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Momento magnético para niños

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En física, el momento magnético es una magnitud vectorial que determina la intensidad de una fuente de campo magnético, así como la orientación de su dipolo magnético resultante. La fuente de campo magnético puede ser un imán natural,un bucle de corriente eléctrica, un imán de barra, un electrón, una molécula, un planeta, etc...

Tanto el momento magnético como el campo magnético pueden ser considerados como vectores con una magnitud y dirección. El sentido del momento magnético va desde el polo sur al polo norte de un imán. El campo magnético producido por un imán es proporcional a su momento magnético. En el caso de un circuito de corriente el momento magnético es perpendicular al área encerrada por tal circuito y sentido el dado por la regla de la mano derecha.

Más precisamente, el término momento magnético se refiere normalmente al momento dipolar magnético de un sistema, que produce el primer término en la expansión multipolar de un campo magnético en general. El dipolo que compone el campo magnético de un objeto es simétrico respecto a la dirección de su momento dipolar magnético, y disminuye con la inversa del cubo de la distancia del objeto.

En presencia de un campo magnético (inherentemente vectorial), el momento magnético se relaciona con el momento de fuerza de alineación de ambos vectores en el punto en el que se sitúa el elemento. El campo magnético es el B, denominado inducción magnética o densidad de flujo magnético.

Relaciones físicas

La relación es:

\boldsymbol{\tau} = \boldsymbol{{\mu}} \times \mathbf{B}

donde \boldsymbol{\tau} es el momento de fuerza, \boldsymbol{\mu} es el momento dipolar magnético, y \mathbf{B} es el campo magnético. El alineamiento del momento dipolar magnético con el campo crea una diferencia en la energía potencial electrostática U:

U = - \boldsymbol{\mu} \cdot \mathbf{B}

Uno de los ejemplos más simples de momento dipolar magnético es el de una espira conductora de la electricidad, con intensidad I y área A, para el cual la magnitud es:

\boldsymbol{\mu} = I \mathbf{A}

En el Sistema Internacional de Unidades, el momento magnético se mide en julios sobre tesla (J/T). En el ámbito de la física atómica, nuclear y de partículas se suelen emplear el magnetón de Bohr \mu_B y el magnetón nuclear \mu_N.

Momento magnético de espín

Los electrones y muchos núcleos atómicos también tienen momentos magnéticos intrínsecos, cuya explicación requiera tratamiento mecanocuántico y que se relaciona con el momento angular de las partículas. Son estos momentos magnéticos intrínsecos los que dan lugar a efectos macroscópicos de magnetismo, y a otros fenómenos como la resonancia magnética nuclear.

El momento magnético de espín es una propiedad intrínseca o fundamental de las partículas, como la masa o la carga eléctrica. Este momento está relacionado con el hecho de que las partículas elementales tienen momento angular intrínseco o espín, para partículas cargadas eso lleva inevitablemente a que se comporten de modo similar a un pequeño circuito con cargas en movimiento. Sin embargo, también existen partículas neutras sin carga eléctrica como el neutrón que, sin embargo, tienen momento magnético (de hecho el neutrón no se considera realmente elemental sino formado por tres quarks cargados).

Momento magnético \mu de algunas partículas elementales
Partícula Símbolo Valor (J/T) Valor (magnetones)
Protón \boldsymbol{\mu}_{\rm p} 1,410 606 743(33) \times 10^{-26} 2,792 847 356(23) \mu_N
Neutrón \boldsymbol{\mu}_{\rm n} -0,966 236 47(23) \times 10^{-26} -1,913 042 72(45) \mu_N
Electrón \boldsymbol{\mu}_{\rm e} -928,476 430(21) \times 10^{-26} -1,001 159 652 180 76(27) \mu_B
Muon \boldsymbol{\mu}_{\mu} -4,490 448 07(15) \times 10^{-26} -8,890 596 97(22) \mu_N

Momento magnético del electrón

El momento (dipolar) magnético de un electrón es:

\boldsymbol{\mu} = -g_s \mu_{\rm B} (\boldsymbol{s} / \hbar)

siendo:

\mu_{\rm B}\,\!, el magnetón de Bohr,
g_s \approx 2 [la teoría clásica predice que g_s = 1\,\!; un gran éxito de la ecuación de Dirac fue la predicción de que g_s = 2\,\!, que está muy cerca del valor exacto (que es ligeramente superior a dos; esta última corrección se debe a los efectos cuánticos del campo electromagnético)].
\hbar , la constante de Planck racionalizada, y
S , el espín del electrón.

Momento magnético orbital

Ciertas disposiciones orbitales, con degeneración triple o superior, implican un momento magnético adicional, por el movimiento de los electrones (partículas cargadas). La situación es análoga a la de la espira conductora presentada arriba, pero exige un tratamiento cuántico.

Los compuestos de los diferentes metales de transición presentan muy diversos momentos magnéticos, pero es posible encontrar un intervalo típico para cada metal en cada estado de oxidación, teniendo en cuenta, por supuesto, si es de espín alto o bajo.

Momentos magnéticos típicos de diversos complejos metálicos, comparados con el momento magnético de espín.
Metal de transición \mu_{\rm eff} [\mu_{\rm B}\,\!] \mu_{\rm es} [\mu_{\rm B}\,\!]
Vanadio (IV) 1.7-1.8 1.73
Cromo (III) 3.8 3.87
Hierro (III) (espín alto) 5.9 5.92
Manganeso (II) (espín alto) 5.9 5.92
Hierro (II) (espín alto) 5.1-5.5 4.90
Hierro (II) (espín bajo) 0 0
Cobalto (II) (espín alto) 4.1-5.2 3.87
Níquel (II) 2.8-3.6 2.83
Cobre (II) 1.8-2.1 1.73

Modelos

La explicación clásica preferida de un momento magnético ha cambiado con el tiempo. Antes de la década de 1930, los libros de texto explicaban el momento utilizando cargas puntuales magnéticas hipotéticas. Desde entonces, la mayoría lo ha definido en términos de corrientes amperianas. En los materiales magnéticos, la causa del momento magnético son los estados de momento angular orbital y giro de los electrones, y varía dependiendo de si los átomos en una región están alineados con átomos en otro.

Modelo de polo magnético

Archivo:VFPt dipole electric
Un análogo electrostático para un momento magnético: dos cargas opuestas separadas por una distancia finita.

Las fuentes de momentos magnéticos en los materiales se pueden representar por polos en analogía con electrostática. Esto a veces se conoce como el modelo de Gilbert. En este modelo, un pequeño imán es modelado por un par de monopolos magnéticos ficticios de igual magnitud pero polaridad magnética opuesta. Cada polo es la fuente de fuerza magnética que se debilita con la distancia. Dado que los polos magnéticos siempre vienen en pares, sus fuerzas se anulan parcialmente porque mientras un polo tira, el otro se repele. Esta cancelación es mayor cuando los polos están cerca uno del otro, es decir, cuando la barra magnética es corta. La fuerza magnética producida por un imán de barra, en un punto dado del espacio, depende por tanto de dos factores: la fuerza p de sus polos ("fuerza del polo magnético"), y el vector \mathrm{\boldsymbol \ell} separándolos. El momento dipolar magnético m está relacionado con los polos ficticios como {\displaystyle \mathbf{m} = p\,\mathrm{\boldsymbol \ell}\,.}

Apunta en la dirección del polo sur al polo norte. La analogía con los dipolos eléctricos no debe llevarse demasiado lejos porque los dipolos magnéticos están asociados con el momento angular (ver relación con el momento angular). Sin embargo, los polos magnéticos son muy útiles para los cálculos de magnetostática, particularmente en aplicaciones a ferromagnetos. Los practicantes que usan el enfoque del polo magnético generalmente representan el campo magnético por el campo irrotacional H, en analogía con el campo eléctrico E.

Véase también

Kids robot.svg En inglés: Magnetic moment Facts for Kids

  • Magnetón de Bohr
  • Magnetón nuclear
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