La intensidad del campo magnético H, la densidad de flujo magnético B, la magnetización M y la polarización magnética J son cuatro conceptos fundamentales muy importantes en magnetismo. Si bien están relacionados, a veces se confunden fácilmente. Aclarar estos cuatro conceptos es crucial para quienes trabajan en la industria de los materiales magnéticos. Hoy explicaremos sus conceptos y relaciones en detalle.
Intensidad del campo magnético H
La intensidad del campo magnético H es, en realidad, una magnitud física sin relevancia práctica. Inicialmente, se definió a partir del supuesto de la carga magnética, pero posteriormente se descubrió que esta no existe; es simplemente la otra cara de la corriente eléctrica.
En la década de 1820, los científicos hicieron una serie de descubrimientos revolucionarios que marcaron el comienzo de la teoría magnética moderna.
En julio de 1820, el físico danés Hans Ørsted descubrió que la corriente que fluye por un conductor ejerce una fuerza sobre una aguja magnética, provocando su desvío. (Experimento de Ørsted: el efecto magnético de la corriente eléctrica)
En septiembre, apenas una semana después de que esta noticia llegara a la Academia Francesa de Ciencias, Ampère demostró con éxito mediante experimentos que si las corrientes que fluyen en la misma dirección se atraen entre sí, también se atraerán si fluyen en direcciones opuestas.
En 1825, Ampère publicó la Ley de Ampère, una regla que rige la relación entre la dirección de las líneas del campo magnético de una corriente eléctrica y el campo magnético que genera.
Mediante mediciones mecánicas, podemos determinar que en puntos equidistantes de un conductor recto y largo, la aguja de una brújula experimenta la misma intensidad de campo magnético; en puntos a diferentes distancias, la intensidad de campo magnético es inversamente proporcional a la distancia. Por lo tanto, definimos la magnitud física de la intensidad de campo magnético H mediante mediciones mecánicas y la intensidad de corriente. Su unidad es el amperio por metro (A/m). En el sistema de unidades gaussiano, la unidad de H es Oe (1 A/m = 4π × 10⁻³ Oe).
Hay muchas interpretaciones de la intensidad del campo magnético H. Podemos simplificarlo entendiendo H como un campo magnético externo (análogo a la intensidad del campo eléctrico; por ejemplo, utilizando una corriente I para aplicar un campo magnético H a un objeto).
Intensidad de inducción magnética B
La intensidad del campo magnético es simplemente el campo magnético generado por la aplicación de una corriente. En el caso de materiales ferromagnéticos dentro de un campo magnético, además de la influencia del campo magnético externo H, las partículas dentro del material también generan un campo magnético inducido bajo la influencia de dicho campo. La intensidad de inducción magnética B representa el campo magnético total percibido por una partícula, que es la suma del campo magnético aplicado H y el campo magnético inducido M.
En el vacío, la intensidad de inducción magnética es directamente proporcional al campo magnético externo, es decir, B = μ0H, donde μ0 es la permeabilidad del espacio libre. En un material ferromagnético, la intensidad de inducción magnética B = μ0(H + M), lo que significa que el campo magnético total es igual a μ0 multiplicado por la suma del campo magnético H generado por la corriente y el campo magnético M generado tras la magnetización del medio por H. La unidad de B es Tesla (T), que corresponde a unidades gaussianas (Gs), siendo 1 T = 10 kg.
En realidad, la intensidad de inducción magnética es la verdadera "intensidad del campo magnético" de un imán, pero dado que históricamente se ha denominado H como intensidad del campo magnético, a B se le da el nombre alternativo de intensidad de inducción magnética. Tanto B como H se refieren a la "intensidad del campo magnético", pero sus unidades difieren debido a diferentes definiciones y derivaciones (en el sistema gaussiano, B se expresa en unidades gaussianas (Gs), mientras que H se expresa en unidades de Oersted (Oe, 1 Oe = 1 × 10⁻⁴ Wb·m⁻² = 1 × 10⁻⁴ T = 1 Gs).
La intensidad del campo magnético H es un campo magnético en un espacio virtual, sin considerar la materia presente en dicho espacio. Se centra en la relación entre el campo magnético y la corriente que lo genera. La intensidad de inducción magnética B, por otro lado, considera la intensidad del campo magnético final tras añadir materia real al campo magnético virtual H. Se centra en la intensidad real del campo magnético generado por la materia.
Magnetización M
Ya hemos mencionado la magnetización M, que es el campo magnético inducido generado por partículas de la materia bajo la influencia de un campo magnético externo. La física moderna ha demostrado que cada electrón de un átomo experimenta movimientos orbitales y de espín alrededor del núcleo, los cuales producen efectos magnéticos. Si consideramos una molécula en su conjunto, la suma de los efectos magnéticos generados por todos los electrones dentro de ella puede representarse mediante una corriente circular equivalente. Esta corriente circular equivalente se denomina corriente molecular, y su momento magnético correspondiente se denomina momento magnético molecular, denotado por pm. Es la suma vectorial de los momentos magnéticos de todos los orbitales electrónicos y los momentos magnéticos de espín de la molécula.
En ausencia de un campo magnético externo, la suma vectorial de los momentos magnéticos de todas las moléculas dentro de cualquier elemento de volumen del medio magnético es cero. Sin embargo, cuando el medio magnético se encuentra en un campo magnético externo, cada molécula experimenta un par que fuerza su momento magnético a alinearse con la dirección del campo magnético externo. Por lo tanto, bajo la influencia del campo magnético externo, la suma vectorial de los momentos magnéticos de todas las moléculas dentro de cualquier elemento de volumen no es cero. Por lo tanto, el medio magnético exhibe cierto grado de magnetismo, o en otras palabras, está magnetizado. Para describir el estado de magnetización (grado y dirección de magnetización) del medio magnético, introducimos el vector de magnetización M, que representa la suma vectorial de los momentos magnéticos de todas las moléculas por unidad de volumen, en unidades de A/m.
Para estudiar la relación entre este campo magnético inducido M y el campo magnético aplicado H, definimos la susceptibilidad magnética χ = M/H. Una susceptibilidad magnética alta significa que el mismo campo magnético externo puede generar un campo magnético interno inducido mayor; una susceptibilidad magnética baja significa que, incluso con un campo magnético externo grande, el material en su interior solo responderá débilmente. La susceptibilidad magnética puede ser positiva o negativa. Una susceptibilidad magnética positiva χ > 0 indica que el campo magnético interno generado M tiene la misma dirección que el campo magnético externo H. Una susceptibilidad magnética negativa χ < 0 indica que el campo magnético adicional M generado dentro del material debido a H tiene la dirección opuesta al campo externo H.
Polarización magnética J
En el texto anterior, presentamos la intensidad de inducción magnética B = μ0(H + M) = μ0H + μ0M. Llamamos μ0M a la intensidad de polarización magnética del material, es decir, J = μ0M, y su unidad también es T (Tesla). La intensidad de polarización magnética J se interpreta físicamente como el momento dipolar magnético por unidad de volumen del medio magnético, también llamado intensidad de inducción magnética intrínseca. Su símbolo es Bi o J. En el sistema gaussiano, μ0 = 1, por lo que J = M.
En materiales magnéticos blandos, la intensidad del campo magnético no suele ser mayor que 1000 A/m, μ0 es 4×10-7H/m y J=B-μ0H, por lo que la diferencia entre la intensidad de inducción magnética B y la intensidad de polarización magnética J es muy pequeña; sin embargo, en materiales magnéticos duros, esta diferencia es muy significativa, por lo que generalmente se dan dos curvas de relación, B=f(H) y J=f(H).
