¿Por qué los materiales ferromagnéticos canalizan las líneas de campo magnético?

Question

He leído que el campo magnético total de un ferromagneto, $\vec{B} = \mu_0\vec{H}+\mu_0\vec{M}$ donde $\vec{H}$ es un campo magnético externo y $\vec{M}$ es el campo magnético del ferromagneto debido a la alineación de sus dipolos con $\vec{H}$ .

Por otro lado, he leído que los materiales ferromagnéticos tienden a "canalizar" y "concentrar" las líneas de campo. Véase, por ejemplo, la imagen de abajo. Con el solenoide solo, la forma del campo magnético sería muy diferente a la forma con el imán incluido. El imán ha "canalizado" las líneas de campo magnético del solenoide.

¿Qué explica este comportamiento de "canalización" de los materiales ferromagnéticos? En otras palabras, ¿se puede explicar utilizando los métodos normales para el cálculo del campo magnético, como el de Biot-Savart, y tratando el ferromagneto como si estuviera formado por dipolos infinitesimales, o es necesario tener en cuenta el proceso dinámico de alineación de dominios para calcular el campo magnético final?

Edición: Para explicarme mejor, he incluido dos simulaciones de FEMM . Uno es un selenoide envuelto en un núcleo de hierro cuya geometría ha sido elegida para enfatizar el comportamiento de canalización que mencioné anteriormente. El segundo es idéntico al primero, con el hierro sustituido por aire. A partir de la ecuación $\vec{B} = \mu_0\vec{H}+\mu_0\vec{M}$ Yo esperaría que las dos simulaciones tuvieran campos magnéticos con direcciones idénticas $(\vec{B_{iron}}/|\vec{B_{iron}}| = \vec{B_{air}}/|\vec{B_{air}}|)$ pero estas simulaciones muestran que no es así. ¿A qué se debe esto?

Obsérvese que las simulaciones son axisimétricas, lo que significa que se tratan como si toda la configuración estuviera girada alrededor del eje izquierdo para formar un problema tridimensional.

Answer 1

Se reduce a lo que dijo el usuario3814483 en su comentario: es sólo una superposición lineal de campos debidos a la bobina y a los dipolos ferromagnéticos "magnetizados" (es decir, alineados). Sin embargo, los dipolos alineados ejercen campos entre sí, además del campo preexistente de la bobina. Estos "campos mutuos" son tan fuertes en comparación que provocan una alineación diferente a la que dictaría el campo de la bobina por sí mismo. Sin embargo, no tengo un método para calcular cuál debe ser exactamente el campo vectorial resultante en este tipo de situación.

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Volviendo un poco a los primeros principios, lo único que realmente "existe" cuando se trata de magnetismo es un campo magnético (vectorial), que se cuantifica mediante la "densidad de flujo magnético $B$ en cada punto. (A pesar del "flujo magnético $\Phi$ que suena como una cantidad más fundamental, no es más que una construcción matemática para representar la integral de superficie de $B$ .)

Se ha observado que las cargas puntuales en movimiento generan un campo magnético, y la "fuerza de la fuente" de una (o muchas) de estas cargas en movimiento se define como el momento dipolar magnético $m$ que relaciona el par con la densidad de flujo magnético: $\tau = m \times B$ . La magnitud del momento dipolar magnético puede calcularse convenientemente como el producto de la corriente plana que encierra un área: $|m| = IA_{enc}$ . Ver https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_moment para más información.

Como ya sabrá, los átomos tienen electrones que los "rodean" y, por tanto, crean sus propios dipolos magnéticos, que no difieren cualitativamente de los generados por una espira portadora de corriente. En los materiales ferromagnéticos, estos dipolos magnéticos pueden alinearse más fácilmente en la misma dirección, multiplicando así el campo preexistente. Esto no es diferente a tener dos bobinas de electroimanes en cardanes bien lubricados: si se hiciera pasar corriente por cada bobina, las fuerzas magnéticas de Lorentz provocarían la alineación y darían lugar a un campo general amplificado.

Por lo tanto, la "distorsión del campo" en su ejemplo de bobina con núcleo se debe a la fuerza de los dipolos ferromagnéticos que superan/revierten el campo generado por la bobina. Y aunque el término "canal" o "concentrado" se utiliza a menudo para explicar los fenómenos de alto nivel de un material ferromagnético en un campo ambiental, eso no es realmente lo que está sucediendo. El campo original sigue existiendo, sólo que los dipolos alineables del material ferromagnético se han acomodado para sobrepasar el campo original y hacerlo parecer así. Una vez más, no tengo una manera de describir por qué el campo resultante sale de la manera que lo hace - eso es más en el dominio de FEA.

Answer 2

¿Qué explica este comportamiento de "canalización" de los materiales ferromagnéticos? En otras palabras, ¿se puede explicar utilizando los métodos normales de cálculo de campos magnéticos, como el de Biot-Savart, y tratando el ferromagneto como si estuviera formado por dipolos infinitesimales

El ferromagnetismo es un fenómeno cuántico, pero sí, se puede tratar clásicamente como un volumen de dipolos que se alinean para "canalizar" campos como dices. De hecho, $M$ se define como el momento dipolar magnético por unidad de volumen.

¿o hay que tener en cuenta el proceso dinámico de alineación de dominios para calcular el campo magnético final?

No en el cálculo del campo magnético final, pero se necesitaría un modelo dinámico para tener en cuenta cualquier pérdida de energía que se produzca durante la alineación del dominio.

Answer 3

El ferromagnetismo puede dar lugar a muchas confusiones. La discusión que me gusta está en las conferencias de Feynman, vol. II, cap. 36. Desde el punto de vista de la física, es agradable imaginar que un ferroimán sólo tiene un mu muy grande. Eso es lo que hace la concentración. Luego, desde un punto de vista práctico, el material magnético también tiene saturación e histéresis. (Efectos no lineales que debes conocer si estás diseñando algo).