío,
donde μ 0 es la la permeabilidad del vacío.
En un material,
La cantidad μ 0 M se llama polarización magnética.
Si el campo H es pequeño, la respuesta de la magnetización M en una diamagnético o paramagneto es aproximadamente lineal:
la constante de proporcionalidad que se llama la susceptibilidad magnética. Si es así,
En un imán duro tal como un material ferromagnético, M no es proporcional al campo y es generalmente distinto de cero, incluso cuando H es cero (ver La remanencia).
Fuerza debido al campo magnético - La fuerza magnética
El fenómeno de magnetismo se "mediada" por el campo magnético. Un dipolo de corriente o magnético eléctrica crea un campo magnético, y ese campo, a su vez, imparte fuerzas magnéticas en otras partículas que se encuentran en los campos.
Las ecuaciones de Maxwell, que simplifican al Ley de Biot-Savart en el caso de corrientes continuas, describir el origen y comportamiento de los campos que gobiernan estas fuerzas. Por lo tanto el magnetismo se ve siempre eléctricamente partículas cargadas están en movimiento --- por ejemplo, de movimiento de los electrones en una corriente eléctrica, o en ciertos casos a partir del movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo de un átomo. También dan lugar a "intrínseca" dipolos magnéticos derivados de cuántico-mecánico giro.
Las mismas situaciones que crean campos magnéticos - carga que se mueve en una corriente o en un átomo, y dipolos magnéticos intrínsecos - son también las situaciones en las que un campo magnético tiene un efecto, la creación de una fuerza. La siguiente es la fórmula para la carga que se mueve; para las fuerzas sobre un dipolo intrínseco, ver dipolo magnético.
Cuando una partícula cargada se mueve a través de una campo magnético B, se siente un Lorentz fuerza F dada por el producto vectorial :
donde
es la carga eléctrica de la partícula, y - v es la velocidad del vector de la partícula
Debido a que este es un producto vectorial, la fuerza es perpendicular tanto al movimiento de la partícula y el campo magnético. De ello se desprende que la fuerza magnética no hace ningún trabajo sobre la partícula; puede cambiar la dirección del movimiento de la partícula, pero no puede hacer que para acelerar o reducir la velocidad. La magnitud de la fuerza es
donde 
es el ángulo entre v y B.
Una herramienta para determinar la dirección del vector de velocidad de una carga en movimiento, el campo magnético, y la fuerza ejercida es etiquetar el dedo índice "V", el dedo medio "B", y la pulgar "F" con la mano derecha. Al hacer una configuración de pistola, con el dedo medio de cruzar bajo el dedo índice, los dedos representan el vector de velocidad, vector del campo magnético, y el vector de fuerza, respectivamente. Ver también regla de la mano derecha.
Dipolos magnéticos
Una fuente muy común de campo magnético mostrado en la naturaleza es una dipolo, con un " Polo sur "y un" Polo Norte ", términos que se remontan al uso de imanes como brújulas, interactuando con el El campo magnético de la Tierra para indicar el Norte y el Sur en la globo. Desde los extremos opuestos de los imanes se atraen, el polo norte de un imán es atraído hacia el polo sur de otro imán. De la Tierra Polo Norte Magnético (actualmente en el Océano Ártico, al norte de Canadá) es físicamente un polo sur, ya que atrae el polo norte de una brújula.
Un campo magnético contiene energía , y sistemas físicos moverse hacia configuraciones de energía inferior. Cuando el material diamagnético se coloca en un campo magnético, un dipolo magnético tiende a alinearse en la polaridad opuesta a la de campo, con lo que la reducción de la intensidad de campo neto. Cuando un material ferromagnético se coloca dentro de un campo magnético, los dipolos magnéticos se alinean con el campo aplicado, ampliando de esta manera las paredes de dominio de los dominios magnéticos.
Monopolos magnéticos
Desde un imán de barra obtiene su ferromagnetismo de electrones distribuidos uniformemente por todo el bar, cuando un imán de barra se corta por la mitad, cada una de las piezas resultantes es un imán más pequeño. A pesar de que se dice que un imán para tener un polo norte y un polo sur, estos dos polos no pueden ser separados el uno del otro. Un monopolo - si tal cosa existe - sería una nueva y fundamentalmente diferente tipo de objeto magnético. Sería actuar como un polo norte aislado, no conectado a un polo sur, o viceversa. Monopolos llevarían "carga magnética" análoga a la carga eléctrica. A pesar de búsquedas sistemáticas desde 1931, a partir de 2010, nunca han sido observados, y muy bien no podrían existir.
Sin embargo, algunos modelos físicos teóricos predicen la existencia de estos monopolos magnéticos. Paul Dirac observó en 1931 que, debido a la electricidad y el magnetismo muestran una cierta simetría , al igual que la teoría cuántica predice que individuales positivas o negativas cargas eléctricas se pueden observar sin la carga opuesta, aislados polos Sur o del Norte magnético deben ser observables. Usando la teoría cuántica de Dirac mostró que si existen los monopolos magnéticos, entonces se podría explicar la cuantización de la carga eléctrica --- es decir, ¿por qué lo observado partículas elementales llevan cargas que son múltiplos de la carga del electrón.
Cierto grandes teorías unificadas predicen la existencia de monopolos que, a diferencia de las partículas elementales, son solitones (paquetes de energía localizadas). Los resultados iniciales de la utilización de estos modelos para estimar el número de monopolos creados en el Big Bang contradicen las observaciones cosmológicas - los monopolos habrían sido tan abundante y masiva que tendrían mucho que se detuvo la expansión del universo. Sin embargo, la idea de la inflación (para el que este problema sirve como una motivación parcial) fue un éxito en la solución de este problema, la creación de modelos en los que los monopolos existido pero fuera poco raro para ser consistente con las observaciones actuales.
Origen Quantum-mecánica del magnetismo
En principio todo tipo de magnetismo se originan (similar a la superconductividad ) de los fenómenos de la mecánica cuántica específica (por ejemplo, Postulados de la mecánica cuántica, en particular, los capítulos sobre giro y en el Principio de Pauli). Un modelo exitoso fue desarrollado ya en 1927, por Walter Heitler y Fritz London, que deriva cuánticamente, cómo se forman las moléculas de hidrógeno a partir de átomos de hidrógeno, es decir, de los orbitales atómicos de hidrógeno 
y 
centrado en los núcleos A y B, véase más adelante. Que esto conduce a magnetismo, no es en absoluto evidente, pero se explicará a continuación.
Según la teoría Heitler en Londres, la llamada de dos cuerpos molecular 
-orbitals se forman, a saber, el orbital resultante es:
Aquí el último producto significa que una primera de electrones, r 1, se encuentra en una de hidrógeno-orbital centrado en el segundo núcleo, mientras que el segundo electrón corre alrededor de la primera núcleo atómico. Este fenómeno de "intercambio" es una expresión de la propiedad de la mecánica cuántica que las partículas con propiedades idénticas no se pueden distinguir. Es específico no sólo para la formación de enlaces químicos , pero, como veremos, también para el magnetismo, es decir, en este contexto, el término surge interacción de intercambio, un término que es esencial para el origen del magnetismo, y que es más fuerte, más o menos por factores 100 y hasta por 1000, que las energías que surgen de la interacción dipolo-dipolo electrodinámico.
En cuanto a la función de giro 
, Que es responsable de la magnetismo, hemos ya mencionado principio de Pauli, a saber, que un orbital simétrico (es decir, con el signo + que arriba) debe multiplicarse con una función de giro antisimétrica (es decir, con un signo -), y viceversa. Por lo tanto:
,
Es decir, no sólo y debe ser sustituido por α y β, respectivamente (la primera entidad significa "spin up", el segundo "girar hacia abajo"), sino también el signo + por el signo -, y finalmente r i por los valores discretos s i (= ± ½); por lo tanto tenemos 
y 
. El " estado simple ", es decir, el signo -, significa: los giros son antiparalelas, es decir, para el sólido que tenemos antiferromagnetismo, y para las moléculas de dos atómicos uno tiene diamagnetismo. La tendencia a la formación de un (homoeopolar) enlace químico (esto significa: la formación de un orbital molecular simétrica, es decir, con el signo +) a través del principio de Pauli automáticamente en un estado de espín antisimétrico (es decir, con el signo -). Por el contrario, la repulsión de Coulomb de los electrones, es decir, la tendencia que tratan de evitar el uno al otro por esta repulsión, daría lugar a una función antisimétrica orbital (es decir, con el signo -) de estas dos partículas, y complementaria a una función de giro simétrico (es decir, con el signo +, uno de los llamados " funciones triplete "). Por lo tanto, ahora los giros serían paralelas ( ferromagnetismo en un sólido, paramagnetismo en los gases de dos atómicas).
Esta última tendencia domina en los metales hierro , cobalto y níquel , y en algunos tierras raras, que son ferromagnético. La mayoría de los otros metales, donde el mencionado en primer lugar tendencia domina, son no magnéticos (por ejemplo, sodio , aluminio y magnesio ) o antiferromagnético (por ejemplo, manganeso ). Gases diatómicos también son casi exclusivamente diamagnético, y no paramagnético. Sin embargo, la molécula de oxígeno, debido a la participación de los orbitales π, es una excepción importante para las ciencias de la vida.
Las consideraciones Heitler-Londres se pueden generalizar a la Modelo de Heisenberg del magnetismo (Heisenberg 1928).
La explicación de los fenómenos es así basa esencialmente en todas las sutilezas de la mecánica cuántica, mientras que la electrodinámica cubre principalmente la fenomenología.
Unidades del electromagnetismo
| Unidades de electromagnetismo del SI | ||||
|---|---|---|---|---|
| Símbolo | Nombre de Cantidad | Las unidades derivadas | Conversión de Internacional de las unidades SI básicas | |
| Corriente eléctrica | amperio ( SI unidad base ) |  | |
| Carga eléctrica | culombio |  | |
 | Diferencia de potencial; Fuerza electromotriz | voltio |  | |
 | Resistencia eléctrica ; Impedancia; Reactancia | ohm |  | |
 | Resistividad | ohm metro |  | |
 | Energia electrica | vatio |  | |
 | Capacidad | faradio |  | |
 | Campo eléctrico fuerza | voltios por metro |  | |
 | Densidad de flujo eléctrico | Coulomb por metro cuadrado |  | |
 | Permitividad | faradio por metro |  | |
 | Susceptibilidad eléctrica | Sin dimensión | ||
 | Conductancia ; Admisión; Susceptancia | siemens |  | |
 | Conductividad | siemens por metro |  | |
 | Densidad de flujo magnético, inducción magnética | tesla |  | |
 | Flujo magnético | weber |  | |
 | Intensidad de campo magnético | amperio por metro |  | |
 | Inductancia | henry |  | |
 | Permeabilidad | henry por metro |  | |
 | Susceptibilidad magnética | Sin dimensión | ||
Otras unidades
- gauss - El gauss es la centímetro-gramo-segundo (CGS) unidad de campo magnético (indicado B).
- oersted - El oersted es la unidad CGS de campo de magnetización (H denotado).
- Maxwell - El maxwell es la unidad CGS de flujo magnético.
- gamma - es una unidad de densidad de flujo magnético que comúnmente se usó antes de la tesla entró en uso (1.0 gamma = 1,0 nanotesla)
- μ 0 - símbolo común para la permeabilidad del espacio libre (4π × 10 -7 newton / ( amperios-vuelta) 2).
Seres vivos
Algunos organismos pueden detectar campos magnéticos, un fenómeno conocido como Magnetorrecepción. Estudios Magnetobiología campos magnéticos como un médico de tratamiento; campos producidos naturalmente por un organismo se conocen como biomagnetismo.
