Magnetización

En el electromagnetismo clásico , la magnetización es el campo vectorial que expresa la densidad de momentos dipolares magnéticos permanentes o inducidos en un material magnético. Por consiguiente, los físicos e ingenieros suelen definir la magnetización como la cantidad de momento magnético por unidad de volumen. ^{[ 1 ]} Se representa mediante un pseudovector M . La magnetización puede compararse con la polarización eléctrica , que es la medida de la respuesta correspondiente de un material a un campo eléctrico en electrostática .

La magnetización también describe cómo responde un material a un campo magnético aplicado , así como la forma en que el material modifica dicho campo, y puede utilizarse para calcular las fuerzas que resultan de esas interacciones.

El origen de los momentos magnéticos responsables de la magnetización puede ser tanto las corrientes eléctricas microscópicas resultantes del movimiento de los electrones en los átomos , como el espín de los electrones o de los núcleos. La magnetización neta resulta de la respuesta de un material a un campo magnético externo .

Los materiales paramagnéticos presentan una magnetización inducida débil en presencia de un campo magnético, la cual desaparece al retirar dicho campo. Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos presentan una magnetización intensa en presencia de un campo magnético y pueden magnetizarse en ausencia de un campo externo, convirtiéndose así en imanes permanentes . La magnetización no es necesariamente uniforme dentro de un material, sino que puede variar entre diferentes puntos.

El campo de magnetización o campo M se puede definir según la siguiente ecuación: $${\displaystyle \mathbf {M} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {m} }{\mathrm {d} V}}}$$

Dónde${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {m} }$es el momento magnético elemental y${\displaystyle \mathrm {d} V}$es el elemento de volumen ; en otras palabras, el campo M es la distribución de momentos magnéticos en la región o variedad en cuestión. Esto se ilustra mejor mediante la siguiente relación: $${\displaystyle \mathbf {m} =\iiint \mathbf {M} \,\mathrm {d} V}$$ donde m es un momento magnético ordinario y la integral triple denota la integración sobre un volumen. Esto hace que el campo M sea completamente análogo al campo de polarización eléctrica , o campo P , utilizado para determinar el momento dipolar eléctrico p generado por una región o variedad similar con dicha polarización: $${\displaystyle \mathbf {P} ={\mathrm {d} \mathbf {p} \over \mathrm {d} V},\quad \mathbf {p} =\iiint \mathbf {P} \,\mathrm {d} V,}$$ dónde${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {p} }$es el momento dipolar eléctrico elemental.

Esas definiciones de P y M como "momentos por unidad de volumen" son ampliamente adoptadas, aunque en algunos casos pueden generar ambigüedades y paradojas. ^{[ 1 ]}

El campo M se mide en amperios por metro (A/m) en unidades del SI . ^{[ 2 ]}

Las ecuaciones de Maxwell describen el comportamiento de los campos magnéticos ( B , H ), los campos eléctricos ( E , D ), la densidad de carga ( ρ ) y la densidad de corriente ( J ) . A continuación, se describe el papel de la magnetización.

Corriente de magnetización

La magnetización M contribuye a la densidad de corriente J , conocida como corriente de magnetización. ^{[ 4 ]}

${\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {m} }=\nabla \times \mathbf {M} }$

y para la corriente superficial ligada :

${\displaystyle \mathbf {K} _{\mathrm {m} }=\mathbf {M} \times \mathbf {\hat {n}} }$

de modo que la densidad de corriente total que entra en las ecuaciones de Maxwell viene dada por

${\displaystyle \mathbf {J} =\mathbf {J} _{\mathrm {f} }+\nabla \times \mathbf {M} +{\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}}$

donde J _f es la densidad de corriente eléctrica de cargas libres (también llamada corriente libre ), el segundo término es la contribución de la magnetización y el último término está relacionado con la polarización eléctrica P.

El comportamiento de la magnetización en función del tiempo cobra importancia al considerar la magnetización a escala nanométrica y de nanosegundos. En lugar de simplemente alinearse con un campo aplicado, los momentos magnéticos individuales en un material comienzan a precesar alrededor de dicho campo y se alinean mediante relajación a medida que la energía se transfiere a la red cristalina.

La inversión de la magnetización, también conocida como conmutación, se refiere al proceso que conduce a una reorientación de 180° (arco) del vector de magnetización con respecto a su dirección inicial, de una orientación estable a la opuesta. Tecnológicamente, este es uno de los procesos más importantes en magnetismo , vinculado al proceso de almacenamiento magnético de datos , como el utilizado en los discos duros modernos . ^{[ 5 ]} Como se sabe hoy en día, existen pocas maneras posibles de invertir la magnetización de un imán metálico:

1. un campo magnético aplicado ^{[ 5 ]}
2. inyección de espín a través de un haz de partículas con espín ^{[ 5 ]}
3. inversión de la magnetización por luz polarizada circularmente ; ^{[ 6 ]} es decir, radiación electromagnética incidente que está polarizada circularmente

La desmagnetización es la reducción o eliminación de la magnetización. ^{[ 7 ]} Una forma de lograrlo es calentar el objeto por encima de su temperatura de Curie , donde las fluctuaciones térmicas tienen suficiente energía para superar las interacciones de intercambio , origen del orden ferromagnético, y destruir dicho orden. Otra forma es extraerlo de una bobina eléctrica con corriente alterna, generando campos que se oponen a la magnetización. ^{[ 8 ]}

Una aplicación de la desmagnetización es la eliminación de campos magnéticos no deseados. Por ejemplo, los campos magnéticos pueden interferir con dispositivos electrónicos como teléfonos móviles o computadoras, y con el mecanizado al hacer que las virutas se adhieran a la pieza original. ^{[ 8 ]}

Un tercer método, descubierto más recientemente, es la desmagnetización ultrarrápida, que utiliza pulsos láser intensos de femtosegundos. ^{[ 9 ]} A diferencia del calentamiento por encima de la temperatura de Curie, este proceso es extremadamente rápido (ocurre en menos de un picosegundo) y se considera un proceso de no equilibrio. El pulso láser deposita energía directamente en los electrones del material. Esta energía se transfiere rápidamente al sistema de espín mediante mecanismos como la dispersión electrón-magnón, lo que provoca el colapso del orden magnético mucho antes de que la red del material haya tenido tiempo de calentarse significativamente. Este fenómeno es un área clave de investigación para el desarrollo de futuros dispositivos de almacenamiento magnético de datos de alta velocidad y dispositivos espintrónicos.

• Magnetómetro
• Magnetización orbital