Permeabilidad magnética

capacidad de un material para atraer y hacer pasar a través de él campos magnéticos

En física se le denomina permeabilidad magnética a la capacidad que tienen los conductores de afectar y ser afectados por los campos magnéticos, así como la capacidad de convertirse en fuentes de estos, es decir, capacidad para crearlos sin la necesidad de corrientes externas.

Comparación simple de permeabilidades para: ferromagnetos (μf), paramagnetos (μp), diamagnetos (μd) y el vacío (μ0)

Esta magnitud está definida por la comunión entre la inducción magnética (también llamada densidad de flujo magnético) y la excitación magnética que estén incidiendo en el interior del material,[1]​ y es representada por el símbolo a:

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 cantidad μ es igual en todos los puntos del material, significa que es un material homogéneo, y si μ 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 unidades SI, la permeabilidad se mide en henrios por metro (H/m), o equivalentemente en newtons por amperio al cuadrado (N/A2). La constante de permeabilidad μ0, también conocida como constante magnética o permeabilidad del espacio libre, es la proporcionalidad entre la inducción magnética y la fuerza magnetizante cuando se forma un campo magnético en un vacío clásico.

Una propiedad de los materiales estrechamente relacionada es la susceptibilidad magnética, que es un factor de proporcionalidad adimensional que indica el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético aplicado.

Explicación editar

En las formulación macroscópica del electromagnetismo, aparecen dos tipos diferentes de campo magnético:

El concepto de permeabilidad surge ya que en muchos materiales (y en el vacío), existe una relación simple entre H y B en cualquier lugar o tiempo, en el sentido de que los dos campos son precisamente proporcionales entre sí:[2]

 ,

donde el factor de proporcionalidad μ es la permeabilidad, que depende del material. La permeabilidad del vacío (también conocida como permeabilidad del espacio libre) es una constante física, denotada μ 0. Las unidades SI de μ son voltio-segundo/amperio-metro, equivalentemente henry/metro. Normalmente μ sería un escalar, pero para un material anisótropo, μ podría ser un tensor de segundo rango.

Sin embargo, en los materiales magnéticos fuertes (como el hierro o los imanes permanentes), no suele haber una relación sencilla entre H y B. El concepto de permeabilidad carece entonces de sentido o, al menos, sólo es aplicable a casos especiales como los núcleos magnéticos no saturados. Estos materiales no sólo tienen un comportamiento magnético no lineal, sino que a menudo existe una histéresis magnética significativa, por lo que ni siquiera existe una relación funcional de un solo valor entre B y H. Sin embargo, considerando que se parte de un valor dado de B y H y se cambian ligeramente los campos, todavía es posible definir una permeabilidad incremental como:[2]

 .

suponiendo que B y H son paralelas.

En las formulación microscópica del electromagnetismo, donde no existe el concepto de campo H, la permeabilidad al vacío μ0 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 campo B que generan. Para representar la respuesta magnética de un material lineal con permeabilidad μ, aparece en cambio como una magnetización M que surge en respuesta al campo B:  . La magnetización a su vez es una contribución a la corriente eléctrica total, la corriente de magnetización.

Permeabilidad relativa y susceptibilidad magnética editar

La permeabilidad relativa, denotada por el símbolo  , es la relación entre la permeabilidad de un medio específico y la permeabilidad del espacio libre μ0:

 

donde   4π × 10−7 H/m es la permeabilidad magnética del espacio libre.[3]​ En términos de permeabilidad relativa, la susceptibilidad magnética es

 

El número χm es una cantidad adimensional, a veces llamada susceptibilidad volumétrica o a granel, para distinguirla de χp (masa magnética o susceptibilidad específica) y χM (susceptibilidad molar o masa molar).

Diamagnetismo editar

El diamagnetismo es la propiedad de un objeto que hace que cree un campo 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 el momento dipolar magnético en la dirección opuesta al campo externo. Los diamantes son materiales con una permeabilidad magnética inferior a μ0 (una permeabilidad relativa inferior a 1).

En consecuencia, el diamagnetismo es una forma de magnetismo 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 los superconductores presentan un efecto fuerte.

Paramagnetismo editar

El paramagnetismo es una forma de magnetismo 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 que uno (o, equivalentemente, una susceptibilidad magnética positiva).

El momento magnético inducido por el campo aplicado es lineal en la intensidad del campo, y es más bien débil. Normalmente se requiere una balanza analítica sensible para detectar el efecto. A diferencia del ferromagnetos, los paramagnetos no retienen ninguna magnetización en ausencia de un campo magnético aplicado externamente, porque el movimiento térmico hace que los espines se orienten 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 magnetización inducida 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.

Giromagnetismo editar

Para medios giromagnéticos (véase rotación 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]

 

Permeabilidad magnética del vacío editar

La permeabilidad del vacío, conocida también como constante magnética, se representa mediante el símbolo μ0 y en unidades SI se define como:

 .

La permitividad eléctrica (que aparece en la ley de Coulomb) y la constante magnética del vacío están relacionadas por la fórmula:

 

donde   representa la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío, comúnmente denominada velocidad de la luz en el espacio vacío.

Permeabilidad relativa, comparación entre materiales editar

Para comparar entre sí los materiales, se entiende la permeabilidad magnética absoluta ( ) como el producto entre la permeabilidad magnética relativa ( ) y la permeabilidad 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 materiales ferromagnéticos 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 los dominios magnéticos en la misma dirección por un tiempo prolongado. Es por esta razón que se utilizan materiales ferromagnéticos para crear imanes 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 de ferromagnetismo. De aquí que estos materiales sean no lineales: ante la ausencia de un H incidente sigue existiendo un B remanente dentro de ellos. Y pueden ser inhomogéneos por un μ 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 del hierro, como el cobalto y el níquel[5]

Los materiales paramagnéticos 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 materiales diamagnéticos 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 el cobre.

Otro efecto de los campos magnéticos sobre los materiales es el antiferromagnetismo, que resulta en una polarización nula del material, pero produce una ordenación interna de este.

Tabla de propiedades magnéticas de materiales editar

Material

Presentación

Composición aproximada (%)

Permeabilidad inicial (B=20, gauss)

Permeabilidad máxima

Densidad de saturación de flujo (B, gauss)

Fe Ni Co Mo Otros
Acero laminado en frío Lámina 98.5 --- --- --- --- 180 2000 21 000
Hierro Lámina 99.91 --- --- --- --- 200 5000 21 500
Hierro purificado Lámina 99.95 --- --- --- --- 5000 18000 21 500
Hierro al 4 % silicio - grano orientado Lámina
Lámina
96
97
---
---
---
---
---
---
4 Si
3 Si
500
1500
7000
30 000
19 700
20 000
45 Permalloy Lámina 54.6 45 --- --- --- 2500 25 000 16 000
Permalloy 45 Lámina 54.7 45 --- --- --- 4000 50 000 16 000
Hipernik Lámina 50 50 --- --- --- 4500 70 000 16 000
Monimax Lámina --- --- --- --- --- 2000 35 000 15 000
Sinimax Lámina --- --- --- --- --- 3000 35 000 11 000
Permalloy 78 Lámina 21.2 78.5 --- --- 0.3 Mn 8000 100 000 10 700
Permalloy 4-79 Lámina 16.7 79 --- 4 0.3 Mn 20 000 100 000 8700
Mu metal Lámina 18 75 --- 2 5 Cu 20 000 100 000 6500
Supermalloy Lámina 15.7 79 --- 4.3 --- 100 000 800 000 8000
Permendur Lámina 50.0 50.0 --- --- --- 800 5000 24 500
Permendur 2V Lámina 49 --- --- 49 2 V 800 4500 24 000
Hiperco Lámina 64 --- --- --- --- 650 10 000 24 200
Permalloy 2-81 Polvo aislado 17 --- --- --- --- 125 130 8000
Hierro Carbonyl Polvo aislado 99.9 --- --- --- --- 55 132 ---
Ferroxcube III Polvo sinterizado --- --- --- --- --- 1000 1500 2500

Véase también editar

Referencias editar

  1. «permeabilidad magnética». RAE. 
  2. a b Jackson, John David (1998). Classical Electrodynamics (3nd edición). New York: Wiley. p. 193. ISBN 978-0-471-30932-1. 
  3. El Sistema Internacional de Unidades, página 132, El amperio. BIPM.
  4. Kales, M. L. (1953). «Modes in Wave Guides Containing Ferrites». Journal of Applied Physics 24 (5): 604-608. Bibcode:1953JAP....24..604K. doi:10.1063/1.1721335. 
  5. «Lista de materiales ferromagnéticos».