Propiedades magnéticas de los materiales (con ejemplos)
¿Qué son las propiedades magnéticas de los materiales?
Las propiedades magnéticas de los materiales son las manifestaciones que estos exhiben ante la presencia de campos magnéticos externos, y también al hecho de que existen elementos y compuestos que espontáneamente producen estos campos.
Ejemplos de materiales con notables propiedades magnéticas son el hierro, el cobalto y el níquel, además de algunos óxidos de hierro como la magnetita y la maghemita, óxidos de cromo, óxidos de níquel y aleaciones como el alnico (aluminio, níquel y cobalto).
Su magnetismo se manifiesta a través de la atracción que ejercen las barras fabricadas con estos materiales sobre limaduras de hierro, clips metálicos, monedas y otros pequeños objetos de metal.
Si se colocan limaduras de hierro sobre una hoja de papel y se pasa un imán de barra por debajo, enseguida se observa que las limaduras se organizan en un patrón de líneas curvas y cerradas, que salen de un extremo de la barra y terminan en el otro.
Este es el patrón del campo magnético que el imán produce y se forma gracias a la respuesta de las limaduras. Una vez retirado el imán, las limaduras se desorganizan de nuevo fácilmente.
El origen del magnetismo en la materia es el movimiento de los electrones en el interior del átomo. Los electrones tienen un movimiento impulsado por la atracción electrostática que ejerce el núcleo sobre ellos y además, poseen espín, una cualidad enteramente cuántica, análoga al giro del electrón alrededor de su propio eje.
Como resultado, el electrón se comporta como una minúscula espira de corriente que produce su propio campo magnético.
Respuesta magnética
Todas las sustancias indistintamente, responden ante un campo magnético externo. Se debe a que, en un átomo cualquiera, el movimiento orbital de los electrones crea un vector llamado momento magnético orbital, y el espín crea el momento magnético de espín.
Entre ambos generan el momento magnético del electrón y este a su vez contribuye al momento magnético neto del átomo.
Por cierto que los protones, que al igual que los electrones, son partículas cargadas en movimiento, realizan una contribución muy pequeña al momento magnético neto del átomo. De manera que puede considerarse que el momento magnético atómico depende casi enteramente de sus electrones.
En la mayor parte de los materiales, los momentos magnéticos se distribuyen al azar, resultando un momento magnético neto atómico 0. Pero en los materiales que son capaces de producir su propio campo magnético, los momentos se encuentran mucho más organizados, no se cancelan y generan un momento magnético neto no nulo.
Ahora supóngase que un material se coloca en presencia de un campo magnético externo, que podría alinear los momentos magnéticos desordenados en el material, y crear un momento magnético neto distinto de 0. Esto provocaría una respuesta magnética de la sustancia en cuestión.
Hay tres clases de respuestas:
- Diamagnetismo
- Paramagnetismo
- Ferromagnetismo
Susceptibilidad magnética
Para caracterizar a cada una de estas respuestas, existe una cantidad física sin dimensiones llamada la susceptibilidad magnética. Su valor informa acerca del grado de magnetización que la sustancia es capaz de mostrar en presencia del campo magnético externo.
Si M es el vector de magnetización creado por el vector momento magnético neto por unidad de volumen dentro del material, H el campo magnético externo y χ la susceptibilidad magnética, se tiene que, para muchas sustancias:
M = χ∙H
Es decir, la magnetización creada en el material es directamente proporcional al campo externo aplicado.
Principales propiedades magnéticas de los materiales
1. Diamagnetismo
Todos los materiales sin excepción, presentan respuesta diamagnética, que siempre es repulsiva ante el campo magnético externo. Si este es el único efecto que el campo externo tiene sobre material, este se considera diamagnético.
La repulsión se origina en la ley de Faraday-Lenz, ya que el campo externo induce una corriente en el material que siempre se opone a la causa que la provoca.
Los materiales con la respuesta diamagnética más acentuada son el bismuto y el antimonio. El diamagnetismo también se puede observar con la madera, el agua, la sal, en metales como oro, plata y cobre y en algunos gases como el helio.
La susceptibilidad magnética de estos materiales siempre es negativa, por ejemplo, la del bismuto es -16.6 (sin unidades, ya que carece de dimensiones).
2. Paramagnetismo
Hay átomos con un momento magnético neto de poca magnitud. Cuando son expuestos ante un campo magnético externo, este ejerce un torque que tiende a alinear los momentos magnéticos individuales con dicho campo.
La respuesta del material ante el campo es de atracción, generándose un vector de magnetización M neto en su interior. Por ello la susceptibilidad magnética de un material paramagnético siempre es positiva.
Al calentar el material, la alineación de la magnetización adquirida con el campo externo es contrarrestada por la agitación térmica, que tiende a destruirla.
Experimentalmente se conoce que la susceptibilidad magnética χ de los materiales paramagnéticos depende de la temperatura T como:
Ejemplos de materiales paramagnéticos son: el uranio, el platino, el aluminio, el sodio, el sulfato de cobre y las tierras raras.
3. Ferromagnetismo
En los materiales ferromagnéticos, como hierro, níquel, cobalto y aleaciones, los momentos magnéticos de cada átomo tienden a alinearse mucho más, formando micro regiones llamadas dominios magnéticos.
Los dominios se orientan al azar cuando el material no está magnetizado, tal como un clavo de hierro, haciendo que la energía potencial dentro del material sea mínima.
Pero al aplicar un campo magnético externo, los límites de los dominios se modifican, ganando tamaño aquellos que logran alinearse con el campo externo. Si este es lo suficientemente intenso, todos los dominios adquieren su misma dirección y el material se magnetiza en ella.
Objetos de hierro, níquel o cobalto, con elevada susceptibilidad magnética, pueden adquirir una intensa magnetización al ser sometidos a la influencia de un fuerte campo externo, y retenerla en buena parte cuando se suprime el campo. De esta manera se pueden fabricar imanes permanentes.
Al igual que sucede con los materiales paramagnéticos, el ferromagnetismo disminuye con la temperatura, desapareciendo a una temperatura crítica llamada temperatura de Curie.
Otra manera de debilitar la magnetización es dejando caer el imán o golpeándolo, ya que los impactos tienden a deshacer los dominios magnéticos.
Ferrimagnetismo
En los materiales ferrimagnéticos también existe un ordenamiento en los momentos magnéticos individuales de cada átomo. Todos están alineados en la misma dirección, pero alternando el sentido, lo que significa que algunos pueden cancelarse, pero no todos, por lo que el resultado es una magnetización neta en el material.
Un ejemplo de material ferrimagnético es la maghemita, un óxido de hierro que bajo ciertas condiciones se forma a partir de la magnetita y exhibe un fuerte magnetismo.
4. Antiferromagnetismo
Otra manera en que los momentos magnéticos se ordenan es de forma antiparalela, es decir, alternando sus sentidos, como en el óxido de manganeso, por ello no responden de la misma forma ante los campos externos que los materiales ferromagnéticos.