Magnetismo
Definición
El magnetismo es una clase de fenómenos físicos que están mediados por campos magnéticos. Las corrientes eléctricas y los momentos magnéticos de las partículas elementales dan lugar a un campo magnético que actúa sobre otras corrientes y momentos magnéticos. Los efectos más familiares ocurren en los materiales ferromagnéticos, que son fuertemente atraídos por los campos magnéticos y pueden ser magnetizados para convertirse en imanes permanentes, produciendo campos magnéticos. Solo unas pocas sustancias son ferromagnéticas; los más comunes son hierro, níquel y cobalto y sus aleaciones. El prefijo ferro- se refiere al hierro, porque el magnetismo permanente se observó por primera vez en la piedra imán, una forma de mineral de hierro natural llamado magnetita, Fe 3 O 4 .
Aunque el ferromagnetismo es responsable de la mayoría de los efectos del magnetismo que se encuentran en la vida cotidiana, todos los otros materiales están influenciados en cierta medida por un campo magnético y por otros tipos de magnetismo. Las sustancias paramagnéticas como el aluminio y el oxígeno son débilmente atraídas por un campo magnético aplicado; las sustancias diamagnéticas como el cobre y el carbón son débilmente repelidas; mientras que los materiales antiferromagnéticos como el cromo y los cristales de espín tienen una relación más compleja con un campo magnético. La fuerza de un imán sobre los materiales paramagnéticos, diamagnéticos y antiferromagnéticos suele ser demasiado débil para ser sentida, y solo puede detectarse mediante instrumentos de laboratorio, por lo que en la vida cotidiana estas sustancias a menudo se describen como no magnéticas.
El estado magnético (o fase magnética) de un material depende de la temperatura y otras variables como la presión y el campo magnético aplicado. Un material puede exhibir más de una forma de magnetismo a medida que cambian estas variables.
Historia
El magnetismo se descubrió por primera vez en el mundo antiguo, cuando la gente se dio cuenta de que los lodestones, las piezas magnetizadas naturalmente de la magnetita mineral, podían atraer hierro. La palabra imán proviene del término griego μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , "la piedra de Magnesio, piedra imán". En la antigua Grecia, Aristóteles atribuyó el primero de lo que podría llamarse una discusión científica del magnetismo al filósofo Tales de Mileto, que vivió desde aproximadamente el año 625 aC hasta aproximadamente el 545 aC. Por la misma época, en la India antigua, el cirujano indio Sushruta fue el primero en utilizar el imán con fines quirúrgicos.
En la China antigua, la referencia literaria más antigua al magnetismo yace en un libro del siglo IV a. C., que lleva el nombre de su autor, El sabio de Ghost Valley . Los anales del siglo II aC, Lüshi Chunqiu , también señalan: "La piedra imán hace que el hierro se acerque, o lo atraiga". La primera mención de la atracción de una aguja se encuentra en un trabajo Lunheng ( Consultas equilibradas ) del siglo I : "Una piedra imán atrae una aguja". El científico chino del siglo XI Shen Kuo fue la primera persona en escribir - en los Ensayos de Dream Pool - de la brújula de aguja magnética y que mejoró la precisión de la navegación al emplear el concepto astronómico del norte verdadero. En el siglo XII, los chinos usaban la brújula lodestone para navegar. Esculpieron una cuchara direccional de la piedra imán de tal manera que el mango de la cuchara siempre apuntaba hacia el sur.
Alexander Neckam, por 1187, fue el primero en Europa en describir la brújula y su uso para la navegación. En 1269, Peter Peregrinus de Maricourt escribió la Epistola de magnete , el primer tratado existente que describe las propiedades de los imanes. En 1282, las propiedades de los imanes y las brújulas secas fueron discutidas por Al-Ashraf, un físico yemení, astrónomo y geógrafo.
En 1600, William Gilbert publicó su De Magnete, Magneticisque Corporibus, y de Magno Magnete Tellure ( Sobre el imán y los cuerpos magnéticos, y sobre el gran imán de la Tierra ). En este trabajo describe muchos de sus experimentos con su tierra modelo llamada terrella. A partir de sus experimentos, concluyó que la Tierra era magnética y que esta era la razón por la que las brújulas apuntaban hacia el norte (anteriormente, algunos creían que era la estrella polar (Polaris) o una gran isla magnética en el polo norte que atraía la brújula).
La comprensión de la relación entre electricidad y magnetismo comenzó en 1819 con el trabajo de Hans Christian Ørsted, profesor de la Universidad de Copenhague, quien descubrió por el tirón accidental de una aguja de la brújula cerca de un cable que una corriente eléctrica podría crear un campo magnético. Este experimento emblemático se conoce como el Experimento de Ørsted. Siguieron varios otros experimentos, con André-Marie Ampère, quien en 1820 descubrió que el campo magnético que circulaba en un camino cerrado estaba relacionado con la corriente que fluye a través del perímetro del camino; Carl Friedrich Gauss; Jean-Baptiste Biot y Félix Savart, quienes en 1820 elaboraron la ley Biot-Savart, dando una ecuación para el campo magnético de un cable portador de corriente; Michael Faraday, quien en 1831 descubrió que un flujo magnético variable en el tiempo a través de un bucle de alambre inducía un voltaje, y otros encontraban vínculos adicionales entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y expandió estas ideas sobre las ecuaciones de Maxwell, unificando electricidad, magnetismo y óptica en el campo del electromagnetismo. En 1905, Einstein usó estas leyes para motivar su teoría de la relatividad especial, requiriendo que las leyes se mantuvieran verdaderas en todos los marcos de referencia inerciales.
El electromagnetismo ha seguido desarrollándose hasta el siglo XXI, incorporándose a las teorías más fundamentales de la teoría de gauge, la electrodinámica cuántica, la teoría electrodébil y finalmente el modelo estándar.
Fuentes de magnetismo
El magnetismo, en su raíz, surge de dos fuentes:
- Corriente eléctrica.
- Girar momentos magnéticos de partículas elementales. Las propiedades magnéticas de los materiales se deben principalmente a los momentos magnéticos de los electrones orbitales de sus átomos. Los momentos magnéticos de los núcleos de los átomos son típicamente miles de veces más pequeños que los momentos magnéticos de los electrones, por lo que son insignificantes en el contexto de la magnetización de los materiales. Sin embargo, los momentos magnéticos nucleares son muy importantes en otros contextos, particularmente en la resonancia magnética nuclear (RMN) y la resonancia magnética (RM).
Normalmente, la enorme cantidad de electrones en un material está dispuesta de forma tal que sus momentos magnéticos (tanto orbitales como intrínsecos) se cancelan. Esto se debe, hasta cierto punto, a que los electrones se combinan en pares con momentos magnéticos intrínsecos opuestos como resultado del principio de exclusión de Pauli (ver configuración de electrones ), y se combinan en subcapas llenas con movimiento orbital neto cero. En ambos casos, los electrones adoptan preferentemente disposiciones en las que el momento magnético de cada electrón se cancela por el momento opuesto de otro electrón. Además, incluso cuando la configuración electrónica es de modo que hay electrones desapareados y / o subcapas no rellenas, a menudo ocurre que los diversos electrones en el sólido contribuyen con momentos magnéticos que apuntan en direcciones diferentes y aleatorias, de modo que el material no será magnético.
A veces, ya sea espontáneamente, o debido a un campo magnético externo aplicado, cada uno de los momentos magnéticos de electrones estará, en promedio, alineado. Un material adecuado puede producir un fuerte campo magnético neto.
El comportamiento magnético de un material depende de su estructura, particularmente su configuración electrónica, por las razones mencionadas anteriormente, y también en la temperatura. A altas temperaturas, el movimiento térmico aleatorio hace que sea más difícil para los electrones mantener la alineación.
Materiales
Diamagnetismo
El diamagnetismo aparece en todos los materiales, y es la tendencia de un material a oponerse a un campo magnético aplicado y, por lo tanto, ser repelido por un campo magnético. Sin embargo, en un material con propiedades paramagnéticas (es decir, con una tendencia a mejorar un campo magnético externo), domina el comportamiento paramagnético. Por lo tanto, a pesar de su ocurrencia universal, el comportamiento diamagnético se observa solo en un material puramente diamagnético. En un material diamagnético, no hay electrones desapareados, por lo que los momentos magnéticos de electrones intrínsecos no pueden producir ningún efecto de volumen. En estos casos, la magnetización surge de los movimientos orbitales de los electrones, que pueden entenderse clásicamente de la siguiente manera:
Tenga en cuenta que esta descripción se entiende solo como una heurística; el teorema de Bohr-van Leeuwen muestra que el diamagnetismo es imposible de acuerdo con la física clásica, y que una comprensión adecuada requiere una descripción de la mecánica cuántica.
Tenga en cuenta que todos los materiales sufren esta respuesta orbital. Sin embargo, en sustancias paramagnéticas y ferromagnéticas, el efecto diamagnético se ve abrumado por los efectos mucho más fuertes causados por los electrones desapareados.
Paramagnetismo
En un material paramagnético hay electrones desapareados ; es decir, orbitales atómicos o moleculares con exactamente un electrón en ellos. Mientras que el principio de exclusión de Pauli requiere que los electrones emparejados tengan sus momentos magnéticos intrínsecos ("giro") apuntando en direcciones opuestas, causando que sus campos magnéticos se cancelen, un electrón desapareado es libre de 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, reforzándolo.
Ferromagnetismo
Un ferromagnet, como una sustancia paramagnética, tiene electrones desapareados. Sin embargo, además de la tendencia del momento magnético intrínseco de los electrones a ser paralelos a un campo aplicado, también existe en estos materiales una tendencia a que estos momentos magnéticos se orienten paralelamente entre sí para mantener un estado de energía baja. Por lo tanto, incluso en ausencia de un campo aplicado, los momentos magnéticos de los electrones en el material se alinean espontáneamente de forma paralela entre sí.
Cada sustancia ferromagnética tiene su propia temperatura individual, llamada temperatura Curie, o punto Curie, por encima del cual pierde sus propiedades ferromagnéticas. Esto se debe a que la tendencia térmica al desorden supera la disminución de energía debido al orden ferromagnético.
El ferromagnetismo solo ocurre en algunas sustancias; los más comunes son hierro, níquel, cobalto, sus aleaciones y algunas aleaciones de metales extraños.
Dominios magnéticos
Los momentos magnéticos de los átomos en un material ferromagnético hacen que se comporten como imanes diminutos permanentes. Se unen y se alinean en pequeñas regiones de alineación más o menos uniforme llamadas dominios magnéticos o Weiss. Los dominios magnéticos se pueden observar con un microscopio de fuerza magnética para revelar los límites del 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 unen más establemente, como se muestra a la derecha.
Cuando se exponen a un campo magnético, los límites del dominio se mueven, de modo que los dominios alineados con el campo magnético crecen y dominan la estructura (área amarilla punteada), como se muestra a la izquierda. Cuando se elimina el campo de magnetización, los dominios pueden no volver a un estado no magnetizado. Esto da como resultado que el material ferromagnético se magnetice, formando un imán permanente.
Cuando se magnetiza con la suficiente fuerza como para que el dominio prevaleciente sobrepase a todos los demás para dar como resultado un solo dominio, el material está 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 cesan las propiedades magnéticas que provocan. Cuando el material se enfría, esta estructura de alineación de dominio retorna espontáneamente, de una manera aproximadamente análoga a cómo un líquido puede congelarse en un sólido cristalino.
Antiferromagnetismo
En un antiferromagnet, a diferencia de un ferromagnet, hay una tendencia a que los momentos magnéticos intrínsecos de los electrones de valencia vecinos apunten en direcciones opuestas. Cuando todos los átomos están dispuestos en una sustancia para que cada vecino sea antiparalelo, la sustancia es antiferromagnética . Los antiferromagnetos tienen un momento magnético neto cero, lo que significa que ningún campo es producido por ellos. Los antiferromagnetos son menos comunes en comparación con los otros tipos de comportamientos y se observan principalmente a bajas temperaturas. A diferentes temperaturas, se puede observar que los antiferromagnetos exhiben propiedades diamagnéticas y ferromagnéticas.
En algunos materiales, los electrones vecinos prefieren apuntar en direcciones opuestas, pero no existe una disposición geométrica en la que cada par de vecinos esté anti-alineado. Esto se llama un cristal giratorio y es un ejemplo de frustración geométrica.
Ferrimagnetismo
Al igual que el ferromagnetismo, los ferrimagnetas retienen su magnetización en ausencia de un campo. Sin embargo, al igual que los antiferromagnets, los pares vecinos de espines de electrones tienden a apuntar en direcciones opuestas. Estas dos propiedades no son contradictorias, porque en la disposición geométrica óptima, hay más momento magnético de la sublícia de electrones que apuntan en una dirección, que de la sublícia que apunta en la dirección opuesta.
La mayoría de las ferritas son ferrimagnéticas. La primera sustancia magnética descubierta, la magnetita, es una ferrita y originalmente se creía que era ferromagnet; Louis Néel desmintió esto, sin embargo, después de descubrir el ferrimagnetismo.
Superparamagnetismo
Cuando un ferromagnet o ferrimagnet es suficientemente pequeño, actúa como un solo giro magnético que está sujeto al movimiento browniano. Su respuesta a un campo magnético es cualitativamente similar a la respuesta de un paramagnet, pero mucho más grande.
Otros tipos de magnetismo
- Metamagnetismo
- Imán basado en molécula
- Spin glass
Electroimán
Un electroimán es un tipo de imán en el cual el campo magnético es producido por una corriente eléctrica. El campo magnético desaparece cuando la corriente está apagada. Los electroimanes suelen consistir en una gran cantidad de giros de alambre poco espaciados que crean el campo magnético. Los giros de alambre a menudo se enrollan alrededor de un núcleo magnético hecho de un material ferromagnético o ferrimagnético como hierro; el núcleo magnético concentra el flujo magnético y crea un imán más potente.
La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético se puede cambiar rápidamente controlando la cantidad de corriente eléctrica en el devanado. Sin embargo, a diferencia de un imán permanente que no necesita energía, un electroimán requiere un suministro continuo de corriente para mantener el campo magnético.
Los electroimanes se utilizan ampliamente como componentes de otros dispositivos eléctricos, como motores, generadores, relés, solenoides, altavoces, discos duros, máquinas de MRI, instrumentos científicos y equipos de separación magnética. Los electroimanes también se emplean en la industria para recoger y mover objetos pesados de hierro, como chatarra y acero. El electromagnetismo se descubrió en 1820.
Magnetismo, electricidad y relatividad especial
Como consecuencia de la teoría de la relatividad especial de Einstein, la electricidad y el magnetismo están fundamentalmente interrelacionados. Tanto el magnetismo que carece de electricidad como la electricidad sin magnetismo son inconsistentes con la relatividad especial, debido a efectos tales como la contracción de la longitud, la dilatación del tiempo y el hecho de que la fuerza magnética depende de la velocidad. Sin embargo, cuando se tienen en cuenta tanto la electricidad como el magnetismo, la teoría resultante (electromagnetismo) es totalmente coherente con la relatividad especial. En particular, un fenómeno que parece puramente eléctrico o puramente magnético para un observador puede ser una mezcla de ambos a otro, o más generalmente las contribuciones relativas de electricidad y magnetismo dependen del marco de referencia. Por lo tanto, la relatividad especial "mezcla" electricidad y magnetismo en una sola,
Todas las observaciones sobre electromagnetismo se aplican a lo que podría considerarse principalmente magnetismo, por ejemplo, las perturbaciones en el campo magnético son necesariamente acompañadas por un campo eléctrico distinto de cero, y se propagan a la velocidad de la luz.
Campos magnéticos en un material
En un aspirador,
donde μ 0 es la permeabilidad al 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 un diamagnet o paramagnet es aproximadamente lineal:
la constante de proporcionalidad se llama susceptibilidad magnética. Si es así,
En un imán duro como un ferromagnet, M no es proporcional al campo y generalmente no es cero, incluso cuando H es cero (ver Remanencia).
Fuerza magnética
El fenómeno del magnetismo está "mediado" por el campo magnético. Una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, y ese campo, a su vez, imparte fuerzas magnéticas sobre otras partículas que están en los campos.
Las ecuaciones de Maxwell, que simplifican a la ley de Biot-Savart en el caso de las corrientes constantes, describen el origen y el comportamiento de los campos que gobiernan estas fuerzas. Por lo tanto, el magnetismo se ve cuando las partículas cargadas eléctricamente están en movimiento, por ejemplo, por el movimiento de electrones en una corriente eléctrica o, en ciertos casos, por el movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo de un átomo. También surgen de dipolos magnéticos "intrínsecos" que surgen del giro mecánico-cuántico.
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, creando una fuerza. A continuación está la fórmula para mover la carga; para las fuerzas en un dipolo intrínseco, ver dipolo magnético.
Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B , siente una fuerza F de Lorentz dada por el producto cruzado:
dónde
- es la carga eléctrica de la partícula, y
- v es el vector de velocidad de la partícula
Debido a que este es un producto cruzado, la fuerza es perpendicular tanto al movimiento de la partícula como al campo magnético. Se deduce que la fuerza magnética no funciona en la partícula; puede cambiar la dirección del movimiento de la partícula, pero no puede hacer que se acelere o ralentice. La magnitud de la fuerza es
¿Dónde está 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 el pulgar "F" con la mano derecha. Al realizar una configuración similar a una pistola, con el dedo medio cruzando debajo del dedo índice, los dedos representan el vector de velocidad, el vector de campo magnético y el vector de fuerza, respectivamente. Ver también la regla de la mano derecha.
Dipolos magnéticos
Una fuente muy común de campo magnético encontrado en la naturaleza es un dipolo, con un "Polo Sur" y un "Polo Norte", términos que datan del uso de imanes como brújulas, interactuando con el campo magnético de la Tierra para indicar el Norte y el Sur en el mundo. Como los extremos opuestos de los imanes son atraídos, el polo norte de un imán es atraído hacia el polo sur de otro imán. El Polo Norte Magnético de la Tierra (actualmente en el Océano Ártico, al norte de Canadá) es físicamente un polo sur, ya que atrae al polo norte de una brújula. Un campo magnético contiene energía y los sistemas físicos se mueven hacia configuraciones con menor energía. Cuando el material diamagnético se coloca en un campo magnético, un dipolo magnético tiende a alinearse en polaridad opuesta a ese campo, lo que reduce la intensidad neta del campo. Cuando el material ferromagnético se coloca dentro de un campo magnético, los dipolos magnéticos se alinean con el campo aplicado, expandiendo así las paredes del dominio de los dominios magnéticos.
Monopolos magnéticos
Dado que un imán de barra obtiene su ferromagnetismo a partir de electrones distribuidos uniformemente en toda la barra, cuando se corta un imán de barra por la mitad, cada una de las piezas resultantes es un imán de barra más pequeño. Aunque se dice que un imán tiene un polo norte y un polo sur, estos dos polos no se pueden separar el uno del otro. Un monopolo, si tal cosa existe, sería un tipo de objeto magnético nuevo y fundamentalmente diferente. Actuaría como un polo norte aislado, no unido a un polo sur, o viceversa. Los monopolos llevarían una "carga magnética" análoga a la carga eléctrica. A pesar de las búsquedas sistemáticas desde 1931, a partir de 2010, nunca se han observado, y muy bien podrían no existir.
Sin embargo, algunos modelos de física teórica predicen la existencia de estos monopolos magnéticos. Paul Dirac observó en 1931 que, como la electricidad y el magnetismo muestran cierta simetría, así como la teoría cuántica predice que las cargas eléctricas positivas o negativas individuales pueden observarse sin la carga opuesta, los polos magnéticos aislados del Sur o del Norte deberían ser observables. Utilizando la teoría cuántica Dirac demostró que si existen monopolos magnéticos, entonces uno podría explicar la cuantificación de la carga eléctrica, es decir, por qué las partículas elementales observadas llevan cargas que son múltiplos de la carga del electrón.
Ciertas grandes teorías unificadas predicen la existencia de monopolos que, a diferencia de las partículas elementales, son solitones (paquetes de energía localizada). Los resultados iniciales del uso de estos modelos para estimar el número de monopolos creados en el Big Bang contradicen las observaciones cosmológicas: los monopolos habrían sido tan abundantes y masivos que habrían detenido la expansión del universo desde hace mucho tiempo. Sin embargo, la idea de la inflación (para lo cual este problema sirvió como una motivación parcial) fue exitosa para resolver este problema, creando modelos en los que existían monopolos pero eran lo suficientemente raros para ser consistentes con las observaciones actuales.
Origen cuántico mecánico del magnetismo
Si bien se pueden formular explicaciones heurísticas basadas en la física clásica, el diamagnetismo, el paramagnetismo y el ferromagnetismo solo pueden explicarse por completo utilizando la teoría cuántica. Un modelo exitoso ya fue desarrollado en 1927 por Walter Heitler y Fritz London, quienes derivaron, cuánticamente-mecánicamente, cómo las moléculas de hidrógeno se forman a partir de átomos de hidrógeno, es decir, de los orbitales de hidrógeno atómico y centradas en los núcleos A y B , ver abajo. Que esto conduzca al magnetismo no es para nada obvio, pero se explicará a continuación.
Según la teoría de Heitler-Londres, se forman los llamados orbitales moleculares de dos cuerpos , es decir, el orbital resultante es:
Aquí el último producto significa que un primer electrón, r 1 , está en un orbital de hidrógeno atómico centrado en el segundo núcleo, mientras que el segundo electrón corre alrededor del primer núcleo. Este fenómeno de "intercambio" es una expresión de la propiedad mecánica cuántica de que las partículas con propiedades idénticas no se pueden distinguir. Es específico no solo para la formación de enlaces químicos, sino como se verá, también para el magnetismo, es decir, en relación con esto surge el término interacción de intercambio, un término que es esencial para el origen del magnetismo, y que es más fuerte, más o menos por factores 100 e incluso por 1000, que las energías que surgen de la interacción dipolo-dipolo electrodinámico.
En cuanto a la función de giro , que es responsable del magnetismo, tenemos el ya mencionado principio de Pauli, a saber, que un orbital simétrico (es decir, con el signo + como se ve arriba) debe multiplicarse por una función de giro antisimétrica (es decir, con un signo) y viceversa . Así:
- ,
Es decir, no solo y debe ser sustituido por α y β , respectivamente (la primera entidad significa "girar hacia arriba", la segunda "girar hacia abajo"), pero también el signo + por el signo - y finalmente r i por el discreto valores s i (= ± ½); de ese modo tenemos y . El "estado de singlete", es decir, el signo - significa: los espines son antiparalelos , es decir, para el sólido tenemos antiferromagnetismo, y para las moléculas de dos átomos uno tiene diamagnetismo. La tendencia a formar un enlace químico (homoeopolar) (esto significa: la formación de un orbital molecular simétrico , es decir, con el signo +) se produce a través del principio de Pauli automáticamente en una estado de giro antisimétrico (es decir, con el signo -). Por el contrario, la repulsión de Coulomb a los electrones, es decir, la tendencia a evitarse entre sí por esta repulsión, llevaría a una función orbital antisimétrica (es decir, con el signo -) de estas dos partículas, y complementaria a una función de giro simétrica (es decir, con el signo +, una de las llamadas "funciones triplete"). Por lo tanto, ahora los giros serían paralelos (ferromagnetismo en un sólido, paramagnetismo en gases de dos átomos).
La última tendencia mencionada domina en los metales hierro, cobalto y níquel, y en algunas tierras raras, que son ferromagnéticas . La mayoría de los otros metales, donde predomina la tendencia mencionada en primer lugar, son no magnéticos (p. Ej., Sodio, aluminio y magnesio) o antiferromagnéticos (p. Ej., Manganeso). Los gases diatómicos también son casi exclusivamente diamagnéticos y no paramagnéticos. 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 de Heitler-Londres se pueden generalizar al modelo de magnetismo de Heisenberg (Heisenberg 1928).
La explicación de los fenómenos se basa esencialmente en todas las sutilezas de la mecánica cuántica, mientras que la electrodinámica cubre principalmente la fenomenología.
Unidades
SI
Unidades de electromagnetismo SI | ||||
|---|---|---|---|---|
| Símbolo | Nombre de la cantidad | Nombre de la unidad | Símbolo | Unidades base |
| Q | carga eléctrica | culombio | do | A⋅s |
| yo | corriente eléctrica | amperio | UN | A (= W / V = C / s) |
| J | densidad de corriente eléctrica | amperio por metro cuadrado | A.m | A⋅m |
| U , Δ V , Δ φ; mi | diferencia de potencial; fuerza electromotriz | voltio | V | J / C = kg⋅m⋅s⋅A |
| R ; Z ; X | resistencia electrica; impedancia;resistencia reactiva | ohm | Ω | V / A = kg⋅m⋅s⋅A |
| ρ | resistividad | medidor de ohmios | Ω⋅m | kg⋅m⋅s⋅A |
| PAG | energia electrica | vatio | W | V⋅A = kg⋅m⋅s |
| do | capacidad | faradio | F | C / V = kg⋅m⋅A⋅s |
| Φ E | Flujo eléctrico | voltímetro | V⋅m | kg⋅m⋅s⋅A |
| mi | fuerza de campo eléctrico | voltios por metro | V / m | N / C = kg⋅m⋅A⋅s |
| re | campo de desplazamiento eléctrico | culombio por metro cuadrado | Cm | A⋅s⋅m |
| ε | permitividad | Farad por metro | F / m | kg⋅m⋅A⋅s |
| χ e | susceptibilidad eléctrica | (sin dimensiones) | 1 | 1 |
| G ; Y; segundo | conductancia; entrada; Susceptancia | siemens | S | Ω = kg⋅m⋅s⋅A |
| κ , γ , σ | conductividad | siemens por metro | S / m | kg⋅m⋅s⋅A |
| segundo | densidad de flujo magnético, inducción magnética | Tesla | T | Wb / m = kg⋅s⋅A = N⋅A⋅m |
| Φ , Φ M , Φ B | flujo magnético | Weber | Wb | V⋅s = kg⋅m⋅s⋅A |
| H | intensidad del campo magnético | amperio por metro | A.m | A⋅m |
| L , M | inductancia | Enrique | H | Wb / A = V⋅s / A = kg⋅m⋅s⋅A |
| μ | permeabilidad | henry por metro | H / m | kg⋅m⋅s⋅A |
| χ | Susceptibilidad magnética | (sin dimensiones) | 1 | 1 |
Otros
- gauss - la unidad de campo centímetro-gramo-segundo (CGS) del campo magnético (denotada B ).
- oersted - la unidad CGS del campo de magnetización (denotada H )
- maxwell - la unidad CGS para flujo magnético
- gamma - una unidad de densidad de flujo magnético que se usaba comúnmente antes de que el tesla entrara en uso (1.0 gamma = 1.0 nanotesla)
- μ 0 - símbolo común para la permeabilidad del espacio libre ( 4π × 10 newton / (amperio-vuelta))
Cosas vivas
Algunos organismos pueden detectar campos magnéticos, un fenómeno conocido como magnetocepción. Además de la detección, los organismos utilizan los fenómenos biomagnéticos de varias maneras. Por ejemplo, los chitones, un tipo de molusco marino, producen magnetita para endurecer sus dientes, e incluso los humanos producen magnetita en el tejido corporal. La magnetobiología estudia los campos magnéticos como un tratamiento médico; los campos producidos naturalmente por un organismo se conocen como biomagnetismo.