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Producto energético

El producto energético es el resultado de la densidad del flujo magnético y la intensidad del campo magnético de un imán y, por lo tanto, es una variable que sirve como medida de la energía magnética de un imán. Los imanes elementales individuales están todos alineados y, por lo tanto, forman un momento magnético. A través de esta energía potencial de todos los momentos magnéticos, la energía magnética nace. Cuanto mayor sea esta energía, mayor será el producto energético y mayores serán las fuerzas del imán.

La llamada curva de histéresis visualiza la relación entre la densidad del flujo magnético y la intensidad del campo magnético durante la desmagnetización o magnetización. Hay varias características especiales de esta curva: por ejemplo, la densidad de flujo de remanencia o la remanencia se pueden identificar muy bien. El término remanencia se entiende como la magnetización del material presente después de la eliminación de un campo magnético externo. Si un objeto magnetizado de esta manera se desmagnetiza de nuevo por medio de un campo magnético, el llamado campo coercitivo es necesario para este propósito. Este campo es un campo magnético opuesto a la magnetización con una cierta intensidad de campo coercitivo. Desde esta fuerza se cancela la magnetización, pero no al revés. El producto energético se abrevia con el símbolo E y se puede calcular a partir del producto máximo de la intensidad de campo magnético H y la densidad de flujo magnético B. Así:

energieprodukt_1

El producto energético también se puede determinar a partir de la intensidad del campo magnético al producto con la densidad de flujo. Sin embargo, el resultado resultante es aproximadamente cuatro veces mayor que el producto de energía máxima real. Además, se aplica una relación proporcional entre la densidad de energía w (es decir, la cantidad de energía por unidad de volumen del imán) y el producto energético. Si la densidad de energía se calcula exactamente, entonces resulta que la relación proporcional con el producto energético es solo el factor 0.5:

energieprodukt_2
matemáticamente correcto, sin embargo, sería la densidad de energía W a través de la integral de la intensidad de campo magnético H se determina por la densidad de flujo B:

energy_product_3

Aunque la relación descrita en (2) no es exacta, cumple aproximadamente los requisitos de un imán cuya intensidad de campo magnético es proporcional al flujo magnético. También se aplica aquí que la derivación local del producto energético es proporcional a la fuerza: esto es imaginable debido a la densidad de fuerza que actúa en una dirección. Esta densidad de fuerza es, al mismo tiempo, el cambio de densidad de energía en la misma dirección.

Si la densidad de energía, es decir, la energía por unidad de volumen, se multiplica por el volumen del imán, se obtiene la energía magnética total W almacenada en el imán. Por otro lado, con este volumen, por supuesto, la mitad del producto energético se puede multiplicar. El resultado es el mismo:

energieprodukt_4

De las fórmulas también se deduce que la unidad para el producto energético es el producto de Oersted (A / m) y Tesla (N / Am). Los resultados abreviados en la unidad J / m³, o N / m²: el producto energético se utiliza, por lo tanto, para calcular la fuerza entre dos materiales ferromagnéticos que se apoyan o repelen en una cara de polo conocida. Para la cara del polo A, el producto energético E y la fuerza magnética F:

energy_product_5

De esta fórmula, se pueden deducir algunas dependencias: por ejemplo, la fuerza entre los dos imanes se duplica cuando se dobla el producto energético o la superficie del polo. La densidad de flujo magnético en un imán permanente es igual a la remanencia o el llamado campo B. Con la remanencia se indica la magnetización del material, como ya se mencionó brevemente anteriormente. Aquí, el campo magnético H del imán está en una relación proporcional a la remanencia; por supuesto, deben considerarse las propiedades específicas del material. Estos están influenciados por los factores μ (permeabilidad magnética de la materia) y (permeabilidad magnética en el vacío):

energieprodukt_6

Si ahora se inserta H en (1):

energy_product_7

Por lo tanto, la densidad de energía del imán es proporcional al cuadrado de la remanencia, por lo que si la magnetización es dos veces más fuerte, se almacena en el material cuatro veces más energía magnética. Por el contrario, esto significa que la doble magnetización puede aumentar cuatro veces las fuerzas magnéticas.

Explicación física

Los imanes elementales, que claramente sirven para aclarar los procesos de magnetización en la educación física, son básicamente los espines electrónicos de los electrones libres de cada átomo en el material ferromagnético. Si los espines de los electrones atómicos también se alinean el doble de la fuerza con un campo de duplicación para la magnetización, también se atraen el doble. Por lo tanto, la cantidad total de energía del imán es cuatro veces mayor para un campo dos veces más fuerte.

Cada sistema generalmente trata de alcanzar un mínimo energético. Anteriormente, se mencionó la derivación de la ubicación de la energía: si estuviéramos fuera de un mínimo energético, la derivación de la ubicación siempre apunta al lugar donde se ubica la energía mínima. Sin embargo, si estamos directamente en este mínimo, el derivado no está definido y desaparece. De acuerdo con este entendimiento, las fuerzas magnéticas trabajan fuera del esfuerzo de un sistema en materiales ferromagnéticos para luchar por el nivel de energía más bajo posible.

Se puede obtener otra visión usando (7) en (5):

energy_product_8

De ello se deduce que la fuerza entre dos imanes es proporcional al flujo magnético cuadrado y el área de la sección transversal. En un μ grande, la densidad de energía debida a la fractura se vuelve particularmente pequeña. Los materiales ferromagnéticos usualmente tienen un μ muy grande (entre 1000 y 10,000 para hierro, por ejemplo). A medida que el imán se aleja del hierro, aumenta la densidad de energía del aire circundante. Se vuelve más grande que la densidad de energía que estaría presente si las líneas de campo se ejecutaran directamente a través del hierro. Para volver a encontrar el equilibrio, el sistema se esfuerza por alcanzar el mínimo energético: según esto, la mayor cantidad posible de líneas de campo debería estar en el hierro. Esta búsqueda de equilibrio energético se expresa en la fuerza que mueve el imán hacia la plancha.