Magnetização - Magnetization

No eletromagnetismo clássico , a magnetização é o campo vetorial que expressa a densidade de momentos dipolares magnéticos permanentes ou induzidos em um material magnético. O movimento dentro deste campo é descrito por direção e é Axial ou Diamétrico. A origem dos momentos magnéticos responsáveis ​​pela magnetização podem ser correntes elétricas microscópicas resultantes do movimento dos elétrons nos átomos , ou o spin dos elétrons ou dos núcleos. A magnetização líquida resulta da resposta de um material a um campo magnético externo . Os materiais paramagnéticos têm uma magnetização induzida fraca em um campo magnético, que desaparece quando o campo magnético é removido. Materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos possuem forte magnetização em um campo magnético, e podem ser magnetizados para ter magnetização na ausência de um campo externo, tornando-se um ímã permanente . A magnetização não é necessariamente uniforme dentro de um material, mas pode variar entre diferentes pontos. A magnetização também descreve como um material responde a um campo magnético aplicado , bem como a maneira como o material altera o campo magnético, e pode ser usada para calcular as forças que resultam dessas interações. Pode ser comparada à polarização elétrica , que é a medida da resposta correspondente de um material a um campo elétrico na eletrostática . Físicos e engenheiros geralmente definem magnetização como a quantidade de momento magnético por unidade de volume. Ele é representado por um pseudovetor M .

Definição

O campo de magnetização ou campo M pode ser definido de acordo com a seguinte equação:

Onde está o momento magnético elementar e é o elemento de volume ; em outras palavras, o campo M é a distribuição dos momentos magnéticos na região ou variedade em questão. Isso é melhor ilustrado por meio da seguinte relação:

onde m é um momento magnético comum e a integral tripla denota integração sobre um volume. Isso torna o campo M completamente análogo ao campo de polarização elétrica , ou campo P , usado para determinar o momento de dipolo elétrico p gerado por uma região ou variedade semelhante com tal polarização:

Onde está o momento de dipolo elétrico elementar.

Essas definições de P e M como "momentos por unidade de volume" são amplamente adotadas, embora em alguns casos possam levar a ambigüidades e paradoxos.

O campo M é medido em amperes por metro (A / m) em unidades SI .

Nas equações de Maxwell

O comportamento dos campos magnéticos ( B , H ), campos elétricos ( E , D ), densidade de carga ( ρ ) e densidade de corrente ( J ) é descrito pelas equações de Maxwell . O papel da magnetização é descrito abaixo.

Relações entre B, H e M

A magnetização define o campo magnético auxiliar H como

( Unidades SI )
( Unidades gaussianas )

o que é conveniente para vários cálculos. A permeabilidade ao vácuo μ 0 é, por definição,× 10 −7 V · s / ( A · m ) (em unidades SI).

Uma relação entre M e H existe em muitos materiais. Em diaímanes e paraímanes , a relação é geralmente linear:

onde χ é chamado de susceptibilidade magnética de volume e μ é chamado de permeabilidade magnética do material. A energia potencial magnética por unidade de volume (ou seja, densidade de energia magnética ) do paraíman (ou diaíman) no campo magnético é:

o gradiente negativo do qual é a força magnética no paramagneto (ou diamagneto) por unidade de volume (isto é, densidade de força).

Em diaímanes ( ) e paraímanes ( ), geralmente , e portanto .

Em ferromagnetos, não há correspondência um a um entre M e H por causa da histerese magnética .

Polarização magnética

Alternativamente à magnetização, pode-se definir a polarização magnética , I (freqüentemente o símbolo J é usado, não deve ser confundido com densidade de corrente).

( Unidades SI ).

Este é, por analogia direta com a polarização elétrica , . A polarização magnética, portanto, difere da magnetização por um fator de μ 0 :

( Unidades SI ).

Enquanto a magnetização é medida normalmente em amperes / metro, a polarização magnética é medida em teslas.

Corrente de magnetização

Quando as correntes microscópicas induzidas pela magnetização (setas pretas) não se equilibram, as correntes de volume limitado (setas azuis) e as correntes de superfície limitadas (setas vermelhas) aparecem no meio.

A magnetização M contribui para a densidade de corrente J , conhecida como corrente de magnetização.

e para a corrente de superfície ligada :

de modo que a densidade de corrente total que entra nas equações de Maxwell é dada por

onde J f é a densidade de corrente elétrica de cargas livres (também chamada de corrente livre ), o segundo termo é a contribuição da magnetização, eo último prazo está relacionada com a polarização elétrica P .

Magnetostática

Na ausência de correntes elétricas livres e efeitos dependentes do tempo, as equações de Maxwell que descrevem as quantidades magnéticas reduzem a

Essas equações podem ser resolvidas em analogia com problemas eletrostáticos onde

Nesse sentido, −∇⋅ M desempenha o papel de uma "densidade de carga magnética" fictícia análoga à densidade de carga elétrica ρ ; (veja também o campo de desmagnetização ).

Dinâmica

O comportamento da magnetização dependente do tempo torna-se importante quando se considera a magnetização em escala de tempo em nano e nanossegundos. Em vez de simplesmente se alinhar com um campo aplicado, os momentos magnéticos individuais em um material começam a precessar em torno do campo aplicado e se alinham por meio do relaxamento à medida que a energia é transferida para a rede.

Reversão

A reversão de magnetização, também conhecida como comutação, refere-se ao processo que leva a uma reorientação de 180 ° (arco) do vetor de magnetização em relação à sua direção inicial, de uma orientação estável para a oposta. Tecnologicamente, este é um dos processos mais importantes no magnetismo que está vinculado ao processo de armazenamento de dados magnéticos , como os usados ​​em unidades de disco rígido modernas . Como é conhecido hoje, existem apenas algumas maneiras possíveis de reverter a magnetização de um ímã metálico:

  1. um campo magnético aplicado
  2. injeção de spin por meio de um feixe de partículas com spin
  3. reversão de magnetização por luz circularmente polarizada ; ou seja, radiação eletromagnética incidente que é circularmente polarizada

Desmagnetização

A desmagnetização é a redução ou eliminação da magnetização. Uma maneira de fazer isso é aquecer o objeto acima de sua temperatura Curie , onde as flutuações térmicas têm energia suficiente para superar as interações de troca , a fonte da ordem ferromagnética, e destruir essa ordem. Outra forma é puxá-lo para fora de uma bobina elétrica com corrente alternada passando por ela, dando origem a campos que se opõem à magnetização.

Uma aplicação da desmagnetização é eliminar campos magnéticos indesejados. Por exemplo, os campos magnéticos podem interferir com dispositivos eletrônicos, como telefones celulares ou computadores, e com a usinagem, fazendo com que os cortes grudem em seus pais.

Veja também

Referências