Comparación de permeabilidades para: materiales ferromagnéticos (μf), paramagnéticos (μp), diamagnéticos (μd) y el vacío (μ0)
Enfísica se le denominapermeabilidad magnética a la capacidad que tienen los conductores de afectar y ser afectados por loscampos magnéticos, así como la capacidad de convertirse en fuentes de estos, es decir, capacidad para crearlos sin la necesidad de corrientes externas.
Si la razón del comportamiento entre estos dentro del material es constante, significa que la permeabilidad del material también lo es. En tal caso se dice que el material es lineal. También, si la cantidadμ es igual en todos los puntos del material, significa que es un material homogéneo, y siμ no varía en ninguna dirección partiendo de un punto arbitrario del material, significa que este es isotrópico.
El vacío, por ejemplo, es un material lineal, homogéneo e isotrópico y su permeabilidad magnética está dada por
.
En unidadesSI, la permeabilidad se mide enhenrios pormetro (H/m), o equivalentemente ennewtons poramperio al cuadrado (N/A2). La constante de permeabilidadμ0, también conocida comoconstante magnética o permeabilidad del espacio libre, es la proporcionalidad entre la inducción magnética y la fuerza magnetizante cuando se forma un campo magnético en unvacío clásico.
Una propiedad de los materiales estrechamente relacionada es lasusceptibilidad magnética, que es un factor de proporcionalidadadimensional que indica el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético aplicado.
El concepto de permeabilidad surge ya que en muchos materiales (y en el vacío), existe una relación simple entreH yB en cualquier lugar o tiempo, en el sentido de que los dos campos son precisamente proporcionales entre sí:[2]
,
donde el factor de proporcionalidadμ es la permeabilidad, que depende del material. Lapermeabilidad del vacío (también conocida como permeabilidad del espacio libre) es una constante física, denotadaμ0. Las unidades SI deμ son voltio-segundo/amperio-metro, equivalentementehenry/metro. Normalmenteμ sería un escalar, pero para un material anisótropo,μ podría ser untensor de segundo rango.
Sin embargo, en los materiales magnéticos fuertes (como el hierro o losimanes permanentes), no suele haber una relación sencilla entreH yB. El concepto de permeabilidad carece entonces de sentido o, al menos, sólo es aplicable a casos especiales como losnúcleos magnéticos no saturados. Estos materiales no sólo tienen un comportamiento magnético no lineal, sino que a menudo existe unahistéresis magnética significativa, por lo que ni siquiera existe una relación funcional de un solo valor entreB yH. Sin embargo, considerando que se parte de un valor dado deB yH y se cambian ligeramente los campos, todavía es posible definir unapermeabilidad incremental como:[2]
.
suponiendo queB yH son paralelas.
En lasformulación microscópica del electromagnetismo, donde no existe el concepto de campoH, la permeabilidad al vacíoμ0 aparece directamente (en las ecuaciones de Maxwell del SI) como un factor que relaciona las corrientes eléctricas totales y los campos eléctricos variables en el tiempo con el campoB que generan. Para representar la respuesta magnética de un material lineal con permeabilidadμ, aparece en cambio como unamagnetizaciónM que surge en respuesta al campoB:. La magnetización a su vez es una contribución a la corriente eléctrica total, lacorriente de magnetización.
Permeabilidad relativa y susceptibilidad magnética
La permeabilidad relativa, denotada por el símbolo, es la relación entre la permeabilidad de un medio específico y la permeabilidad del espacio libreμ0:
El númeroχm es unacantidad adimensional, a veces llamada susceptibilidadvolumétrica oa granel, para distinguirla deχp (masa magnética o susceptibilidadespecífica) yχM (susceptibilidad molar omasa molar).
Eldiamagnetismo es la propiedad de un objeto que hace que cree uncampo magnético en oposición a un campo magnético aplicado externamente, provocando así un efecto repulsivo. En concreto, un campo magnético externo altera la velocidad orbital de los electrones alrededor de los núcleos de sus átomos, cambiando así elmomento dipolar magnético en la dirección opuesta al campo externo. Los diamantes son materiales con una permeabilidad magnética inferior aμ0 (una permeabilidad relativa inferior a 1).
En consecuencia, el diamagnetismo es una forma demagnetismo que una sustancia presenta sólo en presencia de un campo magnético aplicado externamente. En general, se trata de un efecto bastante débil en la mayoría de los materiales, aunque lossuperconductores presentan un efecto fuerte.
Elparamagnetismo es una forma demagnetismo que sólo se produce en presencia de un campo magnético aplicado externamente. Los materiales paramagnéticos son atraídos por los campos magnéticos, por lo que tienen una permeabilidad magnética relativa mayor queuno (o, equivalentemente, unasusceptibilidad magnética positiva).
El momento magnético inducido por el campo aplicado eslineal en la intensidad del campo, y es más biendébil. Normalmente se requiere una balanza analítica sensible para detectar el efecto. A diferencia delferromagnetos, los paramagnetos no retienen ninguna magnetización en ausencia de un campo magnético aplicado externamente, porque elmovimiento térmico hace que los espines seorienten aleatoriamente sin él. Así, la magnetización total caerá a cero cuando se elimine el campo aplicado. Incluso en presencia del campo, sólo hay una pequeña magnetizacióninducida porque sólo una pequeña fracción de los espines se orientará por el campo. Esta fracción es proporcional a la intensidad de campo y esto explica la dependencia lineal. La atracción que experimentan los ferromagnetos es no lineal y mucho más fuerte, por lo que se observa fácilmente, por ejemplo, en los imanes del frigorífico.
Para medios giromagnéticos (véaserotación de Faraday) la respuesta de la permeabilidad magnética a un campo electromagnético alterno en el dominio de la frecuencia de microondas se trata como un tensor no diagonal expresado por:[4]
Para comparar entre sí los materiales, se entiende lapermeabilidad magnética absoluta () como el producto entre lapermeabilidad magnética relativa () y lapermeabilidad magnética de vacío ():
.
Los materiales se pueden clasificar según su permeabilidad magnética relativa en:
ferromagnéticos, cuyo valor de permeabilidad magnética relativa es muy superior a 1.
paramagnéticos o no magnéticos, cuya permeabilidad relativa es aproximadamente 1 (se comportan como el vacío).
diamagnéticos, de permeabilidad magnética relativa inferior a 1.
Los materialesferromagnéticos atraen el campo magnético hacia su interior. Son altamente permeables, es decir, pueden ser inducidos magnéticamente sin realizar mucho trabajo magnético sobre ellos, utilizando, por ejemplo,electroimanes. Cuando dejan de ser inducidos por un campo magnético externo de gran intensidad, se convierten en fuentes de campo magnético. Esto es debido a la alineación de losdominios magnéticos en la misma dirección por un tiempo prolongado. Es por esta razón que se utilizan materiales ferromagnéticos para crearimanes permanentes, siguen siendo inducidos magnéticamente ante la ausencia de un campo magnético externo. A la propiedad de que los dominios magnéticos puedan ser alterados con facilidad recibe el nombre deferromagnetismo. De aquí que estos materiales sean no lineales: ante la ausencia de unH incidente sigue existiendo unB remanente dentro de ellos. Y pueden ser inhomogéneos por unμ que varíe punto a punto: no necesariamente todas las zonas del material son suceptibles a magnetizarse en la misma proporción. Ejemplos de estos materiales son todos aquellos cuyo comportamiento magnético se asemeje al delhierro, como elcobalto y elníquel[5]
Los materialesparamagnéticos son la mayoría de los que encontramos en la naturaleza. No presentan ferromagnetismo, y su reacción frente a los campos magnéticos es muy poco apreciable.
Los materialesdiamagnéticos repelen el campo magnético, haciendo que este pase por el exterior del material. En general, esta acción diamagnética es muy débil, y no es comparable al efecto que produce el campo magnético sobre los materiales ferromagnéticos. Un ejemplo de material diamagnético es elcobre.
Otro efecto de los campos magnéticos sobre los materiales es elantiferromagnetismo, que resulta en una polarización nula del material, pero produce una ordenación interna de este.
