Geomagnetismo

GEOMAGNETISMOEl campo geomagntico medido en cualquier punto sobre la superficie terrestre es una combinacin de varios campos magnticos generados por distintas fuentes. Estos campos se superponen e interactan entre s. Ms del 90% del campo medido es de origen INTERNO, es decir, se origina en el ncleo externo de la Tierra. El campo magntico observado en la Tierra cambia constantemente.

Esta porcin del campo geomagntico se denomina Campo Principal, que vara lentamente en el tiempo y se puede describir por Modelos Matemticos como el Campo de Referencia Geomagntico Internacional o International Geomagnetic Reference Field (IGRF) y el Modelo Magntico Mundial o World Magnetic Model (WMM).Por lo tanto, el campo magntico de la Tierra vara en el espacio y en el tiempo. El eje magntico est inclinado unos 11,5 respecto del geogrfico, y el dipolo o imn magntico realmente no est centrado sino desplazado respecto del eje geogrfico. Pero a diferencia de las coordenadas geogrficas que son fijas, las magnticas se mueven constantemente en espacio y tiempo. Los que estudian paleomagnetismo trazan el camino del polo magntico aparente a travs del tiempo.

COMPONENTES DEL CAMPO MAGNETICO La componente del Campo Principal vara lentamente en el tiempo y se puede describir groseramente como el campo producido por una barra imn con polos norte y sur centrado en el ncleo terrestre, y las lneas del campo magntico se extienden fuera en el espacio. La componente del Campo Principal es modelada por el IGRF y el WMM.

Para estudiar las componentes de la intensidad del campo magntico terrestre se toma como sistema de referencia, en un punto de la superficie de la Tierra, un sistema cartesiano de coordenadas XYZ en la direccin norte-este-nadir, o sistema geogrfico, en el que el norte es el norte geogrfico, o proyeccin sobre el plano horizontal de la direccin del eje de rotacin de la Tierra.

El campo magntico terrestre, se puede aproximar en un 90%, a un dipolo situado en su centro, inclinado 11.5 con respecto a la direccin del eje de rotacin. El polo negativo de este dipolo est en la direccin del polo norte magntico y se le llama polo geomagntico.

La componente horizontal de la intensidad del campo magntico es H, la cual seala al norte magntico y tiene una desviacin "D", con respecto al norte geogrfico, a esta desviacin se le conoce como declinacin magntica. El ngulo formado por la intensidad del campo magntico y la horizontal, es la inclinacin magntica y se representa con la letra "I".

El fenmeno de precesin lunisolar, de 50'',3 por ao, fue descubierto por Hiparco (ao 125 a. de C.) y explicado por primera vez por Newton. Est producido por la accin gravitatoria del Sol y de la Luna que, como consecuencia de la forma geoidal, achatada, del planeta y de la inclinacin de su eje, tiende a producir una basculacin del crculo ecuatorial de modo que pase por el centro de cada uno de los astros perturbadores. La mayor influencia la ejerce la Luna, a causa de su proximidad, an cuando su masa es mucho menor que la del Sol.

El cono de precesin

La precesin planetaria se suma a la precesin lunisolar. Es sta una perturbacin mucho menor, de 0'',12 por ao, originada por la accin gravitacional de los restantes planetas del sistema.DECLINACIN MAGNTICA Es el ngulo agudo entre la direccin de la componente horizontal del campo magntico terrestre y el meridiano geogrfico o geodsico. El meridiano magntico forma en cada punto un ngulo con el meridiano geogrfico llamado declinacin; basta conocerlo para obtener, empleando una brjula, la orientacin de un mapa.

El campo magntico terrestre posee una orientacin ligeramente oblicua. La Declinacin es la diferencia entre el norte magntico y el norte geogrfico un valor que vara de un sitio a otro

Por convencin, la declinacin se considera positiva cuando se mide hacia el este, la inclinacin e intensidad vertical son positivas hacia abajo (hacia dentro de la Tierra), X es positiva hacia el norte e Y positiva hacia el este.

La declinacin es occidental o al oeste ( W )cuando el polo N de la aguja se sita al oeste o izquierda del meridiano geogrfico; en caso contrario es oriental o al este (E). La declinacin magntica experimenta variaciones peridicas y accidentales; las primeras pueden ser diarias, anuales y seculares.

El campo magntico terrestre se atribuye principalmente, a corrientes elctricas en el interior del ncleo metlico lquido. Recibe pequeas contribuciones de las corrientes de la ionosfera en la alta atmsfera y de las corrientes de los cinturones de Van Allen de carga circulando muy fuera en el espacio.

La mayor parte de las tormentas magnticas originadas en gigantescos torbellinos de gases ionizados en el Sol, las manchas solares. Los rayos csmicos, son partculas cargadas son desviados por el campo magntico terrestre, con importante efecto en su distribucin sobre la superficie. Los estudios de rocas magnticas indican que este campo ha invertido sbitamente su direccin muchas veces en el pasado, fenmeno de no verosmil explicacin en el presente.

La variacin secular de la declinacin magntica es un ciclo de 960 aos equivalente a la rotacin del Polo magntico terrestre en torno al Polo Norte geogrfico durante el cual se observa una variacin uniforme de la declinacin magntica. Se define ngulo de inclinacin al formado por la aguja magntica con la horizontal.

Cartas magnticas: Son mapas en los que se unen los puntos de la misma declinacin magntica por medio de lneas llamadas isognicas; las lneas de declinacin cero se llaman agnicas. Las lneas que unen puntos de la misma inclinacin se llaman isoclnicas; la lnea de inclinacin cero es el Ecuador Magntico.

Principios de Magnetismo

Generalidades

Los campos magnticos no son centrales (como la gravedad). No existen monopolos magnticos (siempre hay como mnimo un dipolo).

Lneas de campo para un dipolo (los polos Norte y Sur separados por una distancia) La fuerza es tangencial a las lneas de campo, la intensidad de la fuerza es proporcional a la densidad de lneas.

Cualquier campo magntico requiere del movimiento de una carga elctrica

Un circuito de corriente en forma de anillo es equivalente a un dipolo. El campo magntico H a lo largo del eje de un solenoide con n vueltas por el que circula una corriente I es H=nI.

En imanes permanentes el campo es debido al movimiento de electrones en los tomos constituyentes.

En coordinadas esfricas el campo debido a un dipolo de momento m es:

Hr= 2m cosq/4p3 Hq= m sinq/4p3

B es la intensidad del campo debido a corrientes aisladas (en espacio libre). Tambin se le llama Induccin magntica o Densidad de flujo magntico. Una definicin apropiada es la siguiente: Una corriente elctrica induce una fuerza sobre una carga en movimiento, la fuerza es el producto vectorial de la induccin magntica y la velocidad de la carga (la fuerza de Lorentz). Unidades de B?

tesla (T) = weber*m2=(Newton/Coulomb)/(m/s) = N/(Am) [SI]

gauss (G) = 10-4 T [cgs] Unidades de H?

oersted (Oe) [cgs]

A/m = 4 p * 10-3 oersted [SI]

El Uso del Sistema Internacional (SI) de unidades crea cierta confusin en la conversin de unidades, que generalmente resulta por una terminologa inadecuada. Existe cuatro unidades fundamentales, el campo magntico H, la induccin magntica B, la magnetizacin J (ms correctamente llamada polarizacin magntica), y el momento magntico por unidad de volumen M.

Campo magntico terrestre ~ 0.3-0.6 gauss En Geofsica se usa nanotesla nT (10-9 T) = gamma (10-5 G)

En el sistema cgs B=H+4. En SI B=oH + M, donde o es la permeabilidad en el espacio libre, con un valor de 4 10-7 henry/m.

El Momento de un dipolo (m) se puede definir en funcin de la corriente que circula por un lazo: Momentos Magnticos' son producidos por: 1) rbitas electrnicas y 2) rotacin de los electrones.

Para electrones apareados los momentos magnticos se cancelan La mayora de los materiales tienen pequeos momentos magnticos en presencia de un campo magntico.

En algunos materiales la cancelacin es incompleta el momento magntico es permanente aun en ausencia de un campo.

La magnetizacin de un volumen V est definida como la suma vectorial de los momentos dipolares dividido por el volumen:

M = 1/V * miOtra razn para confusin de unidades:

En cgs J=M=k*H En SI J=oM

Es decir, en cgs los cuatro trminos tienen las mismas unidades; en SI B y J se expresan en tesla mientras que H y M se expresan en A/m. La magnetizacin M es la suma de los 'momentos magnticos' de cada tomo por unidad de volumen. M describe el estado magntico de un material - o sea como responde a un campo magntico. Importante propiedad de materiales en la corteza terrestre. Los materiales adquieren una componente de magnetizacin en la presencia de un campo magntico. Para campos pequeos, del orden del campo terrestre, la magnetizacin inducida es proporcional al campo aplicado:

M=k*Hdonde k es una constante adimensional llamada susceptibilidad magntica. La magnitud de la susceptibilidad difiere por un factor de 4p entre ambos sistemas de unidades. En el caso mas general de un material geolgico la magnetizacin depende de la orientacin del campo y la susceptibilidad es un tensor de tercer order.

entonces: M=kij*H

Tipos de magnetizacinAunque el concepto de susceptibilidad es simple desde el punto de vista de su derivacin matemtica, la magnetizacin mediad es el resultado de la combinacin de propiedades atmicas y macroscpicas.

Materiales Diamagnticos

1. En presencia de un campo magntico la magnetizacin inducida es en sentido opuesto a la direccin del campo. La susceptibilidad es negativa (k 0) entonces son atrados dbilmente por campos intensos. La susceptibilidad k>0, k~10-5 a 10-64. Dependen fuertemente de B y la temperatura T, Ley de Curie's (Pierre no Marie) es M= CB/moT

5. Minerales importantes son arcillas, clorita, anfboles, piroxenos, olivino, micas Materiales Ferromagnticos (sensu lato)1. Momentos magnticos atmicos fcilmente se alinean con B entonces Fuerte magnetizacin espontnea.

2. La descripcin completa requiere un tratamiento de mecnica cuntica, los momentos atmicos de iones vecinos en un slido interactan.

3. Fuerte dependencia con la temperatura, arriba de la temperatura de 'Curie' el material exhibe un comportamiento paramagntico.

4. El material esta dividido en regiones -dominios magnticos- dentro de los cuales los dipolos a nivel atmico estn alineados.5. Exhiben histresis magntica.

i. M no es proporcional a B - alcanza saturacin cuando todos los dominios tienen el mismo alineamiento. (en Fe @ =2.2 T)Irreversible magnetizacin permanente

Existen varias clases de ferromagnetismo, dependiendo en la forma que los momentos atmicos se alinean. Ciertas direcciones o ejes dentro de la red cristalina de un slido ferromagntico emergen como ejes preferenciales donde reside la magnetizacin. Est anisotropa magntica es responsable por el hecho de que la magnetizacin remanente sea estable mientras no haya energa externa aplicada al material.

Materiales Ferromagnticos (sensu strictu)I. No hay minerales, pero Fe, Co, Ni (ocurren naturalmente en meteoritos y en rocas lunares.

II. Los momentos atmicos estn alineados en forma paralela

Materiales Anti-Ferromagnticos1. Los momentos magnticos dentro de la red cristalina estn alineados en forma antiparalela magnetizacin externa es nula o es dbil

2. Defectos en la estructura cristalina - pueden causar que no se cancelen los spins de electrones produce un comportamiento similar al ferromagntico ferromagnetismo parastico

3. El mejor ejemplo es la hematita (a-Fe2O3), la magnetizacin es dbil (2000 A/m), la coercitividad es alta, la temperatura de Curie T ~ 675 C.

Materiales Ferrimagnticos

1. Momentos antiparalelos dentro de la red cristalina pero no iguales ferrimagnetismo, estos materiales son conocidos como ferritas

2. Exhiben histresis y fuerte magnetizacin remanente.

Magnetita (Fe3O4) es el ms importante pero tambin estn maghemita, y greigita.

La magnetizacin medida es la suma de la magnetizacin inducida (a la que contribuyen todos los materiales presentes en una muestra) y la magnetizacin espontnea o magnetizacin remanente (a la que contribuyen los materiales ferromagnticos).

Histresis El ciclo de histresis de materiales ferromagnticos, as como los valores numricos de los parmetros que caracterizan el ciclo de histresis, dependen de la microestructura, principalmente el tamao y la forma del conjunto de granos presentes en la muestra.

Los parmetros que caracterizan el ciclo son: Ms= Magnetizacin de saturacin, Mrs=Magnetizacin remanente de saturacin, Hc=Coercitividad o fuerza coercitiva, y Hcr= coercitividad de la remanencia (el campo que despus de aplicado lleva la remanencia a cero).El origen de dominios magnticos y barreras de energa

Es un concepto bien entendido que las lneas de campo magntico escapan de los polos de un material magnetizado. De hecho, el campo magntico alrededor de una partcula magnetizada es solo parte de la imagen completa, en el interior del grano existe un campo (llamado campo de desmagnetizacin) que depende del arreglo geomtrico de los polos del grano.

3. La energa magnetosttica intrnseca del grano es el trabajo necesario para crear un arreglo particular de polos, conceptualmente descrito como el trabajo para llevar elementos diferenciales de volumen (dv) desde el infinito, hasta su posicin dentro del grano. Esta energa depende de la forma del grano.4. Existe tambin una energa magnetosttica asociada a una partcula magntica debida a la presencia de un campo magntico externo.5. Existe tambin una energa magnetosttica asociada a una partcula magntica debida a la presencia de un campo magntico externo.6. Otra forma de energa que afecta la magnetizacin de un grano es la energa de anisotropa, que tiene un valor mnimo cuando la magnetizacin reside en la direccin de uno de los ejes cristalogrficos de "fcil" magnetizacin.7. Finalmente, el arreglo de momentos magnticos atmicos controla la energa llamada de intercambio, llegando a un valor mnimo cuando los momentos atmicos son co-lineales.Esquemticamente:Dominio sencillo

8. La energa total del grano mostrado en el caso del dominio sencillo es una funcin de los ngulos f y q; por ejemplo, cuando f tiene valores entre +/-90 y q=0, al aumentar el campo Hex, M se desplaza progresivamente hasta que es paraleo a Hex. El grano entonces alcanza saturacin, pero si el campo reduce Ms regresa al eje de "facil" magnetizacin.9. La magnetizacin se puede invertir a la direccin q=180 si se aplica un campo en la direccin f>90 de suficiente intensidad.Dominio Mltiple

10. La energa total del grano mostrado en el caso de dominio mltiple tambin es funcin del campo externo, pero en este caso el interior del grano est subdividido en una estructura que reduce la energa intrnseca magnetosttica.11. Paredes que separan los dominios magnticos juegan un papel importante en minimizar la suma de energas. La posicin y el nmero de paredes se controla dinmicamente por el campo externo.Existen "barreras" que impiden el cambio de la magnetizacin. Energa externa es necesaria para desplazar las barreras de granos de dominio mltiple y para reorientar el alineamiento de momentos magnticos.

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