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Momento magnético

Un momento magnético, también conocido como momento dipolar magnético o par magnético, es una unidad que describe la fuerza de un dipolo. Caracteriza, por tanto, la relación entre la intensidad del campo y el par mecánico máximo alcanzable. Se distingue entre un par magnético de espín, que especifica la fuerza generada por la rotación intrínseca de los electrones, y un par magnético orbital. Este último sirve a su vez para caracterizar los movimientos de los electrones en torno a su núcleo atómico. Ambos momentos dipolares están unidos por interacciones, las llamadas interacciones espín-órbita.

¿Cómo funciona el par magnético en un campo magnético?

El par del campo magnético de un imán externo actúa sobre un momento magnético y lo hace girar en la dirección del campo. El ángulo resultante entre el par magnético y la dirección del campo influye en la energía predominante. Un par magnético puede estar causado, por un lado, por corrientes circulares eléctricas y, por otro, por el momento angular intrínseco de los espines.

Si imaginamos, por ejemplo, una trayectoria de corriente cerrada, el momento magnético se situaría en el centro de la superficie circular que se crea y depende de la dirección de la corriente. Algo similar puede observarse a nivel atómico, ya que los núcleos atómicos son orbitados por electrones en trayectorias circulares -de forma similar a como los planetas de nuestro sistema solar orbitan alrededor del sol en el universo-. La rotación propia de los electrones se conoce como espín.
El movimiento alrededor del núcleo atómico forma un momento dipolar magnético. La suma de todos estos momentos en un cuerpo magnético sería a su vez una imagen de la fuerza magnética total, expresada en la unidad de momento magnético.

También es posible que los momentos magnéticos de diferentes átomos se combinen entre sí. Esto ocurre, por ejemplo, en el caso de la magnetización de un cuerpo ferromagnético. Si un cuerpo de este tipo está cerca de un imán externo suficientemente potente o si se le aplica una tensión eléctrica, se desencadenan diversos procesos a nivel del espectro atómico.

Los imanes elementales del material ferromagnético (las estructuras magnéticas más pequeñas, que se asemejan a pequeñas barras magnéticas y tienen sus propios campos magnéticos) están dispuestos inicialmente de forma irregular. El cuerpo aún no es magnético, ya que los diminutos campos magnéticos individuales de los imanes elementales se equilibran entre sí y, por tanto, se neutralizan mutuamente. Los imanes se encuentran en pequeñas zonas separadas entre sí por paredes, las llamadas zonas blancas. Si se aplica una tensión o un imán externo, los imanes elementales o moleculares se alinean en paralelo y las zonas individuales se fusionan entre sí. Esta alineación se basa en una fuerza que también se conoce como interacción de intercambio. Se puede explicar en términos de mecánica cuántica y con la ayuda del momento magnético.

Los electrones cargados eléctricamente con un momento angular orbital inherente se ven influidos por los campos eléctricos. Por ello, se disponen de tal forma que su energía sea lo más baja posible. Si ahora se reduce el momento angular orbital, también se reduce la mencionada interacción espín-órbita. Los espines de los electrones influyen en el momento magnético y los imanes moleculares giran paralelos entre sí hacia el campo eléctrico o magnético externo. De este modo se crea un nuevo imán, cuyas líneas de campo convergen con el campo magnético existente y lo refuerzan.

En algunos materiales, es posible reducir la interacción espín-órbita con especial rapidez, dependiendo de la estructura cristalina del material. En este caso, se trata de un material magnético blando que puede magnetizarse y desmagnetizarse con la misma rapidez. Ejemplos de ello son:

• hierro
• cobalto
• níquel
• aleaciones a base de hierro-cobalto-níquel
• ferritas blandas (compuestos de níquel-zinc o manganeso-zinc)
• materiales en polvo

Se dice que un material es magnético duro si el magnetismo es más difícil de conseguir debido a una mayor dependencia direccional, pero persiste aunque se haya retirado el imán permanente externo o el campo eléctrico. Entre los materiales magnéticos duros se incluyen:

• imanes de neodimio-hierro-boro
• aceros martensíticos
• ferritas duras a base de estroncio o bario
• aleaciones de hierro-cobre-cromo

¿Cómo puede determinarse la intensidad del campo magnético de un imán elemental utilizando el momento magnético?

Para calcular el momento magnético hay que relacionar dos factores en una espira plana de un conductor: la propia corriente circular y el área que la rodea. La fórmula para calcular el momento magnético es la siguiente:

Si se considera el momento magnético en una bobina más larga, también debe incluirse en el cálculo el número de espiras n:

Si se desea calcular el momento magnético de una partícula individual, la carga aplicada debe relacionarse con el momento angular respectivo de la partícula.
Para ello se utiliza la siguiente formula:

La μ denota el momento magnético de la partícula, q la carga aplicada y μB el llamado momento de Bohr. Este es el momento que corresponde al momento angular orbital de un electrón en la primera órbita de Bohr del átomo de hidrógeno.
La s caracteriza el espín predominante. También deben incluirse en el cálculo las unidades fijas e (carga elemental), g (factor de Landé, que describe la relación entre el momento angular y el momento magnético) y h (cuanto de acción de Planck, que fija el momento angular).