Paramagnetismo: concepto, características, aplicaciones, ejemplos
¿Qué es el paramagnetismo?
El paramagnetismo es la atracción que experimentan algunos materiales ante la presencia de un campo magnético externo. Las sustancias paramagnéticas son débilmente atraídas hacia las regiones donde dicho campo es más intenso.
El origen del paramagnetismo es el movimiento de los electrones en el átomo, ya que cualquier carga eléctrica en movimiento se comporta como una minúscula espira de corriente, generando su propio campo magnético.
El magnetismo del electrón y del átomo se caracteriza a través de la magnitud vectorial llamada momento magnético. Los átomos de los materiales paramagnéticos poseen momentos magnéticos netos, ya que tienen electrones desapareados, es decir, electrones solitarios en un orbital y cuyo momento magnético neto no es anulado por otro.
Estos es lo que ocurre en el aluminio, una sustancia paramagnética cuyo orbital 3p contiene un único electrón que le da al átomo su momento magnético neto. El hierro, en cambio, cuya respuesta magnética es aún más intensa, tiene 4 electrones desapareados en su último nivel.
Antes de aplicar el campo externo, los momentos magnéticos de un material se orientan al azar y así su magnetización, que es el momento magnético neto por unidad de volumen, es nula. Pero una vez aplicado el campo externo los momentos magnéticos tienden a orientarse en la misma dirección del campo, aunque la agitación térmica de los átomos se opone, impidiendo una alineación completa.
Cuando el material se retira del campo externo o este desaparece, los momentos magnéticos de una sustancia paramagnética regresan al estado inicial de desorden. Pero mientras permanecen alineados, la sustancia se comporta como un débil imán.
Características del paramagnetismo
Los materiales paramagnéticos se caracterizan por presentar:
1.- Capa electrónica más externa parcialmente llena.
2.- Momentos magnéticos netos permanentes, debido a la presencia de electrones desapareados, cuyo momento magnético no se cancela con el de otro electrón.
3.- Momentos magnéticos orientados al azar en ausencia de un campo magnético externo.
4.- Magnetización neta en presencia de un campo externo, la cual desaparece en cuanto se suprime el campo. Sucede que la alineación con el campo externo favorece el estado de mínima energía de los electrones.
5.- Susceptibilidad magnética positiva y pequeña: entre 10−6 y 10−2. La susceptibilidad magnética es el indicador adimensional de la facilidad de la sustancia para magnetizarse en presencia de un campo externo.
6.- Disminución de la magnetización con la temperatura. En efecto, los materiales paramagnéticos obedecen la ley de Curie:
Aplicaciones del paramagnetismo
Resonancia paramagnética electrónica
Esta técnica detecta especies paramagnéticas al aplicar un campo magnético externo a las moléculas de un sólido paramagnético, de esta manera se inducen ciertos cambios en los estados de espín, llamados transiciones.
Aplicando posteriormente energía electromagnética en el rango de microondas, se logra producir un espectro de absorción particular, llamado resonancia de espín electrónico.
Este espectro permite estudiar moléculas de origen orgánico, tales como los radicales libres provenientes de la interacción entre la materia orgánica y la radiación ionizante, ofreciendo, entre otras cosas, información valiosa acerca de los daños que produce dicha radiación en los tejidos biológicos.
También se pueden analizar muestras inorgánicas a través de los iones de metales de transición.
Refrigeración magnética
Una aplicación muy interesante de ciertas sales paramagnéticas, como el nitrato de magnesio, el sulfato de hierro-amonio y el sulfato de hierro-potasio, está en el área de las bajas temperaturas.
Al aplicar un campo magnético externo variable, la temperatura de estas sales puede variar, fenómeno conocido como efecto magnetocalórico, observado por vez primera a fines del siglo XIX en el hierro metálico. De esta manera se pueden lograr temperaturas del orden de 0.01 K.
Datación de muestras
En esta aplicación se utilizan los principios de la Resonancia Paramagnética Electrónica para estudiar los materiales expuestos a las radiaciones ionizantes. Cuando un objeto recibe radiación ionizante, que puede provenir de minerales radiactivos de la corteza terrestre, queda una huella, consistente en cargas eléctricas atrapadas en los defectos de la estructura cristalina del material.
Esta huella se llama centro paramagnético y es detectable a través de las técnicas de la Resonancia Paramagnética Electrónica.
Es posible ofrecer una datación de las mismas sabiendo que el valor de las cargas eléctricas en los centros paramagnéticos depende, tanto del tiempo que la muestra estuvo expuesta a la radiactividad como de la dosis (energía por unidad de masa recibida).
De esta manera se pueden datar muestras más antiguas de lo que permite el método del radiocarbono, por ejemplo, dientes de esqueletos de la era cuaternaria, que contienen minerales sensibles a la radiación.
Sensores paramagnéticos de oxígeno
Se utilizan para detectar la cantidad de oxígeno en una muestra, ya que el oxígeno es paramagnético, es decir, es atraído por el campo magnético de un imán.
El sensor consta de un imán que actúa como fuente del campo magnético, dos esferas llenas de nitrógeno (un material no paramagnético) colocadas sobre un soporte giratorio entre los polos del imán y un espejo en medio del soporte.
Sobre el espejo se hace incidir un haz de luz, el cual se refleja hacia unas celdas fotoeléctricas. Una vez que el oxígeno es atraído hasta los polos del imán, se produce un torque que hace girar el sistema de esferas con nitrógeno.
Gracias al espejo, este movimiento es detectado por las celdas fotoeléctricas, las cuales emiten de inmediato una señal hacia un sistema que genera la corriente eléctrica necesaria para contrarrestar el giro. Esta corriente es proporcional a la cantidad de oxígeno presente y se mide con facilidad usando un amperímetro.
Pintura paramagnética para automóviles
Esta pintura para automóviles hace que el auto cambie de color con solo presionar un botón, gracias a un polímero especial que contiene un óxido de hierro paramagnético.
Aplicando una corriente eléctrica, las partículas paramagnéticas se alinean ante el campo de una determinada manera, afectando la forma en que el polímero absorbe y refleja la luz, produciendo cambios en el color.
Eso sí, para que el color cambie el automóvil debe estar encendido. Cuando el motor está apagado, su color de base suele ser el blanco.
Ejemplos de materiales paramagnéticos
Los siguientes materiales presentan un comportamiento paramagnético:
Oxígeno (gaseoso y líquido)
El oxígeno es gaseoso a temperatura ambiente y uno de los principales componentes de la atmósfera. Una experiencia sencilla en el laboratorio muestra que el oxígeno líquido que se vierte entre los polos de un imán se acumula en estos.
Sulfato cúprico
Este compuesto tiene aplicaciones agrícolas, como fungicida, para eliminar plagas que afectan a los cultivos y como alguicida. Un imán atrae fácilmente una muestra de este compuesto.
Aluminio
El aluminio es un metal ligero, resistente y económico con multitud de aplicaciones. Forma parte de vehículos, aviones, utensilios del hogar y es muy empleado en la construcción. Una bolita hecha de papel de aluminio también es atraída por un imán.
Hidrógeno
El hidrógeno atómico es el elemento más simple y abundante en el universo, y es paramagnético a causa del momento magnético neto de su único electrón.
Acero austenítico
Uno de los aceros inoxidables más empleado es el acero inoxidable austenítico (que contiene austenita, un compuesto de hierro y carbono), con débiles propiedades paramagnéticas.
Referencias
- Apuntes de Electromedicina. Sensores: análisis de oxígeno paramagnético. Recuperado de: pardell.es.
- CENAM. Medición de susceptibilidad magnética. Recuperado de: cenam.mx.
- Curso de Fundamentos de Ciencia de los Materiales. Recuperado de: upv.es.
- Jefferson Lab. Liquid Nitrogen vs. Liquid Oxygen: Magnetism. Recuperado de: youtube.com.
- Propiedades magnéticas de los materiales. Recuperado de: e-ducativa.catedu.es.
- Requena, A. Ciencia y técnica en la antigüedad: paleodosimetría de espín electrónico. Recuperado de: um.es.
- Tormetal. El magnetismo y el acero inoxidable. Recuperado de: tormetal.com.
- Smith, W. 1998. Fundamentos de Ingeniería de los Materiales. McGraw Hill.