Propiedades Magnéticas de los Sólidos

Los materiales pueden ser clasificados por su respuesta a los campos magnéticos aplicados externamente, como diamagnéticos, paramagnéticos, o ferromagnéticos. Estas respuestas magnéticas difieren en gran medida en intensidad. El diamagnetismo, es la propiedad de todos los materiales de oponerse al campo magnético aplicado, pero es muy débil. el paramagnetismo cuando está presente, es más fuerte que el diamagnetismo y produce magnetización en la dirección del campo aplicado, y proporcional al campo aplicado. Los efectos ferromagnéticos son muy grandes, produciendo magnetizaciones a veces, de órdenes de magnitud mayor que el campo aplicado, y como tales son mucho más grandes que los efectos diamagnéticos o paramagnéticos.

La magnetización de un material, se expresa en términos de densidad de momentos dipolares magnéticos netos m en el material. Se define una cantidad vectorial llamada magnetización M por

Luego el total del campo magnético B en el material, está dado por

donde μ₀ es la permeabilidad magnética del espacio y B₀ es el campo magnético aplicado externamente. Cuando se calculan los campos magnéticos en el interior del material usando la ley de Ampere o la ley de Biot-Savart, entonces μ₀ en esas ecuaciones se reemplaza normalmente por μ, siendo

donde K_m se llama permeabilidad relativa. Si el material no responde al campo magnético externo, sin producir ninguna magnetización, entonces K_m = 1. Otra cantidad magnética normalmente usada es la susceptibilidad magnética, que especifica cuanto difiere la permeabilidad relativa de 1.

En los materiales paramagnéticos y diamagnéticos, la permeabilidad relativa está muy cerca de 1 y la susceptibilidad magnética muy cerca de cero. En los materiales ferromagnéticos, estas cantidades pueden ser muy grandes.

Otra manera de tratar con los campos magnéticos que surgen de la magnetización de los materiales es introducir una cantidad llamada intensidad de campo magnético H. Se puede definir por la relación

y tiene el valor que sin ambigüedad, designa a la influencia magnética impulsora por corrientes externas en el material, independientemente de la respuesta magnética del material. La fórmula anterior de B, se puede escribir en la forma equivalente

H y M tendrán las mismas unidades, amperios/metro.

Cuando se aplican campos magnéticos, los materiales ferromagnéticos son sometidos a un pequeño cambio mecánico, ya sea expandirse o contraerse ligeramente. Este efecto se llama magnetostricción.

Diamagnetismo

El movimiento orbital de los electrones crea diminutos bucles de corrientes atómicas, que producen campos magnéticos. Cuando se aplica un campo magnético externo a un material, estos bucles de corrientes tienden a alinearse de tal manera que se oponen al campo aplicado. Esto puede ser visto como una versión atómica de la ley de Lenz: los campos magnéticos inducidos tienden a oponerse al cambio que los creó. Los materiales en el que este efecto es la única respuesta magnética, se llaman diamagnéticos. Todos los materiales son inherentemente diamagnéticos, pero si los átomos tienen un momento magnético neto como en los materiales paramagnéticos, o si hay orden de largo alcance de los momentos magnéticos atómicos, como en materiales ferromagnéticos, estos efectos más fuertes son siempre dominantes. El diamagnetismo es el comportamiento magnético residual de los materiales que no son ni paramagnéticos ni ferromagnéticos.

Cualquier conductor mostrará un efecto diamagnético fuerte en presencia de campos magnéticos variables, porque se generarán corrientes circulantes, que se opondrán a los cambios del campo magnético. Un superconductor será un diamagnético perfecto ya que no hay resistencia a la formación de bucles de corriente.

Paramagnetismo

Algunos materiales exhiben una magnetización, que es proporcional al campo magnético aplicado bajo el cual está colocado el material. Estos materiales se dice que son paramagnéticos y siguen la ley de Curie: