Por Chris Deziel, actualizado el 24 de marzo de 2022
El magnetismo y la electricidad son fenómenos profundamente entrelazados que a menudo pueden verse como dos caras de la misma moneda. El comportamiento magnético de los metales se origina en la disposición de los electrones en sus capas atómicas.
Cada elemento posee características magnéticas, aunque la mayoría son sutiles y no evidentes. Los metales que atraen imanes comparten un rasgo común:electrones desapareados en sus capas más externas. Esta configuración electrónica es el impulsor clave del magnetismo.
Los metales que pueden magnetizarse permanentemente se denominan ferromagnéticos. . La lista es corta y el término deriva de la palabra latina para hierro, ferrum. .
Por el contrario, paramagnético Los materiales se magnetizan temporalmente cuando se exponen a un campo magnético. La clase incluye no sólo metales sino también moléculas covalentes como oxígeno (O₂) y varios sólidos iónicos.
Todo lo que no sea ferromagnético ni paramagnético es diamagnético. . Las sustancias diamagnéticas presentan una ligera repulsión hacia los campos magnéticos, por lo que un imán convencional no atrae sobre ellas. En realidad, todos los materiales presentan diamagnetismo hasta cierto punto.
Según el modelo atómico aceptado, el núcleo contiene protones cargados positivamente y neutrones eléctricamente neutros, que se mantienen unidos gracias a la fuerza nuclear fuerte. Alrededor del núcleo hay una nube de electrones que ocupan capas o niveles de energía discretos. Estos electrones son responsables de las propiedades magnéticas de un átomo.
Cuando un electrón orbita alrededor del núcleo, produce un campo eléctrico cambiante que, según las ecuaciones de Maxwell, genera un campo magnético. La magnitud del campo es igual al área dentro de la órbita multiplicada por la corriente. Cada electrón aporta una corriente minúscula y el momento magnético resultante se mide en magnetones de Bohr. En un átomo típico, los campos magnéticos de todos los electrones en órbita se cancelan, dejando un momento neto cero.
Más allá del movimiento orbital, los electrones poseen una propiedad intrínseca llamada giro , que es crucial para determinar el comportamiento magnético. El giro no es una rotación clásica sino un momento angular intrínseco. Los electrones con espín “arriba” tienen espín positivo, mientras que aquellos con espín “abajo” tienen espín negativo.
Como el espín tiende a estar desequilibrado, a menudo produce un momento magnético neto en un átomo, mientras que las contribuciones orbitales pueden cancelarse. Por tanto, el espín domina sobre el movimiento orbital a la hora de dar forma a las propiedades magnéticas.
Los electrones ocupan capas en pares de espín ascendente y descendente, lo que normalmente da como resultado un momento magnético neto cero. El más externo o valencia , la capa determina el carácter magnético de un elemento. Un electrón desapareado en esta capa crea un momento magnético neto, lo que hace que el elemento sea magnético; Los electrones de valencia completamente emparejados provocan diamagnetismo.
Esta regla se aplica a la mayoría de los elementos, aunque ciertos metales de transición como el hierro (Fe) tienen electrones de valencia que pueden residir en capas de menor energía.
Como cada bucle de electrones genera un campo magnético, todos los materiales presentan diamagnetismo. Cuando se aplica un campo magnético externo, las corrientes inducidas se oponen al campo, una consecuencia de la Ley de Lenz. Esta débil repulsión está presente en todas las sustancias, pero a menudo es demasiado leve para detectarla sin un equipo sensible.
El momento magnético total, J , es igual a la suma del momento angular orbital y de espín. Cuando J =0, el átomo es no magnético; cuando J ≠0, es magnético y requiere al menos un electrón desapareado.
Ejemplos de metales diamagnéticos incluyen:
En un campo magnético fuerte, un objeto diamagnético como una barra de oro se orientará perpendicular a las líneas del campo, demostrando su sutil resistencia.
Los metales con al menos un electrón desapareado en su capa exterior son paramagnéticos. Se alinean con un campo magnético externo, pero pierden esta alineación una vez que se elimina el campo. Los metales paramagnéticos comunes incluyen:
Aunque no son atraídos por un imán permanente, sus momentos magnéticos inducidos pueden detectarse con instrumentos sensibles.
El paramagnetismo no es exclusivo de los metales. Moléculas como el O₂ lo exhiben, mientras que los no metales como el calcio también son paramagnéticos. Una demostración clásica consiste en colocar oxígeno líquido entre los polos de un potente electroimán; el oxígeno sube por los polos y se vaporiza, formando una nube de gas visible. El mismo experimento con nitrógeno líquido, que es diamagnético, no muestra ningún movimiento.
Los elementos ferromagnéticos se magnetizan en un campo externo y luego retienen esa magnetización. La clave es la presencia de múltiples electrones desapareados y la formación de dominios magnéticos. Cuando se aplica un campo magnético, los dominios se alinean y la alineación persiste incluso después de que se elimina el campo, un fenómeno conocido como histéresis, que puede durar años.
Los elementos ferromagnéticos incluyen:
Los imanes permanentes de alto rendimiento suelen ser imanes de tierras raras. Los imanes de neodimio (NdFeB) y los imanes de samario-cobalto (SmCo) combinan un núcleo ferromagnético con un elemento paramagnético de tierras raras. Los imanes de ferrita (óxido de hierro) y álnico (AlNiCo) también son ferromagnéticos, pero generalmente más débiles.
Cada material magnético tiene una temperatura característica, el punto Curie , por encima del cual colapsa su orden magnético. Para el hierro, el punto Curie es 1418°F (770°C); para el cobalto, es 2050 °F (1121 °C). Por encima de estas temperaturas, el material se vuelve paramagnético o diamagnético. El enfriamiento por debajo del punto Curie restablece el ferromagnetismo.
La magnetita (Fe₃O₄) a menudo se describe como ferromagnética pero, de hecho, es ferrimagnética. Su estructura cristalina contiene dos redes interpenetrantes (octaédrica y tetraédrica) con momentos magnéticos opuestos pero desiguales, lo que da como resultado un momento magnético neto. Otros materiales ferrimagnéticos incluyen el granate de itrio y hierro y la pirrotita.
Por debajo de la temperatura Néel de un material , ciertos metales, aleaciones y sólidos iónicos pasan de paramagnéticos a antiferromagnéticos, perdiendo su respuesta a los campos magnéticos externos. En el antiferromagnetismo, los espines vecinos se alinean de forma antiparalela, anulándose entre sí.
Las temperaturas de Néel pueden ser extremadamente bajas (≈–150 °C) o cercanas a la temperatura ambiente, según el compuesto. Sólo unos pocos elementos, como el cromo y el manganeso, presentan antiferromagnetismo. Los compuestos antiferromagnéticos notables incluyen óxido de manganeso (MnO), algunas formas de óxido de hierro (Fe₂O₃) y ferrita de bismuto (BiFeO₃).
A medida que aumenta la temperatura, el orden antiferromagnético se debilita, alcanzando una respuesta paramagnética máxima a la temperatura de Néel antes de que la agitación térmica disminuya la alineación.
Si bien la mayoría de los metales cotidianos son ferromagnéticos o paramagnéticos, comprender estas clasificaciones magnéticas revela por qué ciertos metales no se ven afectados por los imanes convencionales.
