• Principio de Pauli
• Propiedades físicas de los imanes de neodimio

Producto energético

El producto energético es el resultado de la densidad del flujo magnético y la intensidad del campo magnético de un imán y, por lo tanto, es una variable que sirve como medida de la energía magnética de un imán. Los imanes elementales individuales están todos alineados y, por lo tanto, forman un momento magnético. A través de esta energía potencial de todos los momentos magnéticos, la energía magnética nace. Cuanto mayor sea esta energía, mayor será el producto energético y mayores serán las fuerzas del imán.

La llamada curva de histéresis visualiza la relación entre la densidad del flujo magnético y la intensidad del campo magnético durante la desmagnetización o magnetización. En esta curva se pueden observar varias características especiales: por ejemplo, se puede identificar muy bien la densidad del flujo de remanencia o la remanencia. El término remanencia se refiere a la magnetización del material que se produce después de la eliminación de un campo magnético externo. Si un objeto así magnetizado debe desmagnetizarse nuevamente mediante un campo magnético, es necesario el llamado campo coercitivo. Este campo es un campo magnético opuesto a la magnetización con cierta coercitividad. A partir de esta fuerza, la magnetización se cancela, pero no se invierte. El producto energético se abrevia con el símbolo E y se puede calcular a partir del producto máximo de la intensidad del campo magnético H y la densidad de flujo magnético B. Por lo tanto:

El producto energético también se puede determinar a partir de la intensidad del campo magnético al producto con la densidad de flujo. Sin embargo, el resultado resultante es aproximadamente cuatro veces mayor que el producto de energía máxima real. Además, se aplica una relación proporcional entre la densidad de energía w (es decir, la cantidad de energía por unidad de volumen del imán) y el producto energético. Si la densidad de energía se calcula exactamente, entonces resulta que la relación proporcional con el producto energético es solo el factor 0.5:

Sin embargo, matemáticamente correcto, la densidad de energía w se determinaría mediante la integral de la intensidad del campo magnético H sobre la densidad de flujo B:

La relación descrita en (2) no se aplica exactamente, pero cumple aproximadamente con los requisitos de un imán cuya intensidad de campo magnético es proporcional al flujo magnético. Aquí también se aplica que la derivada espacial del producto energético es proporcional a la fuerza: esto se puede imaginar a través de la densidad de fuerza que actúa en una dirección. Esta densidad de fuerza es también el cambio en la densidad de energía en la misma dirección:

Si la densidad de energía, es decir, la energía por unidad de volumen, se multiplica por el volumen del imán, se obtiene la energía magnética total W almacenada en el imán. Al revés, naturalmente se puede multiplicar la mitad del producto energético por este volumen; el resultado es el mismo:

También se deduce de las fórmulas que la unidad del producto energético es el producto de Oersted (A/m) y Tesla (N/Am). En resumen, esto da como resultado la unidad J/m³, o N/m²: el producto energético se utiliza para calcular la fuerza entre dos materiales ferromagnéticos que se repelen o se repelen entre sí con un área polar conocida. Para la cara polar A, el producto energético E y la fuerza magnética F se aplica lo siguiente:

Se pueden derivar algunas dependencias de esta fórmula: por ejemplo, la fuerza entre los dos imanes se duplica si se duplica el producto energético o el área del polo. La densidad de flujo magnético de un imán permanente es igual a la remanencia o al llamado campo B. Como se mencionó brevemente anteriormente, la remanencia indica la magnetización del material. El campo magnético H del imán es proporcional a la remanencia, aunque, por supuesto, hay que tener en cuenta las propiedades específicas del material. Estos se incluyen a través de los factores µ (permeabilidad magnética de la materia) y (permeabilidad magnética en el vacío):

Si H ahora se inserta en (1):

Esto significa que la densidad de energía del imán es proporcional al cuadrado de la remanencia, por lo que si la magnetización es dos veces más fuerte, se almacena cuatro veces más energía magnética en el material. Por el contrario, esto significa que la doble magnetización aumenta cuatro veces las fuerzas magnéticas.

Los imanes elementales, que se utilizan en las clases de física para aclarar los procesos de magnetización, no son más que los espines de los electrones libres de cada átomo del material ferromagnético. Si los espines de los electrones atómicos están alineados con el doble de fuerza con un campo que es dos veces más fuerte para la magnetización, serán atraídos con el doble de fuerza. Por consiguiente, la cantidad total de energía en el imán es cuatro veces mayor con un campo dos veces más intenso.

Todo sistema generalmente intenta alcanzar un mínimo energético. La derivada espacial de la energía ya se mencionó anteriormente: si estuviéramos fuera de un mínimo energético, la derivada espacial siempre apunta al punto donde se encuentra el mínimo energético. Sin embargo, si estuviéramos directamente en este mínimo, la derivada queda indefinida y por tanto desaparece. Según este entendimiento, las fuerzas magnéticas surgen del deseo de un sistema de materiales ferromagnéticos de luchar por alcanzar el nivel de energía más bajo posible.

Se obtiene otra idea cuando se inserta (7) en (5):

De ello se deduce que la fuerza entre dos imanes es proporcional al flujo magnético al cuadrado y al área de la sección transversal. Con un µ grande, la densidad de energía se vuelve particularmente pequeña debido a la fractura. Los materiales ferromagnéticos suelen tener un µ muy grande (entre 1.000 y 10.000 para el hierro, por ejemplo). Si el imán se aleja del hierro, aumenta la densidad de energía del aire circundante. Se vuelve mayor que la densidad de energía que estaría presente si las líneas de campo pasaran directamente a través del hierro. Para recuperar el equilibrio, el sistema se esfuerza por alcanzar el mínimo energético: en el hierro debe haber tantas líneas de campo como sea posible. Este deseo de equilibrio energético se expresa en la fuerza que mueve el imán de regreso al hierro.