Definiciones

Monopolos Magnéticos

Un monopolo magnético es un partícula hipótetica que consiste en un imán con un solo polo magnético. La idea la planteó Paul Dirac en 1931 y con ella se podría explicar la cuantización de la carga eléctrica. Con los monopolos magnéticos, además, se pueden escribir las ecuaciones de Maxwell de forma completamente simétrica ante un intercambio de las cargas magnéticas y eléctricas.

Un campo magnético tiene siempre asociados dos polos magnéticos (norte y sur), al igual que un imán. Si se corta un imán en dos partes, cada una tendrá a su vez dos polos magnéticos. Si se sigue el proceso hasta tener únicamente un electrón girando en una órbita, el campo magnético que genera tiene, también, dos polos. Por tanto, clásicamente, los monopolos no existen.

Un monopolo magnético sería una partícula que tendría únicamente un polo magnético (norte o sur). Teóricamente, nada impediría la existencia del monopolo magnético; incluso, su existencia se hace necesaria en algunas teorías de la creación del Universo. No obstante, esto no significa que existan, pues hasta ahora todos los intentos de crear un monopolo magnético en aceleradores de partículas han sido infructuosos.

Dipolo Magnético

Éste tiene un "polo sur" y un "polo norte", sus nombres se deben a que antes se usaban los magnetos como brújulas, que interactuaban con el campo magnético terrestre, para indicar el norte y el sur del globo.

Un campo magnético contiene energía y sistemas físicos que se estabilizan con configuraciones de menor energía. Por lo tanto, cuando se encuentra en un campo magnético, un dipolo magnético tiende a alinearse solo con una polaridad diferente a la del campo, lo que cancela al campo lo máximo posible y disminuye la energía recolectada en el campo al mínimo. Por ejemplo, dos barras magnéticas idénticas pueden estar una a lado de otra normalmente alineadas de norte a sur, resultando en un campo magnético más pequeño y resiste cualquier intento de reorientar todos sus puntos en una misma dirección. La energía requerida para reorientarlos en esa configuración es entonces recolectada en el campo magnético resultante, que es el doble de la magnitud del campo de un magneto individual. (Esto es porque un magneto usado como brújula interactúa con el campo magnético terrestre para indicar Norte y Sur)


Magnetización

La magnetización de un matrial es la densidad de momentos dipolares magnéticos:

\mathbf{M} = \frac{d\mathbf{m}}{dV}

En la mayoría de los materiales, la magnetización aparece cuando se aplica un campo magnético a un cuerpo. En unos pocos materiales, principalmente los ferrmagnéticos, la magnetización puede tener valores altos y existir aun en ausencia de un campo externo. También se puede magnetizar un cuerpo haciéndolo girar.

El cálculo analítico de la magnetización de un cuerpo es, en general, imposible, lo que incluye casos tan simples como los electroimanes en forma de barra o de herradura. En ciertos casos en los que el cuerpo adopta una forma concreta es posible la solución analítica, como en un toro o un anillo completamente arrollado con un conductor (anillo de Rowland) o en esferas en campos uniformes; hay también situaciones físicas en las que son posibles ciertas simplificaciones para su resolución.


Diamagnetismo

El diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en ser repelidos por los imanes. Es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos los cuales son atraídos por los imanes. El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto y nominado por primera vez en septiembre de 1845 por Michael Faraday cuando vio un trozo de bismuto que era repelido por un polo cualquiera de un imán; lo que indica que el campo externo del imán induce un dipolo magnético en el bismuto de sentido opuesto.



Paramagnetismo

El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos están fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno será ferromagnetismo o ferrimagnetismo. Cuando no existe ningún campo magnético externo, estos momentos magnéticos están orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo tienden a alinearse paralelamente al campo, pero esta alineación está contrarrestada por la tendencia que tienen los momentos a orientarse aleatoriamente debido al movimiento térmico.

Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a fortalecerlo. Esto se describe por una permeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo que es lo mismo, una susceptibilidad magnética positiva y muy pequeña.


Ferromagnetismo

El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.

Generalmente, los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos, separados por superficies conocidas como paredes de Bloch. En cada uno de estos dominios, todos los momentos magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta energía potencial, pero la formación de dominios está compensada por la ganancia en entropía.

Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magnético inductor aumentan su tamaño. Este aumento de tamaño se explica por las características de las paredes de Bloch, que avanzan en dirección a los dominios cuya dirección de los dipolos no coincide; dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo.

Videos

Ley de Gauss


Diamagnetismo



Dipolo en campo magnético


Ferromagntismo


Material de Clase

Cap12 des Magnetic As de La Materia

lunes, 14 de diciembre de 2009

Se encuentran monopolos magnéticos nanometricos

S

Cuatro artículos, dos publicados en Science y dos preprint en ArXiv, confirman la observación directa de monopolos magnéticos como cuasipartículas en diferentes cristales de hielo de espines. Estos monopolos magnéticos fueron observados de forma indirecta en 2007 por Castelnovo et al. (publicado en Nature). Morris et al. y Fennell et al. los han logrado observar de forma directa, publicando sendos artículos que aparecerán en Science. Morris et al. han observado directamente mediante neutrones cadenas de monopolos, como cuentas de un collar, que se denominan cuerdas de Dirac (Dirac strings). Fennell et al. han observado mediante neutrones polarizados una fase de Coulomb casi perfecta, sólo explicable por la existencia de monopolos magnéticos. Ambos artículos conforman la evidencia más fuerte de la existencia de monopolos magnéticos en física del estado sólido. Los artículos en ArXiv la ratifican fuera de toda duda.

Recordemos. Un imán tiene dos polos, norte y sur. Un monopolo sólo tiene un polo, sea norte o sea sur. Los monopolos magnéticos que han sido observados en pequeños cristales enfriados cerca del cero absoluto tienen un tamaño inferior a un nanómetro. Han sido observados monopolos de las dos clases, tanto tipo polo norte y como tipo polo sur. El material utilizado, hielo de espines, es un material cristalino en el que los átomos (pequeños imanes) se colocan en los vértices de tetraedros (igual que en el hielo, agua sólida). Estos pequeños átomos se alinean bajo el efecto de un campo magnético. El centro de los tetraedros se comporta como una cuasipartícula. Los artículos en Science han demostrado que éstas se comportan como monopolos magnéticos. ¿Esto equivale a observar directamente monopolos magnéticos? Sí, ya que desde un punto de vista cuántico una partícula y una cuasipartícula se comportan exactamente igual.

Los monopolos magnéticos han sido buscados durante mucho tiempo. Muchas teorías cuánticas de campos (variantes del Modelo Estándar de partículas elementales) predicen su existencia y su generación durante la Gran Explosión (Big Bang). El nuevo resultado experimental, aunque alejado de estos lares, es una evidencia fuerte de que la Naturaleza no prohibe la existencia de monopolos magnéticos. Un fuerte ímpetu a la búsqueda de los monopolos magnéticos como partículas elementales tanto en rayos cósmicos como en los grandes aceleradores de partículas, como el LHC del CERN.
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