Sistemas magneticos

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´ SISTEMAS MAGNETICOS Y BAJAS TEMPERATURAS

1.

Introducci´n o

Las interacciones magn´ticas presentan un considerable inter´s en f´ e e ısica y tienen una gran importancia en el estudio de la materia a muy bajas temperaturas, pues proporcionan un medio para lograr bajas temperaturas. La materia est´ formada por ´tomos y entre ellos, unos pocos (Cr, Mn, Fe, a a Co, Ni y otros menosconocidos) tienen momento magn´tico, es decir, se come portan como imanes at´micos. Normalmente, cada uno de estos imanes est´ orio a entado en una direcci´n al azar, pero si se aplica un campo magn´tico mediante o e un electroim´n, los momentos magn´ticos tienden a alinearse con ´l. A ello se a e e opone la agitaci´n t´rmica que tiende a desordenar la direcci´n en la que apuno e o ta cada uno de estosimanes at´micos. El resultado es que al aplicar el campo o se pierde la mayor parte de la energ´ de agitaci´n t´rmica de los momentos ıa o e magn´ticos. Esta energ´ pasa en forma de calor al resto de los ´tomos del mae ıa a terial y a los objetos que est´n en contacto t´rmico con ´l; consecuentemente a e e la temperatura sube. A la inversa, si el material est´ en presencia de un campo a externo y derepente se suprime el campo, el material se enfr´ ıa.

2.

Variablaes Termodin´mica a

Las variables termodin´micas son las magnitudes que estimamos necesario a o conveniente especificar para dar una descripci´n macrosc´pica del sistema. La o o mayor´ de esas magnitudes provienen de otras ramas de la f´ ıa ısica. Por ejemplo la presi´n proviene de la Mec´nica, las intensidades de campoel´ctrico y magn´tico o a e e del Electromagnetismo, etc.. Por consiguiente no podemos dar una definici´n o completa y detallada del concepto de variable termodin´mica, y por ahora nos a tenemos que conformar con algunos ejemplos. El estudio termodin´mico de un sistema magn´tico incluir´ probablemente a e ıa como variables la intensidad del campo magn´tico (H), la magnetizaci´n (M )de e o la materia delsistema y la temperatura (θ).

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En todos esos grupos de variables la unica en com´n es la temperatura. Las ´ u dem´s provienen de ramas de la f´ a ısica ajenas a la Termodin´mica. a

3.

Trabajo magn´tico e

Los campos magn´ticos pueden obrar rec´ e ıprocamente con algunos materiales, haciendo trabajo sobre ellos. Aqu´ consideramos el caso m´s simple, cuando el ı a trabajo magn´ticoes el unico modo reversible posible del trabajo. e ´ En general, una sustancia paramagn´tica, diamagn´tica, o ferromagn´tica puede e e e tener otros modos del trabajo. Por ejemplo, el gas del ox´ ıgeno es paramagn´tico e pero tambi´n es compresible. Una gotita del ox´ e ıgeno l´ ıquido tendr´ una tena si´n superficial, as´ que deformar la gotita es otra forma de trabajo. Pero en o ı la mayor´ de loscasos, los materiales magn´ticos son s´lidos, y razonableıa e o mente incompresibles. En este caso, la unica forma importante de trabajo es trabajo magn´tico, y podemos entonces tratar la sustancia como sustancia e ´ magn´tica simple. Este es el unico caso que consideraremos aqu´ Cuando un e ´ ı. campo magn´tico externo se aplica a una muestra, la respuesta de la muestra e (los dipolos que se danvuelta) modifica el valor local del campo dentro de la muestra.

Figura 1: Sistema a analizar

Imag´ ınese una muestra colocada dentro de un solenoide ajustado al cuerpo y cuya longitud L y secci´n A de la muestra, de forma que el volumen de la muestra o es V = LA. El solenoide se supone formado por n espiras de alambre y tiene una resistencia el´ctrica despreciable. Al conectar el solenoide auna bater´ e ıa, se tiene que realizar un trabajo sobre el sistema formado por el solenoide y la muestra para producir un campo magn´tico. e Sup´ngase que se tiene el sistema muestra m´s bobina en un estado estao a cionario, con una cierta intensidad circulando y con una cierta magnetizacion en la muestra. Mientras no se intente modificar esa magnetizaci´n, no ser´ neceo a

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sario variar...
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