Magnetismo

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El magnetismo es una forma de interacción entre cargas eléctricas en movimiento , llevada a cabo a distancia por medio de un campo magnético . Junto con la electricidad , el magnetismo es una de las manifestaciones de la interacción electromagnética . Desde el punto de vista de la teoría cuántica de campos, la interacción electromagnética la realiza un bosón , un fotón (una partícula que puede representarse como una excitación cuántica de un campo electromagnético ).

Historia

Tiempos antiguos

China

Hay varios relatos de la primera mención de los imanes, generalmente considerados en la historia del Mundo Antiguo en el contexto de una brújula o cultos religiosos. Según una estimación, la magnetita o mineral de hierro magnético se descubrió por primera vez en China hace 4000 años antes de Cristo. mi. Al mismo tiempo, se observa que los investigadores occidentales tienden a dar prioridad al descubrimiento del magnetismo por parte de los antiguos griegos [1] . La primera mención en los anales del uso de materiales magnéticos se remonta al tercer milenio antes de Cristo. e., cuando el legendario emperador chino Huangdi usó una brújula durante la batalla [2] . Sin embargo, según otra versión, utilizó los llamados carros apuntando al sur [3] [Comm 1] . Navegantes chinos de finales del segundo milenio antes de Cristo. mi. utilizaba la brújula para la navegación marítima . [4] [5] En general, la época de su invención se estima entre 2637 y 1100 a. mi. [6] [Comm 2] La brújula en forma de cuchara sobre una superficie lisa ( chino 指南针, zhǐ nán zhēn [7] - cuchara orientada al sur) se utilizó en la dinastía Han ( siglo III a. C. ) para la adivinación [8] . Según otra versión, la primera mención de un imán y una brújula magnética se hizo solo en el siglo IV a. mi. en el Libro del Dueño del Valle del Diablo, y la brújula en sí misma, incluso entonces, parecía que se usó un siglo después en el feng shui [9] [10] . La atracción del hierro por un imán fue explicada desde el punto de vista de la manifestación de fuerzas superiores [11] :

Si crees que así como el mineral de hierro magnético puede atraer el hierro, también puedes hacer que atraiga piezas de cerámica, entonces estás equivocado... El mineral de hierro magnético puede atraer el hierro, pero no interactúa con el cobre. Este es el movimiento del Tao .

Texto original (inglés)[ mostrarocultar] Si crees que debido a que la piedra imán puede atraer el hierro también puedes hacer que atraiga piezas de cerámica, te equivocarás… La piedra imán puede atraer el hierro pero no tiene ningún efecto sobre el cobre. Tal es el movimiento del Tao [Dao]. — Huainanzi

Yakov Perelman en "Entertaining Physics" señaló que el nombre chino para el imán tsy-shi ( chino 磁石[12] ) se traduce como "piedra amorosa" por la atracción del hierro, similar a la relación entre madre e hijo [13] . Sin embargo, analogías similares del efecto de un imán sobre el hierro también se encuentran en otros idiomas [3] .

India

Plinio el Viejo en su obra Naturalis Historia mencionó una montaña cerca del río Indo ( lat. Indus ), que atraía el hierro. Médico indio Sushruta , que vivió en el siglo VI a. mi. imanes usados con fines quirúrgicos. [14] El origen de la brújula india no se conoce con certeza, pero se menciona ya en el siglo VI dC en algunos libros tamiles sobre navegación marítima con el nombre de "motor de pescado" ( sct. maccha-yantra ). Un manual militar que data de 1044 describe una brújula similar en forma de pez con cabeza de hierro imantado, colocado para nadar en un recipiente. [1] [15]

Grecia

La magnetita era bien conocida por los antiguos griegos . Titus Lucretius Car en su ensayo “ Sobre la naturaleza de las cosas ” ( lat. De rerum natura , siglo I aC ) escribió que una piedra que atrae el hierro se llamaba imán en Grecia por la provincia de Magnesia en Tesalia . Según Plinio el Viejo, la palabra "imán" proviene del nombre del pastor Magnes [16]

cuyas uñas de zapatos y la punta de su bastón fueron atraídas magnéticamente cuando llevó a su rebaño a pastar.

Texto original (inglés)[ mostrarocultar] las uñas de cuyos zapatos y la punta de su bastón se clavaron firmemente en un campo magnético mientras apacentaba a sus rebaños. - Gilbert W. De Magnete / Gilbert Club, Londres, 1900. - trad., ed. - Nueva York: Basic Books, 1958. - P. p.

Otro nombre griego para un imán es la "Piedra de Hércules" [17] .

Las primeras referencias griegas escritas a la magnetita se remontan al siglo VIII a. mi. [18] Tales de Mileto ( siglos VII - VI aC ) fue el primero en notar que atrae el hierro [19] . Varias escuelas filosóficas explicaron sus propiedades inusuales a su manera. Tales y Anaxágoras creían que la magnetita tenía un alma atraída por el hierro. [20] [21] Contemporáneo de Anaxágoras, Diógenes de Apolonia creía que el hierro tenía cierta "humedad" y el imán la absorbía. [21] Según otras teorías, los imanes emitieron algunos vapores, lo que llevó a los resultados observados. Empédocles de Acragast creía que la interacción magnética es de naturaleza mecánica y que el contacto directo entre el imán y el hierro es necesario para su manifestación. [22] Sócrates observó el efecto de la aparición de una fuerza de atracción en los anillos de hierro atraídos por un imán . [23] Cuatro siglos después, Lucrecio Caro fue el primero en notar que los materiales magnéticos podían repelerse entre sí. [21]

Edad Media y la Era de los Descubrimientos

Durante la Edad Media , la acumulación de nuevos conocimientos y teorías sobre la naturaleza del magnetismo estuvo prácticamente ausente. Solo los monjes expresaron algunas suposiciones teológicas . [24] Pero en el arte popular de varios países (no solo europeos, sino también árabes: véase " Las mil y una noches "), a veces se mencionan montañas o islas magnéticas, capaces de atraer a su alrededor todos los objetos de metal. [20] [3]

Según una de las leyendas europeas , el pobre joyero Flavio Gioia inventó la brújula magnética para casarse con la hija de un rico pescador , Domenico. El padre no quería un yerno así para él y puso como condición aprender a nadar en línea recta en la niebla por la noche. El ingenioso joyero notó que un corcho con una piedra magnética sobre él, colocado en una taza de agua, siempre se orienta en una dirección y logró completar una tarea difícil. De hecho, el "joyero" fue el secretario papal Flavio Biondo , quien en 1450 describió el conocimiento de los habitantes de Amalfi sobre la brújula [3] .

Por primera vez en Europa, la brújula fue mencionada en 1187 por el inglés Alexander Neckam en sus obras De utensilibus y De naturis rerum [20] .

Desarrollo del magnetismo como ciencia

El ángulo en el que la aguja magnética se desvía de la dirección norte-sur se llama declinación magnética . Cristóbal Colón estableció que la declinación magnética depende de las coordenadas geográficas, lo que motivó el estudio de esta nueva propiedad del campo magnético terrestre.

Uno de los primeros experimentos con imanes lo llevó a cabo el jesuita Leonardo Garzoni (era un cabrón) allá por el siglo XVI. Casi toda la información sobre imanes acumulada a principios del siglo XVII se resumió en 1589 con el libro Magia natural de Giambattista della Porta y en 1600 por William Gilbert con su obra Lat. De Magneto . Estos científicos atribuyeron un origen espiritual a las fuerzas magnéticas. El científico ruso M. V. Lomonosov en 1759, en su informe "Discurso sobre la gran precisión de la ruta marítima", dio valiosos consejos sobre cómo aumentar la precisión de las lecturas de la brújula. Para estudiar el magnetismo terrestre, M. V. Lomonosov recomendó organizar una red de puntos permanentes (observatorios) en los que realizar observaciones magnéticas sistemáticas; tales observaciones también deberían llevarse a cabo ampliamente en el mar. La idea de Lomonosov de organizar observatorios magnéticos se realizó solo 60 años después en Rusia. La primera teoría materialista detallada del magnetismo fue hecha por R. Descartes . La teoría del magnetismo también fue desarrollada por F. W. T. Epinus , S. Coulomb , quien en 1788 generalizó la ley de Coulomb al caso de la interacción de los polos puntuales de un imán, A. Burgmans , quien posee el descubrimiento de la atracción y repulsión de sustancias débilmente magnéticas . (llamado por M. Faraday en 1845 dia - y paramagnetos), y otros científicos.

Uno de los hitos más importantes en la historia de la física de los fenómenos magnéticos fue la implementación en 1820 del experimento de Oersted con una aguja magnética, que en realidad llevó a los científicos a crear una teoría unificada de las interacciones electromagnéticas . En el mismo año, A. M. Ampere propuso la hipótesis de las corrientes moleculares, que competía con la hipótesis de los imanes elementales - dipolos magnéticos , desarrollada en detalle por V. E. Weber y luego desarrollada por J. A. Ewing . En 1831, el explorador polar inglés John Ross descubrió el polo magnético en el archipiélago canadiense, el área donde la aguja magnética ocupa una posición vertical, es decir, la inclinación es de 90 °. En 1841, James Ross (sobrino de John Ross) alcanzó el otro polo magnético de la Tierra, ubicado en la Antártida.

En 1831, M. Faraday descubrió la ley de la inducción electromagnética y acuñó por primera vez el término " campo magnético ". En 1834, el académico ruso E. Kh. Lenz estableció una regla sobre la dirección de la corriente de inducción y el campo magnético asociado a ella. En 1873, se estableció el comienzo de la electrodinámica moderna con la publicación del Tratado sobre electricidad y magnetismo de J.K. Maxwell y el descubrimiento experimental en 1888 por parte de G.R. Hertz de las ondas electromagnéticas predichas en este tratado . La interacción de un campo electromagnético con la materia fue considerada por H. A. Lorentz , quien creó la teoría electrónica de las propiedades magnéticas y explicó en su marco el efecto Zeeman descubierto en 1896 .

En 1905, P. Langevin , sobre la base del teorema de Larmor y la teoría electrónica de Lorentz, desarrolló la interpretación clásica de la teoría del dia y paramagnetismo.

Características cuantitativas

La principal característica de potencia del campo magnético es el vector de inducción magnética . En el medio también se introduce el vector de la intensidad del campo magnético .

La siguiente tabla muestra las dimensiones y unidades de medida de las magnitudes magnéticas relacionadas con el sistema SI [25] [26] . La columna con designaciones puede contener varias opciones, si son bastante comunes en la literatura. Se utiliza la siguiente notación:

c es la velocidad de la luz
M - unidad de masa
L - unidad de longitud
T - unidad de tiempo
I - unidad de fuerza actual

Valor	Designacion	Dimensión	SI	cgs gaussianas	SGSM	SGSE
Momento dipolar magnético	pag , metro , μ	IL 2	1 am 2 _ _	10 3 ergios / G	10 3 Bi cm 2 _	10 5 s Fr cm 2 _
Inducción de campo magnético	B	MT -2 I -1	1 tonelada	10 4G _	10 4G _	100/c SGSE
Intensidad del campo magnético	H	IL− 1	1 un metro −1 _	4π⋅10 -3 Oe	4π⋅10 -3 Oe	4πc⋅10 -1 CGSE
Magnetización	M , J	IL− 1	1 un metro −1 _	10 −3 Oe	4π⋅10 -3 Oe	4πc⋅10 -1 CGSE
Susceptibilidad magnética	x	una	una	4π	4π	4π
Permeabilidad magnética (dimensional, ) ${\mathbf B}=\mu {\mathbf H}$	m	MLT -2 I -2	1 H metro −1 _	10 7 /4π Gs / Oe	10 7 /4π Gs / Oe	1000/4πc 2 CGSE
flujo magnético	Φ	ML 2 T -2 I -1	1 Wb	10 8 ms 2	10 8 ms	1/10c SGSE
potencial vectorial	A	MLT -2 I -1	1 Wb m −1 _	10 6 G cm _	10 6 μs cm −1 _	1/c⋅10 4 CGSE
Inductancia	L	ML 2 T -2 I -2	1 gn	10 9 abhenry	10 9 abhenry	10 5 /s 2 CGSE
fuerza magnetomotriz	F	yo	1 A	4π⋅10 -3 GB	4π⋅10 -3 GB	4πc⋅10 9 CGSE

Ecuaciones y leyes básicas

La teoría moderna del magnetismo se basa en las siguientes ecuaciones y leyes básicas:

Fenómenos magnéticos en medios materiales

Campo magnético permanente en sustancias

Ecuaciones microscópicas

A nivel microscópico, los campos electromagnéticos vienen dados por las ecuaciones de Lorentz-Maxwell (las llamadas ecuaciones microscópicas). Un campo magnético con una fuerza microscópica h se describe mediante un sistema de dos ecuaciones ( GHS ):

\operatorname {div} \mathbf {h} =0,\quad \operatorname {rot} \mathbf {h} ={\frac {1}{c}}{\frac {\parcial \mathbf {e} }{\t parcial}}+{\frac {4\pi }{c}}\rho \mathbf {v} ,

donde e es la fuerza microscópica del campo eléctrico, y el producto de la densidad de cargas eléctricas y su velocidad corresponde a la densidad de corriente. Los campos microscópicos son verdaderos, es decir, excitados por el movimiento de cargas elementales en los átomos , y depende fuertemente de las coordenadas. Aquí la corriente está asociada con el movimiento orbital y de espín dentro de los átomos (corrientes moleculares, cuyo concepto fue propuesto por Ampère [27] ). La transición a las ecuaciones macroscópicas ocurre promediando las ecuaciones de Lorentz-Maxwell. En este caso, la fuerza promedio del campo magnético microscópico se llama inducción magnética [28] [29] [Comm 3] : $\rho {\mathbfv}$

\overline {{\mathbf h}}={\mathbf B}.

Corrientes de magnetización y momentos magnéticos elementales

Las corrientes moleculares promediadas en volumen se denominan corrientes de magnetización. Cuando no hay campo externo, las corrientes de magnetización son en promedio iguales a cero, y el efecto de un campo magnético externo sobre una sustancia está asociado con su apariencia. Si se conocieran, entonces las ecuaciones de Maxwell para el vacío serían suficientes para calcular los campos. Las corrientes moleculares pueden interpretarse como corrientes circulares que circulan en los átomos o moléculas de la materia. [treinta]

Cada circuito de corriente molecular con una densidad j m se puede asociar con un momento magnético p . Esto nos permite considerar una sustancia no magnetizada como aquella en la que todos los momentos magnéticos de los átomos individuales están dirigidos al azar, y en un campo magnético externo están orientados de cierta manera, provocando así un cambio en el campo magnético. [31]

De hecho, sólo una consideración mecánica cuántica puede dar una interpretación correcta del magnetismo, ya que la existencia de dipolos magnéticos elementales está asociada con el momento orbital cuantificado y el espín de los electrones, y no con las corrientes clásicas, que desaparecerían rápidamente, por ejemplo, en dieléctricos magnéticos . Un electrón con espín se puede caracterizar por un momento magnético con amplitud $S=\pm 1/2$

\mu =g\mu _{B}S,

donde g es el multiplicador de Lande , [Comm 4] a es el magnetón de Bohr . En la práctica, solo se puede medir una de las tres componentes del vector de momento magnético (por ejemplo, la proyección sobre el eje z ). Si S es el espín total del orbital de un átomo aislado, entonces la proyección del momento magnético toma los valores [32] $\mu _{B}$

\mu _{z}=g\mu _{B}S_{z},\quad S_{z}=-S,-S+1,\ldots,0,\ldots,S-1,S.

Un átomo con un momento mecánico total J tiene un momento magnético con una amplitud

{\mathbf \mu }_{J}=g_{J}\mu _{B}J,

donde el factor de Lande puede ser una función compleja de los números cuánticos orbitales de los electrones del átomo [33] . El ordenamiento de los momentos orbitales y de espín de los átomos hace posible observar el paramagnetismo y el ferromagnetismo. La contribución a las propiedades magnéticas de las sustancias proviene de los electrones de las capas atómicas parcialmente llenas. Además, en los metales, puede ser importante tener en cuenta los electrones de conducción de las capas s, cuyo momento magnético está deslocalizado. [34] $g_{J}$

Aplicabilidad de la descripción macroscópica

Al ser de características cuánticas, los componentes del operador de espín no conmutan entre sí. Sin embargo, si introducimos el operador de espín promedio

{\sombrero S}_{{{\mathrm {av))))=N^{{-1}}\sum _{i}{\sombrero S}_{i},

donde N es el número de espines en el sistema, entonces sus componentes conmutarán en : $N\to\infty$

[{\sombrero S}_{{{\mathrm {av}}}}^{\alpha},{\sombrero S}_{({\mathrm {av}}}}^{\beta }]=N^ {{-1}}i\varepsilon _{{\alpha \beta \gamma }}{\hat S}_{({\mathrm {av}}}}^{\gamma }\to 0,

donde los índices α, β y γ se ejecutan sobre los componentes del operador de espín medio, i es la unidad imaginaria y es el símbolo de Levi-Civita . Esto significa que un sistema con un número suficientemente grande de espines puede considerarse clásico. La descripción fenomenológica se puede aplicar a sistemas donde las excitaciones son de naturaleza multipartícula (es decir, la interacción de intercambio debe exceder significativamente las interacciones relativistas , como, por ejemplo, dipolo-dipolo ). [35] $\varepsilon _{{\alpha \beta \gamma ))$

La intensidad del campo magnético. Parámetros magnéticos de la materia

En el teorema de circulación del campo magnético, es necesario tener en cuenta, además de las corrientes de conducción j , las corrientes moleculares j m ( por simplicidad , la inducción del campo eléctrico se considera cero):

SGA	SI
$\operatorname {rot} \mathbf {B} ={\frac {4\pi {c))(\mathbf {j} +\mathbf {j} _{m}),$	$\operatorname {rot} \mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {j} +\mathbf {j} _{m}),$

donde es la constante magnética . $\mu_{0}$

El valor que caracteriza el momento magnético de una unidad de volumen de una sustancia se llama magnetización (a veces se denota con la letra J ). La densidad de las corrientes moleculares se puede relacionar con la magnetización sumándolas en un área determinada. La corriente molecular es igual a la circulación del momento magnético a lo largo del contorno que cubre esta área. Entonces por el teorema de Stokes ${\mathbf M}={\frac {1}{V}}\sum {\mathbf p}$

SGA	SI
$\mathbf {j} _{m}=c\,\operatorname {rot} \mathbf {M}$ .	$\mathbf {j} _{m}=\operatorname {rot} \mathbf {M}$ .

El rotor de magnetización es igual a cero cuando las corrientes moleculares en átomos individuales o moléculas de la sustancia están orientadas de tal manera que se compensan entre sí.

Por lo general, se introduce un campo vectorial auxiliar

SGA	SI
${\mathbf H}={\mathbf B}-4\pi {\mathbf M}$ ,	${\mathbf H}={\mathbf B}/\mu _{0}-{\mathbf M}$ ,

llama la fuerza del campo magnético . Entonces la fórmula para la circulación del campo magnético se escribe como

SGA	SI
$\operatorname {rot} \mathbf {H} ={\frac {4\pi }{c}}\mathbf {j}$ .	$\operatorname {rot} \mathbf {H} =\mathbf {j}$ .

En campos débiles, la magnetización de una sustancia es proporcional a la intensidad del campo, que se escribe como

{\mathbf M}=\chi {\mathbf H},

donde se llama susceptibilidad magnética . Esta es una cantidad adimensional que puede variar en un amplio rango de valores (por ejemplo, −2,6⋅10 −5 en plata [36] y alrededor de 2⋅10 5 en hierro puro al 99,95 % [37] ), siendo tanto positivos como positivos. y negativo. La relación entre la inducción y la intensidad del campo magnético se puede escribir como $\ chi$

SGA	SI
${\mathbf B}=(1+4\pi \chi ){\mathbf H}\equiv \mu {\mathbf H}$ ,	${\mathbf B}=\mu _{0}(1+\chi ){\mathbf H}\equiv \mu _{0}\mu {\mathbf H}$ ,

donde la cantidad se llama permeabilidad magnética . En general, es una cantidad tensorial . [38] $\mu$

Clases de simetría magnética

La diferencia entre las propiedades eléctricas y magnéticas de los cristales se debe al diferente comportamiento de las corrientes y cargas con respecto a un cambio en el signo del tiempo. Denotemos por la densidad de carga microscópica en el cristal y por la densidad de corriente microscópica en él, promediada en el tiempo. La transformación de la coordenada de tiempo no cambia el signo de la función , a diferencia de la función . Pero si el estado del cristal no cambia, entonces la condición debe cumplirse , de donde se sigue que . Los cristales que cumplen esta condición no tienen estructura magnética. En este caso, la estructura eléctrica siempre existe, ya que no hay razón para que la densidad de carga desaparezca cuando cambia el signo del tiempo. [39] La estructura magnética es una pequeña distorsión con respecto a la estructura de la fase no magnética y generalmente ocurre con la disminución de la temperatura, ya que está asociada con interacciones relativamente débiles de electrones d y f ubicados profundamente. [40] $\rho(x,y,z)$ ${\ matemáticas j} (x, y, z)$ $t\to -t$ $\rho$ ${\matemáticas j}$ ${\mathbfj}=-{\mathbfj}$ ${\matemáticas j}=0$

Es más conveniente considerar la simetría no de la función sino de la distribución de magnetización [Comm 5] . Corresponde a la simetría de la disposición de los momentos magnéticos promediados en el tiempo en la red cristalina . Denotemos la operación de convertir las direcciones de todas las corrientes a la opuesta por el símbolo R. Las clases de simetría magnética se dividen en tres tipos. Los dos primeros incluyen 32 clases de cristales ordinarios y, complementados por la operación R . El tercer tipo consta de 58 clases, que incluyen R solo con operaciones de rotación o reflexión. Hay tres tipos de grupos magnéticos espaciales que unen 1651 grupos. Los dos primeros de ellos, como en el caso de las clases magnéticas, contienen 230 grupos cada uno, coincidiendo con los cristalográficos sin la operación R y complementados por ella. La tercera clase contiene 1191 grupos en los que R se combina con rotaciones , reflexiones o traslaciones . [41] ${\ matemáticas j} (x, y, z)$ ${\mathbf M}\sim [{\mathbf r},{\mathbf j}(x,y,z)]$

Clases magnéticas
C i (C 1 )	C 3v (C 3 )
CS ( C 1 )	D 3 (C 3 )
C2 ( C1 ) _	D 3d (D 3 , S 6 , C 3v )
C 2h (C i , C 2 , CS )	C 3h (C 3 )
C 2v (D 2 , C 2h , C 2v )	C6 ( C3 ) _
D 2 (C 2 )	D 3h (C 3h , C 3v , D 3 )
D2h ( D2 , C2h , C2v ) _	C 6h (C 6 , S 6 , C 3h )
C 4 (C 2 )	C6v ( C6 , C3v ) _
S 4 (C 2 )	D 6 (C 6 , D 3 )
D 2d (S 4 , D 2 , C 2v )	D 6h (D 6 , C 6h , C 3v , D 3d , D 3h )
D4 ( C4 , D2 ) _	jue (t )
C 4v (C 4 , C 2v )	Oh ( T )
C 4h (C 4 , C 2h , S 4 )	Td ( T )
D 4h (D 4 , C 4h , D 2h , C 4v , D 2h )	O h (O, T h , T d )
T 6 (C 3 )

Las clases cristalinas magnéticas determinan completamente las propiedades magnéticas macroscópicas del cuerpo. Entonces, la magnetización espontánea del cristal estará presente si el vector de magnetización, siendo el vector axial , no cambia durante la transformación de una clase de cristal magnético dado. [42]

Clasificación según la naturaleza de la interacción con el campo magnético

Todas las sustancias tienen propiedades magnéticas, expresadas en un grado u otro . [43] La razón de la interacción con un campo magnético externo son sus propios momentos magnéticos o inducidos , los cuales, al estar orientados de determinada manera, modifican el campo en el interior de la sustancia. Los efectos magnéticos más débiles se manifiestan en dia- y paramagnets . Los átomos de los diamagnetos no tienen momento magnético propio y, de acuerdo con la ley de Lenz , en su interior aparecen débiles corrientes circulares en un campo externo , que tienden a compensarlo. Los átomos de los paramagnetos tienen sus propios momentos magnéticos débiles que, cuando se activa un campo externo, se orientan a lo largo de él.

Hay varias clases de sustancias en las que la interacción entre los momentos magnéticos intrínsecos de los átomos es especialmente fuerte y, al tener una naturaleza mecánica cuántica , en principio no pueden explicarse usando analogías de la física clásica . La estructura magnética en ellos es creada por la interacción de intercambio. [44] Las sustancias en las que los momentos magnéticos más cercanos se alinean en paralelo se denominan ferromagnetos . Los antiferromagnetos y los ferriimanes tienen dos redes ferromagnéticas con direcciones opuestas de momentos magnéticos anidados uno dentro del otro. La diferencia entre ellos es que las redes en los antiferroimanes se compensan entre sí, mientras que en los ferriimanes los momentos magnéticos de las diferentes redes son diferentes y el momento magnético total no es igual a cero. Se dice que tales materiales (magnéticos) tienen un orden magnético de largo alcance . La descripción matemática de las subredes magnéticas [Comm 6] de estas tres clases de sustancias es similar en muchos aspectos.

Ordenamiento ferromagnético
Ordenamiento antiferromagnético
ordenamiento ferrimagnético

También se aíslan algunos materiales artificiales con orden magnético de corto alcance . Los vidrios giratorios se crean agregando impurezas magnéticas a metales y aleaciones no magnéticos . Los conjuntos de partículas ferromagnéticas o ferrimagnéticas exhiben propiedades paramagnéticas débiles. En este caso se habla de superparamagnetismo .

Interacciones magnéticas de ferro y antiferromagnetos

El modelo de Heisenberg

Cuando se describen ferro y antiferromagnetos, a menudo se usa el modelo de Heisenberg . Consiste en determinar la parte magnética del hamiltoniano del cristal en la forma

{\mathcal {H}}=-{\frac {1}{2}}\sum _{n,n'}J(nn')\mathbf {S} _{n}\mathbf {S} _{n'}+g\mu_{B}\mathbf {B} \sum_{n}\mathbf {S}_{n},

(GazGum)

donde los índices n y n' corren sobre los nodos de la red cristalina , y es el operador de espín en el nodo n . El coeficiente se llama integral de intercambio , que proporciona el ordenamiento magnético de un cristal isotrópico. En la práctica, se cree que es significativamente diferente de cero solo para los vecinos más cercanos. El factor ½ tiene en cuenta la repetición al sumar los giros sobre la red (sin embargo, a veces se incluye en el valor de la integral de intercambio). Con esta elección del signo delante de la suma, la ordenación ferromagnética corresponde a un valor positivo y la ordenación antiferromagnética a un valor negativo. El segundo término es la energía de interacción del sistema de espines con un campo magnético ( energía de Zeeman ), cuya inducción magnética es igual a B (aquí g es el multiplicador de Lande , es el magnetón de Bohr ). [45] [46] ${\mathbf S}_{n}$ $J(nn')$ $J(nn')$ $\mu _{B}$

El hamiltoniano de Heisenberg se basa en la suposición de que los momentos magnéticos (y los espines, respectivamente) están localizados en los sitios de la red cristalina y que no hay momentos orbitales . La primera condición la cumplen los dieléctricos ferromagnéticos y los semiconductores, pero para los metales se suele preferir el modelo de banda. La admisibilidad de la segunda condición está determinada por el grado de "congelación" de los momentos orbitales. [47]

Es imposible construir un modelo microscópico de antiferromagnetos, similar al modelo de Heisenberg, por lo tanto, a nivel macroscópico, se representan como un conjunto de varias subredes magnéticas con direcciones opuestas de magnetización, anidadas unas en otras. Esta descripción está en buen acuerdo con los datos experimentales. [48]

modelo Ising Intercambio de interacción

La interacción de intercambio se manifiesta debido a la repulsión de electrones de Coulomb y el principio de Pauli . Es la razón principal de la manifestación de las propiedades ferromagnéticas de las sustancias. [49] Dado que no es práctico describir la interacción de intercambio de sistemas multielectrónicos utilizando un hamiltoniano microscópico que tenga en cuenta la energía cinética de los electrones individuales, se suele utilizar un hamiltoniano macroscópico en el que los operadores de espín se reemplazan por vectores de espín semiclásicos en la forma del modelo de Heisenberg ( fórmula de HeisGam ), que es cierto para giros ½. Empíricamente, la integral de intercambio se puede estimar como

J\sim 0.1{\frac{e^{2}}{a}},

donde e es la carga del electrón , a es la constante de red magnética . [50] Es muy difícil dar una estimación teórica exacta, por lo que en la práctica se suelen utilizar valores medidos experimentalmente. [51]

Una generalización que tiene en cuenta la anisotropía de intercambio (modelo X-Y-Z) se escribe como

{\mathcal H}=-{\frac {1}{2}}\sum_{{n,n'}}(J_{x}S_{n}^{x}S_{{n'}}^{ x}+J_{x}S_{n}^{y}S_{{n'}}^{y}+J_{x}S_{n}^{z}S_{{n'}}^{z} )+g\mu _{B}{\mathbf B}\sum _{n}{\mathbf S}_{n},

donde se supone que los coeficientes son ligeramente diferentes, ya que la interacción de intercambio en sí es isotrópica. [52] La densidad de energía macroscópica de los ferroimanes, obtenida del hamiltoniano de Heisenberg, se escribe como $J_{{x,y,z}}$

w_{{{\mathrm {ex}}}}={\frac {1}{2}}A_{{ij}}{\frac {\parcial {\mathbf M}}{\parcial x_{i}}} {\frac {\parcial {\mathbf M)){\parcial x_{i))}-{\frac {1}{2))\Lambda {\mathbf M}^{2},

(MacrObm)

donde son las coordenadas del espacio físico, M es el vector de magnetización , la constante de interacción de intercambio (en el caso general, el tensor ) $x_{yo}$

A_{{ij))={\frac {1}{2(g\mu _{B})^{2}}}\int \overline {J}({\mathbf r})x_{i}x_{ j}{\mathrm d}{\mathbf r},

mientras que la constante de intercambio isotrópica

\Lambda ={\frac {1}{2(g\mu _{B})^{2))}\int \overline {J}({\mathbf r}){\mathrm d}{\mathbf r} .

Aquí, se supone que la función está cerca de la integral de intercambio a temperaturas alejadas de la temperatura de Curie . [53] La constante A a veces se denomina constante de intercambio anisotrópica para distinguirla de . El primer término en la fórmula de MacroExchange es significativo cuando se considera la distribución no homogénea de la magnetización, y el segundo término es esencial para estudiar la acción de los mecanismos que cambian la longitud del vector de magnetización. [54] En muchos casos, el mecanismo no es el intercambio directo, vinculando los espines de los átomos vecinos a través de la superposición de sus funciones de onda y la energía de Coulomb, sino indirecto ( interacción de intercambio RKKY , superintercambio , etc.). [55] $\overline {J}({\mathbf r})$ $\lambda$

Interacciones relativistas

Las interacciones de los dipolos elementales entre sí y con el campo eléctrico de la propia red cristalina son de naturaleza relativista . La relación entre sus energías y la energía de la interacción de intercambio es igual en orden de magnitud a , donde v es la velocidad de un electrón en un átomo, c es la velocidad de la luz . Conducen al establecimiento del equilibrio estadístico y la formación de direcciones seleccionadas de magnetización en cristales. [56] $(v/c)^{2}$

Interacción dipolo-dipolo y energía magnetostática

Bajo la interacción dipolo-dipolocomprender la interacción de los dipolos magnéticos elementales entre sí. Disminuye proporcionalmente al cubo de la distancia y domina la interacción de intercambio a grandes distancias, siendo la causa de la magnetización macroscópica de los ferromagnetos. [57] Se puede llegar a la interacción dipolo-dipolo hamiltoniana reemplazando los dipolos clásicos en la fórmula para la energía de interacción de dos momentos magnéticos ${\mathbfm}_{i}$

E_{{12}}={\frac {{\mathbf m}_{1}\cdot {\mathbf m}_{2}}{r_{{12}}^{3}}}-3{\frac {({\mathbf m}_{1}\cdot {\mathbf r}_{{12)))({\mathbf m}_{2}\cdot {\mathbf r}_{{12)))} {r_{{12}}^{5}}},

en operadores , donde es el vector de radio que conecta las ubicaciones de los dipolos, es el magnetón de Bohr , es el operador de momento orbital total y es el producto del factor de Dirac Lande y el operador del espín total de un átomo en un sitio reticular numerado n . Entonces el hamiltoniano de la interacción dipolar toma la forma ${\boldsymbol \mu }_{n}=\mu _{B}({\mathbf L}_{n}+g{\mathbf s}_{n})$ ${\mathbf r}_{{12))$ $\mu _{B}$ ${\mathbfL}_{n}$ $g{\mathbf s}_{n}$ $g\aproximadamente 2$

{\mathcal H}_{m}={\frac {1}{2}}\sum_{{m\neq n}}\left({\frac {{\boldsymbol \mu }_{m}\cdot {\boldsymbol \mu }_{n}}{r_{{mn}}^{3}}}-3{\frac {({\boldsymbol \mu }_{m}\cdot {\mathbf r}_{ {mn)))({\boldsymbol \mu }_{n}\cdot {\mathbf r}_{{mn)))}{r_{{mn}}^{5}}}\right),

donde la suma se realiza sobre todos los nodos de la subred magnética. [58]

La transición a una descripción macroscópica da una expresión para la energía en la forma

E_{m}=-{\frac {1}{2}}\int_{V}\mathrm {d} \mathbf {r} \left[\beta_{ik}M_{i}(\ mathbf {r} )M_{k}(\mathbf {r} )+{\frac {4\pi }{3}}M^{2}(\mathbf {r} )+\mathbf {M} (\mathbf {r} )\mathbf {H} ^{m}(\mathbf {r} )\derecha]

El primer término anisotrópico en el integrando refleja las variaciones del campo magnético a distancias del orden de distancias atómicas y depende a través de un tensor de la estructura de la celda primitiva del cristal. Los términos segundo y tercero aparecen como soluciones a las ecuaciones de la magnetostática . [59] $\beta _{{ik}}$

Anisotropía magnética

La interacción de espines con el campo electromagnético de la red cristalina o la interacción espín-órbita , así como la interacción espín-espín , conducen a la aparición de anisotropía magnética. A nivel macroscópico, se observa como una no equivalencia energética de diferentes direcciones en un cristal, cuando una u otra dirección de magnetización con respecto a los ejes cristalográficos resulta más favorable. En el caso más simple de los cristales ferromagnéticos uniaxiales, la densidad de energía de la anisotropía magnética se puede escribir en dos formas equivalentes en términos del vector de magnetización normalizado por unidad con proyecciones , y (equivalencia aquí significa precisión a una constante independiente de la dirección de magnetización): $m_{x}$ $mi}$ $m_{z}$

w_{{an}}=K(m_{x}^{2}+m_{y}^{2})=K\sen ^{2}\theta

w_{{an}}=-K\cos ^{2}\theta ,

donde el coeficiente K se denomina constante de anisotropía y es el ángulo entre la dirección del vector de magnetización y el eje de simetría principal del cristal. Dependiendo del signo de K , con una elección dada del tipo de energía, se habla de imanes de eje fácil ( , la magnetización se orienta a lo largo del eje para minimizar la energía: ) e imanes de plano fácil ( , la magnetización se orienta perpendicular al eje para minimizar la energía: ). [60] $\ theta$ $k>0$ $\theta \a 0$ $k<0$ $\theta \to \pi /2$

Los cristales cúbicos difieren significativamente de los uniaxiales y biaxiales porque su energía de anisotropía está determinada por los términos de cuarto orden en la expansión en términos de los componentes del vector de magnetización normalizados a la unidad:

w_{an}=K_{1}(m_{x}^{2}m_{y}^{2}+m_{x}^{2}m_{z}^{2}+m_{y }^{2}m_{z}^{2})+K_{2}m_{x}^{2}m_{y}^{2}m_{z}^{2}.

Como resultado, su anisotropía es menos pronunciada. Para (por ejemplo, el hierro) la energía mínima se alcanza en las direcciones de las aristas del cubo [100] , [010] y [001], es decir, hay tres ejes equivalentes de fácil magnetización. En caso contrario, los ejes de fácil magnetización serán las diagonales espaciales del cubo. [61] $K_{1}>0$

Dependencia de la energía de anisotropía en la dirección (color más saturado - más energía)
Ferroimán con anisotropía uniaxial. Eje de fácil magnetización [001]
Cristal con sistema cúbico y anisotropía positiva ( ) $K_{1}>0$
Cristal con sistema cúbico y anisotropía negativa ( ) $K_{1}<0$

Dominios magnéticos

El concepto de dominio magnético fue introducido por Pierre Weiss en 1907 para responder a la pregunta de por qué el hierro, al ser un ferromagnético, tiene un momento magnético cero en ausencia de un campo externo. Los dominios ferromagnéticos son regiones macroscópicas de cristales magnéticos en los que la orientación del vector de magnetización espontánea es diferente. Existen a temperaturas por debajo del punto de Curie. [62] También se habla de dominios antiferromagnéticos, es decir, el vector de antiferromagnetismo en lugar de magnetización. Sin embargo, su existencia, en sentido estricto, no conduce a una ganancia de energía y suele estar asociada a la existencia de varios núcleos de estructura antiferromagnética con una dirección de magnetización aleatoria cuando el antiferromagnético pasa por el punto de Neel [63] .

El motivo de la aparición de dominios magnéticos en ferromagnetos fue propuesto por Lev Landau y Evgeny Lifshitz en 1937. Sugirieron que su formación conduce a una minimización de la energía total del imán y el campo errante (es decir, el campo magnético creado por la magnetización espontánea y que va más allá del imán). De hecho, la dirección de magnetización observada en la práctica en dominios en condiciones normales forma un flujo magnético cerrado . [64]

El límite entre los dominios se llama muro de dominio . Su ancho está determinado por la relación entre la constante de intercambio y la constante de anisotropía. Dependiendo del ángulo de rotación de magnetización resultante, se distinguen 180°, 90° y otras paredes de dominio. Dependiendo del método de rotación de la magnetización dentro de las paredes del dominio de 180°, se habla de una pared de Bloch y una pared de Neel . Este último es característico de las películas magnéticas delgadas, ya que tiene un campo de dispersión más pequeño que la pared de Bloch. [sesenta y cinco]

Hay muchos métodos para observar dominios en ferromagnetos. En 1932, Francis Bitter propuso un método simple para visualizar campos perdidos utilizando suspensiones coloidales de partículas magnéticas que no requerían equipo especial. Consiste en que en la superficie de un imán se depositan micropartículas magnéticas, que prácticamente sin experimentar fricción se concentran en los lugares de mayor gradiente de campo, es decir, en los límites de los dominios. Su distribución se puede observar con un microscopio óptico. [66] Se utilizan métodos magneto-ópticos basados en la rotación de la polarización de la luz. Para películas transparentes, este es el efecto Faraday (cambio de polarización al pasar a través de la muestra), para otras, el efecto magneto-óptico Kerr (cambio de polarización cuando se refleja desde la muestra). La ventaja de la microscopía de Kerr es la capacidad de observar directamente los dominios, este es un método no destructivo, sin embargo, las muestras deben ser planas y se debe aplicar un procesamiento de imagen adicional para aumentar el contraste. [67] Además de los métodos anteriores, se utilizan microscopía de campo cercano , dispersión de rayos gamma y neutrones , microscopía electrónica de transmisión , etc. [68]

Histéresis y termodinámica Movimiento del momento magnético Ecuación de Landau-Lifshitz

Magnetismo de dieléctricos y semiconductores

Mott-Hubbard dieléctrico

Los dieléctricos y los semiconductores no tienen electrones itinerantes , a diferencia de los metales . La consecuencia es la localización de momentos magnéticos junto con electrones en estados iónicos. Esta es la principal diferencia entre el magnetismo de los dieléctricos y el magnetismo de los metales, que se describe en la teoría de bandas . [69]

De acuerdo con la teoría de bandas, los cristales que contienen un número par de electrones en una celda primitiva pueden ser dieléctricos. Esto significa que los dieléctricos solo pueden ser diamagnetos , lo que no explica las propiedades de muchas sustancias. La causa del paramagnetismo de Curie (paramagnetismo de electrones localizados), ferro y antiferromagnetismo de los dieléctricos es la repulsión de Coulomb de los electrones, que se explica mediante el modelo de Hubbard en el siguiente ejemplo. La aparición de un electrón adicional en un átomo aislado aumenta su energía en cierta cantidad . El siguiente electrón entrará en el nivel de energía , donde está la energía de la interacción de Coulomb de los electrones, en átomos reales que van desde 1 eV hasta más de 10 eV. En un cristal, los niveles de energía de estos dos electrones se dividirán en bandas y el cristal será un dieléctrico o un semiconductor siempre que haya una banda prohibida entre ellos . Juntas, ambas zonas pueden contener un número par de electrones, pero puede haber una situación en la que solo la zona inferior esté llena y contenga un número impar de electrones. Un dieléctrico que cumple esta condición se denomina dieléctrico de Mott-Hubbard . Si las integrales de superposición son pequeñas, el dieléctrico será un paramagneto, de lo contrario será un antiferromagneto . [70] La interacción de superintercambio es responsable del ferromagnetismo de dieléctricos como EuO o CrBr 3 . [71] $\varepsilon$ $\varepsilon+U_{C}$ $U_{C}$

Superintercambio e interacciones de intercambio antisimétricas

La mayoría de los dieléctricos ferromagnéticos y ferrimagnéticos consisten en y otras-Cl,-Br,2Oseparados por iones no magnéticos comoiones orbitales 3d de iones magnéticos y orbitales p de iones no magnéticos. Los orbitales se hibridan y sus electrones se vuelven comunes a varios iones. Tal interacción se llama superintercambio . Su signo (es decir, si el dieléctrico es un ferromagnético o un antiferromagnético) está determinado por el tipo de orbitales d, el número de electrones en ellos y el ángulo en el que un par de iones magnéticos es visible desde el sitio donde el se encuentra el ion no magnético. [72]

La interacción de intercambio antisimétrica ( interacción Dzyaloshinskii -Moriya) entre dos células con vectores de espín y se describe mediante la expresión ${\mathbf S}_{1}$ ${\mathbf S}_{2}$

E_{{12}}=D_{{12}}[{\mathbf S}_{1}\times {\mathbf S}_{2}].

Obviamente, la energía de interacción es diferente de cero solo si las celdas no son magnéticamente equivalentes. La interacción Dzyaloshinskii-Moriya se manifiesta en ciertos antiferromagnetos. El resultado es la aparición de una débil magnetización espontánea . Este efecto se llama ferromagnetismo débil , ya que la magnetización resultante es décimas de un porcentaje de la magnetización en los ferromagnetos típicos. El ferromagnetismo débil se observa en hematites , carbonatos de cobalto , manganeso y algunos otros metales. [73] [5] [74]

Magnetismo de los metales

Magnetismo de zona

La diferencia entre la estructura de bandas de metales magnéticos y no magnéticos en el ejemplo del cobre y el cobalto. Estructura de bandas electrónicas (izquierda) y densidad de estados (derecha) en cada uno de los diagramas.
Cobre (metal no magnético). F es el nivel de Fermi. En el eje vertical, la energía está en eV .
Cobalt (respalda [Comm 7] )
Cobalto (retrocede)

Intercambio de interacciones en metales

La interacción de intercambio en los metales puede llevarse a cabo por mecanismos fundamentalmente diferentes, dependiendo del tipo de orbitales atómicos responsables de la interacción de intercambio. En metales de transición 3d como el hierro o el cobalto , las funciones de onda 3d superpuestas de los átomos vecinos en la red cristalina juegan un papel decisivo en el intercambio , mientras que en los elementos 4f la interacción de intercambio ocurre a través de electrones de conducción . Las manganitas de lantano tienen una dependencia compleja de sus propiedades magnéticas en el grado de su dopaje . [75]

3d-metales

Los metales 3d se caracterizan por una energía significativa de la interacción de Coulomb entre los electrones de la banda 3d en comparación con su energía cinética . [76] En realidad, es la causa del ordenamiento ferromagnético. [77] Tanto para los elementos 3d como para los 4f, su ordenamiento magnético depende del grado de llenado de la banda correspondiente. Un metal de transición 3d será un ferromagnético si su banda 3d contiene una pequeña cantidad de electrones o huecos (es decir, debe estar débilmente llena o casi completamente llena). Esto está bien ilustrado por el hierro, el cobalto y el níquel , donde esta zona está casi completamente llena. El estado antiferromagnético será el estado fundamental si está medio lleno. [76]

La condición que determina si un metal será ferromagnético o antiferromagnético se debe a que es beneficioso que un electrón se deslocalice, ya que según el principio de incertidumbre de Heisenberg , esto permite reducir su energía cinética. Cualitativamente, se puede explicar de la siguiente manera. Para los electrones, se debe observar la regla de Hund (el giro total de los electrones en el orbital debe ser máximo). Entonces, para una zona, por ejemplo, llena menos de la mitad, los electrones de dos átomos vecinos pueden tener la misma dirección de giro, pero diferentes números cuánticos magnéticos , lo que determina el ordenamiento ferromagnético. En el caso de una banda medio llena, los electrones 3d de los átomos vecinos se ven obligados a tener la dirección opuesta al espín total para dividir los mismos números magnéticos entre ellos. [78]

4f-metales

Los elementos de tierras raras tienen un orbital 4f parcialmente lleno , cuyo tamaño característico es mucho más pequeño que las distancias interatómicas en la red cristalina. Por lo tanto, los electrones 4f de los iones vecinos no pueden interactuar directamente entre sí. La interacción de intercambio entre ellos se lleva a cabo con la ayuda de electrones de conducción . Cada ion de tierras raras crea un campo efectivo bastante fuerte cerca de sí mismo, que polariza los electrones de conducción. Tal interacción de intercambio indirecto entre electrones 4f se denomina interacción Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida (interacción de intercambio RKKY). [79] Que un metal sea un ferro o antiferromagnético depende de la estructura de la banda 4f y de la distancia entre los iones La dependencia de la integral de intercambio del producto del vector de onda de electrones en el nivel de Fermi k F y la distancia entre los iones magnéticos a tiene un carácter alternante oscilante. Esto, en particular, explica la existencia de helicoidales y algunas otras estructuras magnéticas. La interacción RKKY depende esencialmente de la concentración de portadores de carga gratuitos y puede ser de mucho más largo alcance que el intercambio directo [80] . $J(k_{F}a)$

Intercambio doble

Los óxidos de metales de transición pueden ser tanto conductores como dieléctricos. La interacción de superintercambio tiene lugar en los dieléctricos. Sin embargo, controlando el dopaje, es posible lograr la transición del óxido al estado conductor. En las manganitas de lantano del tipo La 1 – x Ca x MnO 3 , a determinados valores del parámetro x , algunos de los iones de manganeso pueden tener una valencia de 3+ y otros de 4+. La interacción de intercambio entre ellos, realizada a través de iones O 2- , se denomina intercambio doble . Estos compuestos también serán ferromagnéticos o antiferromagnéticos, dependiendo del valor de x . El ordenamiento ferromagnético ocurrirá si los espines totales de los iones de 3 y 4 valencias son codireccionales, mientras que el cuarto electrón puede estar deslocalizado. De lo contrario, se localiza en un ion con una valencia más baja. Para La 1 – xSr x MnO 3, la transición de la fase antiferromagnética a la ferromagnética ocurre en (los valores más altos de x corresponden a un ferromagnético). [81] $x\aproximadamente 0,1$

Superconductividad

Fluidos magnéticos

Biomagnetismo

La sensibilidad de los organismos vivos a un campo magnético

Muchas especies de animales utilizan el campo magnético de la Tierra para orientarse en el espacio. Por razones que no se comprenden del todo, las aves y las tortugas utilizan información de inclinación magnética , mientras que los salmónidos y los murciélagos responden a la componente horizontal del campo. [82] La "brújula" de las aves en modo normal opera en el rango de campos de 43 a 56 μT , pero después de la adaptación es capaz de percibir campos de 16 a 150 μT. [83] Al mismo tiempo, las aves no distinguen entre los polos magnéticos norte y sur y necesitan información lumínica adicional para orientarse. [84] Las almejas marinas, las salamandras (p. ej., Eurycea lucifuga ), los tritones (p. ej., el tritón verdoso ), los avispones, las abejas melíferas y los caimanes [85] [86] también son sensibles al campo magnético . Las tortugas marinas y algunos invertebrados, junto con las aves, también tienen la capacidad de hacer "mapas magnéticos" para ayudarlos a encontrar su camino [87] .

Hay varios receptores que responden a un campo magnético externo. Los ojos de Drosophila y algunas aves contienen moléculas de criptocromo , algunas otras (por ejemplo, el murciélago marrón ( eng. Big brown bat )) contienen partículas de un solo dominio en sus cuerpos. Algunas bacterias usan orgánulos especiales llamados magnetosomas . Al mismo tiempo, muchos animales pueden determinar la polarización de la luz solar y navegar por las estrellas. Por lo tanto, a pesar de la capacidad comprobada de muchas especies para usar campos magnéticos para determinar la dirección, no hay una respuesta inequívoca a la pregunta de cómo se orienta exactamente este o aquel animal en el espacio mientras está en la naturaleza. [88]

La efectividad del impacto de los campos electromagnéticos en los organismos vivos está asociada a la presencia de "ventanas de sensibilidad" en amplitud, gradiente y frecuencia, a veces una secuencia de señales de una determinada forma puede tener un efecto específico. [89] La brújula interna de los animales puede estar relacionada con la presencia de partículas de magnetita en el cuerpo , por ejemplo, en forma de ferritina . La magnetita también se encuentra en el cerebro humano y en concentraciones aún mayores en el cerebro de las aves. El cerebro humano contiene alrededor de 5 millones de cristales por gramo y sus membranas contienen alrededor de 100 millones de cristales por gramo. La respuesta de la magnetita a un campo magnético es más de un millón de veces mayor que la respuesta de un medio paramagnético o diamagnético convencional y , presumiblemente , esto puede afectar el transporte de iones entre células. [83] La sensibilidad de la glándula pineal en el cerebro de los mamíferos a los campos magnéticos está relacionada con el funcionamiento de la retina. Esto lleva al hecho de que la retina está incluida en el sistema magnetorreceptivo del cuerpo. Su función queda ilustrada por el hecho de que cuando el gradiente del campo magnético terrestre se reduce a 30 nT/m, la frecuencia de percepción de la luz parpadeante como una constante ( umbral de fusión del parpadeo en inglés ) disminuye en la mayoría de las personas.

Magnetotaxis

Hay varios tipos de bacterias anaeróbicas ( bacterias magnetotácticas : Aquaspirillum mangetotacticum , etc.) que pueden responder a campos magnéticos externos . Contienen orgánulos llamados magnetosomas , cuyas membranas contienen cristales de un solo dominio de magnetita Fe 3 O 4 o melnikovita Fe 3 S 4 (a veces ambos). El tamaño del cristal varía de 40 a 100 nm. Los magnetosomas forman cadenas fijadas en el interior de la bacteria de tal manera que la dirección de magnetización de los nanocristales magnéticos coincide con la dirección de las cadenas [90] .

Las bacterias magnetotácticas son brújulas naturales que se orientan en la dirección del campo magnético terrestre . Debido al hecho de que responden a campos débiles con una fuerza de aproximadamente 0,5 oersted, se utilizan en métodos altamente sensibles y de alta velocidad para visualizar la estructura de dominio de los imanes (por ejemplo, para probar el acero del transformador ). Cuando las bacterias magnetotácticas se colocan sobre una superficie magnética, se mueven en pocos segundos a lo largo de las líneas de fuerza hacia los polos norte, acumulándose en lugares donde el campo magnético es perpendicular a la superficie. Los métodos que utilizan bacterias magnetotácticas dan un mejor contraste que el clásico Bitter o el contraste de pared . Una limitación natural de su resolución es el tamaño de una bacteria del orden de un micrómetro. [91]

Geomagnetismo

Véase también

Comentarios

↑ La brújula magnética no debe confundirse con otro invento chino , el carro que apunta al sur, que usaba un engranaje diferencial (ver Tom KS Echoes from old China: life, legends, and lore of the Middle Kingdom . - University of Hawaii Press, 1989. - Pág . 98. - Pág. 160. - ISBN 9780824812850. ) .
↑ Algunos estudiosos cuestionan la prioridad de los chinos en la invención de la brújula: uno de los objetos de la cultura olmeca , que parece un tubo pulido de 3,5 cm de largo y que data de 1400-1000 años. antes de Cristo mi. presumiblemente es una brújula magnética (ver Guimarães AP De la piedra imán a los superimanes: comprensión de los fenómenos magnéticos. - Wiley-VCH, 2005. - P. 22-23. - 236 p. - ISBN 9783527405572 . ; John B. Carlson. Brújula de piedra imán: chino o primacía olmeca? (inglés) // Ciencia.- 1975.- septiembre ( vol . 189 , no . 5 ) .- P. 753-760 .
↑ Para cantidades macroscópicas, por razones históricas, se arraigaron los nombres inducción magnética para la característica principal del campo magnético (análogo de fuerza eléctrica ) y fuerza magnética para la auxiliar (análogo de inducción de campo eléctrico ).
↑ El multiplicador de Lande es aproximadamente 2 en momento angular orbital cero J , pero puede ser muy diferente de 2 en . ${\mathbfJ}\neq 0$
↑ En el CGS, la magnetización está relacionada con la densidad de corrientes microscópicas por la dependencia . Entonces el momento magnético de todas las partículas en movimiento es . Aquí, la integral sobre la superficie se anula debido a que las corrientes fuera del cuerpo son iguales a cero y se puede integrar sobre cualquier volumen que vaya más allá del cuerpo. $\overline {\rho {\mathbf v))=c[\nabla,{\mathbf M}]$ ${\frac {1}{2c}}\int [{\mathbf r},\overline {\rho {\mathbf v}}]{\mathrm d}V={\frac {1}{2}}\int [{\mathbf r},[\nabla ,{\mathbf M}]]={\frac {1}{2))\oint [{\mathbf r},[{\mathrm d}S,{\mathbf M }]+\int {\mathbf M}{\mathrm d}V\equiv \int {\mathbf M}{\mathrm d}V$
↑ Una subred magnética es un conjunto de átomos en una red cristalina que tienen el mismo valor del momento magnético. En el caso general, puede no coincidir con la red cristalina (ver Landau L. D., Lifshitz E. M. Electrodynamics of continuo media / Revised by E. M. Lifshitz and L. P. Pitaevsky. - 2nd ed. - M : Nauka, 1982. - VIII. - S. 191-192.- 624 pp.- (Física Teórica. - 40.000 ejemplares ).
↑ La dirección del giro en este caso se menciona condicionalmente para distinguir entre dos zonas llenas de manera diferente, también a menudo usando términos en inglés. banda mayoritaria e ingles. banda minoritaria que significa área más o menos llena.

Notas

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Enlaces

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Recursos educativos

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diccionarios y enciclopedias

En catálogos bibliográficos
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