¿Los imanes pierden su magnetismo?

La segunda ley de la termodinámica, sobre la entropía creciente, que aparentemente es de lo que estás hablando, se cumple para cualquier sistema. Los imanes permanentes no son una excepción.

Un ferroimán puede parecer "más ordenado" que un material no magnético porque los giros están orientados en la misma dirección, en lugar de direcciones aleatorias. Pero los sistemas físicos solo pueden intentar maximizar su entropía entre configuraciones que conservan energía (al igual que el momento, la carga y otras cantidades conservadas). Para los ferroimanes, la configuración con espines orientados en direcciones aleatorias tendría una energía mucho mayor, porque se reduce la energía al orientar los espines, imanes elementales, en la misma dirección.

Entonces, la desaparición espontánea del espín de los electrones uniformes violaría la conservación de la energía.

Entre las configuraciones con la misma energía, el imán todavía intenta maximizar su entropía. En particular, el calor fluye de las piezas más cálidas del material a las más frías, y así sucesivamente. En términos más generales, la entropía nunca disminuye, y esa es la única afirmación general que se deriva de la segunda ley de la termodinámica.

Los ferroimanes no son especiales entre los objetos físicos que podrían tener una entropía más alta si permitieras que la energía aumentara. Por ejemplo, cualquier objeto aumentaría su entropía, la cantidad de desorden, si su temperatura aumentara. Pero una temperatura más alta también requiere una energía más alta. No se puede violar la primera ley de la termodinámica (conservación de la energía) solo porque sería más sencillo satisfacer la segunda ley. Ambos se sostienen en la Naturaleza.

La entropía tiene poco que ver con que los imanes pierdan su magnetización. El problema es que los imanes almacenan grandes cantidades de energía en sus campos magnéticos. Esto generalmente se describe como la energía del campo desmagnetizante , y es solo otra forma de referirse al acoplamiento magnético de dipolos magnéticos individuales ( no al acoplamiento de intercambio, solo a la interacción clásica dipolo-dipolo).

Un material magnético puede reducir esta energía adoptando una configuración magnética que minimiza las cargas magnéticas (es decir, los polos magnéticos). Lo hace moviendo las paredes de su dominio de una manera que reduce el momento magnético total. Un buen imán tiene muchos defectos cristalográficos que clavan las paredes. Sin embargo, si la temperatura es lo suficientemente alta, y si esperas lo suficiente, las paredes eventualmente se “arrastrarán”. Esto se llama “efecto posterior magnético” y da una variación característica de la magnetización que es lineal en$\log(t)$. Este comportamiento puede explicarse por el hecho de que las paredes del dominio se enfrentan a una distribución muy amplia de barreras energéticas.

Se supone que los buenos imanes permanentes muestran muy poco efecto magnético posterior. Como caso especial, los imanes de dominio único son un tipo de nanoimanes que no muestran este efecto posterior en absoluto, simplemente porque no tienen paredes de dominio espeluznantes, ya que costarían demasiado intercambiar energía. Sin embargo, un conjunto de tales partículas puede perder su magnetización debido a que las partículas individuales cambian de una orientación magnética a otra. Esto se denomina superparamagnetismo y es un obstáculo para aumentar la densidad de bits en el almacenamiento magnético (es decir, discos duros).

Editar :

Existe alguna evidencia de que la desmagnetización de un imán es impulsada por su energía dipolar más que por la entropía. En primer lugar, está la construcción de van den Berg (véase, por ejemplo, el libro Principios del nanomagnetismo , de Alberto Passos Guimarães). Esta es una forma geométrica de predecir la configuración magnética que minimiza la energía dipolar en un imán plano. Las configuraciones predichas en realidad se han visto en muestras reales de tamaño micrométrico, cuando se tomaron imágenes de MFM , Kerr o XMCD.. Si los muros estuvieran impulsados ​​por la necesidad de maximizar su entropía, uno los vería deambular aleatoriamente por toda la muestra. En cambio, en muestras blandas, se puede ver que adoptan la configuración exacta que se predijo para minimizar la energía dipolar magnética.

Otra evidencia es el micromagnetismo numérico . Este es el arte de predecir numéricamente la configuración magnética de microestructuras. Las predicciones se realizan minimizando la energía magnética total (suma de dipolar, Zeeman, anisotropía e intercambio), con poca consideración a la entropía. El hecho de que el micromagnetismo numérico pueda tener bastante éxito es una prueba de que la energía es más importante que la entropía en el comportamiento de los imanes.

Por otro lado, si se considera un ensamblaje diluido de nanopartículas magnéticas cerca de su temperatura de bloqueo , entonces la desmagnetización del ensamblaje está impulsada por la entropía. Solo cuando las nanopartículas se acercan bastante entre sí, su energía de interacción comienza a desempeñar un papel importante.

En un material con una magnetización neta, los dominios están alineados y se encuentran en un estado de energía superior al que tendrían si no estuvieran alineados. La segunda ley de la termodinámica dice que debido a que hay abrumadoramente más estados en los que los dominios no están alineados (u 'ordenados'); es abrumadoramente más probable que el material pase a un estado con dominios no alineados (o 'menos orden'). Sin embargo, la vida no es tan simple. Hay un retraso finito, a menudo extremadamente largo, en la transición al estado menos ordenado, debido al "enganche" de la red cristalina.