Propiedades magnéticas de la materia

Propiedades magnéticas de la materia
Podemos clasificar todas las sustancias, de acuerdo con su comportamiento al ser sometidas a
la acción de un campo magnético, en una de estas tres categorías:
a) sustancias paramagnéticas, débilmente atraídas hacia la zona de campo más intenso;
b) sustancias diamagnéticas, débilmente repelidas hacia las regiones de menor campo;
c) sustancias ferromagnéticas fuertemente atraídas hacia la zona de campo más intenso
con fuerzas entre 103 y 106 veces más intensas que las paramagnéticas.
Si el campo externo es el creado en el interior de un solenoide, de valor B0 = µo n I, al situar
dentro del solenoide una sustancia, el campo pasará a tener un valor B = µ n I, donde µ es la
permeabilidad magnética de la sustancia.
La permeabilidad de cualquier medio puede expresarse como µ = µr µo , donde µr es la
permeabilidad relativa. Usualmente se escribe µr = 1 + χm , donde χm es la susceptibilidad
magnética, una magnitud importante para caracterizar el comportamiento magnético de las
sustancias.
Las sustancias diamagnéticas reaccionan al campo externo magnetizante Bo creando en su
interior un campo magnético Bm opuesto a Bo de forma que el campo total B en el interior
de la sustancia es
B = Bo + Bm
y
B < Bm
mientras que para las paramagnéticas el campo Bm es del mismo sentido que Bo
B = Bo + Bm
y
B > Bm
Esta relación se puede escribir en función de la susceptibilidad magnética en la forma
B = µ o (1 + χ m ) H = µ ⋅ H , con µ = µ o (1 + χ m )
donde H es el llamado vector intensidad magnética o de campo magnético, relacionado con
los campos Bo y Bm en la forma Bo = µ o H , Bm = µ o χ m H
Para las sustancias diamagnéticas χm < 0, χ m << 1, para las paramagnéticas 0<χm << 1, y
para las ferromagnéticas χm>> 1.
Los átomos de las sustancias diamagnéticas poseen, por lo general (pero no siempre), un
número par de electrones y su estructura electrónica es de gran simetría.
Los átomos dc las sustancias paramagnéticas poseen por lo general (pero no siempre), un
número impar de electrones y una estructura electrónica asimétrica.
Una sustancia resulta ser paramagnética si su paramagnetismo es superior a su
diamagnetismo.
Diamagnetismo y paramagnetismo
La explicación correcta del diamagnetismo. paramagnetismo y ferromagnetismo exige la
mecánica cuántica.
Las sustancias diamagnéticas están formadas por
átomos, iones o moléculas cuyos momentos
magnéticos totales (suma de los momentos
magnéticos asociados al movimiento de sus cargas
y a sus spines) son nulos. Al aplicarles un campo
magnético externo Bo , se producen en cada uno de estos
agregados corrientes inducidas, justificables mediante la ley de
Faraday-Lenz. y se origina un campo Bm que se opone a Bo . El
diamagnetismo depende muy poco de la temperatura.
Las sustancias paramagnéticas están constituidas por átomos, iones o moléculas que tienen
momento magnético total no nulo. Al aplicar el campo
externo, magnetizante, se produce además del
correspondiente efecto diamagnético, que es universal y lo
sufren todas las sustancias. un efecto paramagnético
consistente en que los momento magnéticos se orientan en
la dirección del campo externo, con lo que el campo
magnético total en su interior aumenta.
La orientación se ve obstaculizada con el movimiento caótico asociado con la temperatura y
que tiende a destruir el orden. Por esto el paramagnetismo depende de la temperatura: a
mayor temperatura menor paramagnetismo.
Ferromagnetismo
Sustancias ferromagnéticas como el Fe, Co, Ni son fuertemente atraídas al ser sometidas a la
acción de un campo magnético. Estas sustancias son capaces de producir imanes
permanentes, ya que su estado de magnetización perdura cuando el campo externo ha
desaparecido.
El ferromagnetismo es consecuencia de las características de la estructura cortical de los
átomos y de su organización dentro del cristal metálico.
Si analizamos la estructura de un imán permanente
veremos que está formado por diminutas regiones,
llamadas dominios magnéticos, cada una de las
cuales se comporta, a su vez, como un imán.
Se cree que el ferromagnetismo se debe al campo magnético asociado con el spin. Aunque en
la mayor parte de los materiales estos campos se anulan mutuamente, en las sustancias
ferromagnéticas se produce una alineación de los spines de los electrones de los átomos
próximos debido a fuerzas, cuya explicación cae en el ámbito de la mecánica cuántica. que
tienden a alinear los campos magnéticos de los electrones de los átomos de un mismo
dominio.
Cuando se hace incidir un campo magnético sobre una sustancia
ferromagnética se produce un desplazamiento de las paredes de los
dominios de modo que aumenta el volumen de aquellos cuyo
momento magnético está orientado a favor del campo y disminuye
el de los demás. Si el campo externo es lo suficientemente intenso
se puede producir, incluso, un giro brusco de los momentos
magnéticos de los dominios en la dirección del campo, lo que
aumenta la magnetización del material.
El imán puede mantener durante mucho tiempo esta orientación de
sus dominios, aún si desaparece el campo externo. Sin embargo, si
se destruye la orientación privilegiada, por ejemplo golpeando o
calentando al imán, desaparece su magnetización al volver a las
orientaciones aleatorias de los momentos magnéticos de los
dominios.
La temperatura a partir de la cual un material ferromagnético se convierte en paramagnético
se llama temperatura de Curie; para el Fe es de 1.043 K.