¿Energía de ferromagneto magnetizado vs no magnetizado?

Un ferromagneto consta de muchos, muchos dipolos magnéticos microscópicos que pueden apuntar en diferentes orientaciones. Si el ferroimán no se magnetiza mediante la aplicación de un fuerte campo magnético externo, los dipolos se organizarán en pequeños granos, cada uno de los cuales tendrá una dirección común para todos los dipolos dentro de ese grano, pero cuya orientación será diferente entre los diferentes granos. Me pregunto un par de cosas sobre esto:

  1. ¿Es un ferroimán no magnetizado dispuesto en granos como este, en contraste con tener todos los dipolos apuntando en la misma dirección, porque es una configuración de energía relativamente baja, o simplemente está dispuesto así porque este estado tiene una entropía mucho más alta y, por lo tanto, es mucho más probable que ocurra naturalmente?

  2. Después de magnetizar un ferroimán aplicando un fuerte campo magnético externo y convirtiéndolo en un imán permanente, ¿aumenta o disminuye la energía total del ferroimán?

Mi intuición dice que la razón por la que los dipolos se organizan para apuntar en la misma dirección, incluso si esto es solo localmente dentro de pequeños granos, se debe a que esta es una configuración de energía más baja que tener todos los dipolos apuntando en diferentes direcciones y, por lo tanto, si todos los dipolos apuntan en direcciones diferentes. en general, el ferromagnético apuntaría en la misma dirección, esta sería una configuración de energía aún más baja, probablemente con una energía cercana a la energía del estado fundamental del sistema (dada una cierta temperatura, si eso tiene algún sentido).

Sin embargo, otras personas afirman que es posible extraer energía de un imán permanente , lo que supongo que significaría que el estado magnetizado de un ferroimán es un estado de energía relativamente alta. Si un imán permanente tiene una energía más alta que el ferroimán del que se creó, ¿por qué los dipolos de los imanes permanentes no se desalinean espontáneamente y convierten la energía excesiva en calor (energía térmica), ya que debe ser un estado de entropía mucho mayor?

Con respecto a 1., la distinción es solo aparente. El razonamiento común de que "un sistema tiende a un mínimo de energía" no es realmente un principio de la mecánica, sino una consecuencia de la segunda ley, barrida silenciosamente en la mecánica. La mecánica no dice, por ejemplo, que la fuerza de fricción deba ser a priori en la dirección opuesta a la velocidad. El signo de su razón en realidad se deriva de la segunda ley. Compruebe, por ejemplo, Callen o Gibbs la equivalencia de los dos puntos de vista.

Respuestas (3)

Respuesta corta: piensa en energía, no en entropía.

Respuesta larga:

Piense en las líneas de campo evidenciadas por pequeñas partículas de hierro en presencia de una barra magnética. Forman formas curvas, invierten lentamente la dirección y terminan conectando el norte del imán con su polo sur, ¿verdad? Ahora piense en el mismo tipo de líneas de campo magnético generadas por uno de los dominios magnéticos dentro de su ferromagneto. Estos indican la orientación preferida para otros dominios, en diferentes posiciones, y conducirían a una cancelación del momento magnético total. Si se los deja a su suerte, los dominios dentro de un ferromagnético adoptarán una disposición que minimice el momento magnético total. Esto está realmente explicado en Wikipedia:

Por qué se forman los dominios

La razón por la que una pieza de material magnético como el hierro se divide espontáneamente en dominios separados, en lugar de existir en un estado con magnetización en la misma dirección en todo el material, es para minimizar su energía interna. Una gran región de material ferromagnético con una magnetización constante creará un gran campo magnético que se extenderá hacia el espacio exterior (diagrama a, derecha). Esto requiere mucha energía magnetostática almacenada en el campo. Para reducir esta energía, la muestra se puede dividir en dos dominios, con la magnetización en direcciones opuestas en cada dominio (diagrama b derecha). Las líneas del campo magnético pasan en bucles en direcciones opuestas a través de cada dominio, reduciendo el campo fuera del material. Para reducir aún más la energía del campo, cada uno de estos dominios también puede dividirse,De https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_domain, imagen en dominio público

En la segunda parte de su pregunta, la desmagnetización de un ferromagnético, aunque termodinámicamente espontánea, está cinéticamente bloqueada por una barrera de energía que debe superarse. Si considera el efecto energético de una pequeña reorientación de uno de los dominios magnéticos, siempre será energéticamente cuesta arriba , por lo que simplemente no sucede (a temperaturas por debajo de la temperatura de Curie). Así es como los ferroimanes permanecen magnetizados durante mucho tiempo, en un estado metaestable.

Anexo: ¿Qué pasa con la alineación dentro de los dominios magnéticos? La interacción magnética a través del espacio, la que representamos a través de líneas de campo, no es la única interacción magnética. También existe el intercambio (y superintercambio) magnético, por el cual se produce el solapamiento directo entre orbitales magnéticos (o mediado por un átomo puente), y que puede favorecer el alineamiento ferromagnético entre dos momentos magnéticos locales . Esta interacción puede ser muy fuerte, pero, al ser local, es muy susceptible a defectos. Junto a las barreras de dominio, se rompe el orden magnético, separando dos regiones o dominios bien ordenados.

¡Gracias por esta explicación! Sin embargo, ignorando las barreras de energía por un tiempo, parece que el sistema puede reducir su energía al dividir un dominio en dos. Entonces, ¿por qué vemos dominio en los materiales ferromagnéticos? Parece que la formación de dominios solo aumentaría la energía (incluso cuando se consideran las barreras de energía), entonces, ¿por qué se forman para empezar a menos que sea energéticamente favorable?
@HelloGoodbye Edité la respuesta para abordar su punto muy válido. Si eso ahora es más claro, ¿también editará la pregunta anterior en consecuencia, para que se ajuste mejor?

El equilibrio de un estado es el contrabalance de dos factores: energía interna y entropía. Poner estos dos factores en forma matemática se convierte en la energía libre de Helmholtz:

(1) F = tu − T S .
El equilibrio de un estado es alcanzar un mínimo de energía libre.

(1) Mientras la energía interna, tu , se refiere, la energía es un imán totalmente alineado tiene una energía interna más baja que la configuración multigrano. Debido a la interacción ferromagnética, H = j i j S → i ⋅ S → j , la constante de acoplamiento j i j es negativo

(2) Como consideramos el estado de equilibrio, necesitamos un estado de mínima energía libre bajo una temperatura dada. Examinando a partir de la ecuación (1), la ponderación de la entropía es proporcional a la temperatura. A cero kelvin, la energía interna es únicamente determinar el equilibrio. Pero a alta temperatura, la entropía se vuelve más importante.

Es importante agregar que el estado de equilibrio se obtiene minimizando la energía libre de Helmholtz solo cuando su temperatura está restringida
Sí. La publicación se ha editado de acuerdo.
¿Tiene alguna fuente que verifique que la energía es un imán completamente alineado que tiene una energía interna más baja que la configuración de múltiples granos? Esto es lo que me decía mi intuición, pero según la respuesta de agaitaarino, no parece ser el caso.
Ignora mi respuesta. El micromagnético es un área de estudio bastante diferente de mi punto de vista microscópico.

Si la pregunta 1. es una pregunta sobre el equilibrio, la respuesta general es:

  1. en primer lugar, debemos especificar qué restricciones definen los posibles estados de equilibrio, por ejemplo, temperatura constante, magnetización, etc. (Comprenda que esta especificación es importante porque, de lo contrario, cualquier estado puede ser un estado de equilibrio: solo necesitamos fijar las variables de estado del sistema en esos valores específicos).

  2. El principio general es que el estado de equilibrio es el que maximiza la entropía con respecto a las restricciones especificadas (véase, por ejemplo, Callen, § 1.10 Postulado II). Para restricciones particulares, esta maximización es equivalente a la extremización de otras cantidades (ver, por ejemplo, Callen, cap. 6): por ejemplo, minimización de la energía libre de Helmholtz cuando la temperatura está restringida, o la energía libre de Gibbs, u otros potenciales termodinámicos. En particular, debemos considerar si el campo externo o la magnetización están restringidos, y esto a menudo conduce a energías libres construidas sumando o restando un término proporcional a METRO H , dónde METRO es la magnetización y H el campo magnético externo.

Esto también es cierto para los ferroimanes. Para estos asuntos ver por ejemplo

y también este ensayo muy perspicaz:


Con respecto a la pregunta 2, no hay una respuesta definitiva a su pregunta porque el proceso no está completamente especificado. El cambio en la energía interna depende del trabajo realizado sobre el sistema por el campo magnético, por otros tipos de trabajo (si los hay) y, como mínimo, por el calor intercambiado por el sistema. Así que necesitamos especificar si el cambio en el campo externo ocurre en condiciones adiabáticas, oa temperatura constante, y así sucesivamente.

Como ejemplo, si tomamos como variables de estado la entropía S y magnetización METRO , el cambio reversible en la energía interna es

d tu ( S , METRO ) = T   d S + m H   d METRO   ,
con m > 0 . Parafraseando a Laughlin, en un proceso adiabático reversible "la aplicación de un campo magnético desplaza (alinea) los momentos magnéticos y, por lo tanto, se realiza trabajo en el sistema, aumentando así su energía interna".


Con respecto a su punto final, sí, un ferroimán se desmagnetiza, pero en escalas de cientos o miles de años. Os dejo la explicación concisa de agaitaarino para esto.

Más referencias para la termodinámica y la termostática de los materiales ferromagnéticos, lo cual es extremadamente interesante, además de los trabajos de Callen y Wightman anteriores:

¿Energía de ferromagneto magnetizado vs no magnetizado?
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