La generación de campos magnéticos se puede dividir en dos aspectos principales: uno se basa en el movimiento de la corriente eléctrica (inducción electromagnética) y el otro en el espín de las partículas fundamentales que componen la materia. El primero es el efecto magnético de la corriente eléctrica, con el que estamos más familiarizados; cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor, el movimiento direccional de los electrones libres genera un campo magnético. El segundo es el campo magnético generado por la propia materia, que es el tema principal que abordaremos hoy.
Todo en el mundo posee magnetismo. Desde las pequeñas mesas y sillas que nos rodean hasta los planetas y el sol en el universo, todo posee magnetismo, independientemente de su estado (cristalino, amorfo, líquido o gaseoso), temperatura o presión. La diferencia radica en la intensidad del magnetismo: algunas sustancias tienen un magnetismo fuerte, mientras que otras tienen un magnetismo débil. Se puede decir que no existe sustancia sin magnetismo.
La materia se puede clasificar en cinco categorías según sus propiedades en un campo magnético externo: paramagnética, diamagnética, ferromagnética, ferromagnética y antiferromagnética. ¿Qué hace que la materia posea magnetismo? ¿Y qué hace que las diferentes sustancias tengan estas diferentes propiedades? Esto requiere comenzar con la base de la materia: el átomo.
La materia está compuesta de átomos, y estos a su vez están compuestos de un núcleo y electrones. En un átomo, los electrones poseen un momento magnético orbital debido a su movimiento orbital alrededor del núcleo; también poseen un momento magnético de espín debido a su espín. El momento magnético de un átomo se origina principalmente en los momentos magnéticos orbital y de espín de los electrones, que son la fuente del magnetismo en toda la materia. (El momento magnético del núcleo atómico es solo 1/1836,5 del momento magnético del electrón; por lo tanto, el momento magnético nuclear generalmente se ignora).
Momento magnético de un solo átomo aislado
Un momento magnético es un vector direccional. Los electrones en un átomo tienen dos orientaciones de espín: arriba y abajo. En la mayoría de las sustancias, el número de electrones con espín arriba y abajo es igual, y sus momentos magnéticos se cancelan mutuamente, lo que resulta en la ausencia de magnetismo externo para el átomo. Solo en unas pocas sustancias, el número de electrones en diferentes direcciones de espín dentro del átomo se cancela. En este caso, después de que los momentos magnéticos de los electrones con espines opuestos se cancelen mutuamente, los momentos magnéticos de espín restantes de algunos electrones también se cancelan, lo que resulta en un momento magnético total para todo el átomo. El momento magnético de un solo átomo depende de su estructura atómica, específicamente de la disposición y el número de electrones. Los átomos de todos los elementos de la tabla periódica tienen sus propios momentos magnéticos.
Momento magnético de los átomos en los cristales
La discusión anterior se refiere al momento magnético de un solo átomo. Sin embargo, en cristales sólidos o sólidos amorfos, los átomos se ubican en nodos cristalinos. Estos átomos están influenciados por el campo eléctrico nuclear y el campo electrostático de los átomos vecinos. Por lo tanto, el momento magnético de los átomos en los cristales difiere del de un solo átomo aislado. Por ejemplo, el hierro, el cobalto y el níquel se denominan metales de transición 3D. En los cristales, algunos electrones de ciertos átomos se convierten en electrones compartidos de átomos vecinos, modificando la estructura electrónica de los átomos. Algunos momentos magnéticos orbitales se congelan, dejando solo el momento magnético de espín para contribuir al momento magnético atómico en el cristal. Esto resulta en una diferencia entre el momento magnético real de los átomos en el cristal y el valor teórico.
Momento magnético de la materia macroscópica
Como sabemos por el contenido anterior, todo en el universo posee magnetismo, originado principalmente por el magnetismo atómico. Debido a que los diferentes átomos tienen diferentes momentos magnéticos, se producen interacciones entre los momentos magnéticos atómicos en la materia macroscópica. La disposición de los momentos magnéticos atómicos a temperatura ambiente difiere. Con base en las propiedades magnéticas de la materia macroscópica, la clasificamos en materiales paramagnéticos, diamagnéticos, ferromagnéticos, ferromagnéticos y antiferromagnéticos. Estas características incluyen las tres siguientes:
1. Magnetización M
El magnetismo macroscópico de una sustancia se debe a los momentos magnéticos de sus átomos o moléculas constituyentes. El momento magnético total por unidad de volumen de un material se denomina magnetización, denotada por M, con unidades de A/m.
1. Sea V el volumen de una sustancia y tenga n átomos. El momento magnético de cada átomo es μJ. Entonces, M = μJ1 + μJ2 + … + μJn, o M = ΣμJ/v.
2. Curva de magnetización (curva M~H)
Cuando el campo magnético externo es cero, los momentos magnéticos atómicos pueden estar dispuestos aleatoriamente. Sin embargo, cuando se aplica un campo magnético externo distinto de cero, bajo la influencia del campo, cada momento magnético atómico se alinea con la dirección del campo magnético. En este momento, la magnetización M de la sustancia cambia. La curva que muestra la relación entre la magnetización M y el campo magnético externo H se denomina curva de magnetización, abreviada como curva de magnetización M~H. Cada sustancia tiene una curva de magnetización diferente.
3. Susceptibilidad magnética χ
En la curva de magnetización M~H, la relación entre M y H en cualquier punto se denomina susceptibilidad magnética, representada por χ. χ = M/H, donde la unidad de M es A/m y la de H también es A/m. Por lo tanto, se trata de una susceptibilidad magnética relativa y no tiene unidad.
Utilizamos la magnitud y la disposición de los momentos magnéticos atómicos, la forma de la curva de magnetización M~H y parámetros como la susceptibilidad magnética para describir el magnetismo de las sustancias y clasificarlas.
Sustancias paramagnéticas
Estas sustancias pueden magnetizarse en la dirección de un campo magnético al acercarse a él, pero la magnetización es muy débil y solo puede medirse con instrumentos precisos. Si se elimina el campo magnético externo, el campo magnético interno también se anula, lo que resulta en la ausencia de magnetismo. Algunos ejemplos son el aluminio y el oxígeno.
Cada átomo de una sustancia paramagnética posee un momento magnético, lo que le confiere un momento magnético atómico intrínseco. En las sustancias paramagnéticas, no hay interacción entre átomos adyacentes; por lo tanto, a temperatura ambiente, los momentos magnéticos atómicos se disponen aleatoriamente, y el valor de proyección del momento magnético atómico μJ en cualquier dirección es cero. Cuando se aplica un campo magnético externo H, los momentos magnéticos atómicos de estas sustancias solo pueden rotar un ángulo muy pequeño a lo largo de la dirección del campo magnético externo, y su magnetización aumenta lentamente con el aumento de este. Su susceptibilidad magnética χ > 0, y su valor generalmente oscila entre 10⁻⁵ y 10⁻³.
Para garantizar que los momentos magnéticos atómicos de un material paramagnético se alineen perfectamente con la dirección de un campo magnético externo, una estimación aproximada sugiere que se requiere una intensidad de campo magnético externo de 10⁹ a 10¹⁰ A/m, lo que actualmente es difícil de lograr con campos magnéticos artificiales.
Materiales diamagnéticos
Son materiales con susceptibilidad magnética negativa, lo que significa que, tras la magnetización, la dirección del campo magnético es opuesta a la del campo magnético externo. Todos los compuestos orgánicos presentan diamagnetismo; el grafito, el plomo y el agua son ejemplos de materiales diamagnéticos.
En los materiales diamagnéticos, las proyecciones de los momentos magnéticos orbitales atómicos y de espín sobre el campo magnético son cero, lo que significa que no tienen momento magnético atómico neto. Sin embargo, bajo la influencia de un campo magnético externo, los orbitales electrónicos generan un momento magnético adicional inducido, el cual es opuesto a la dirección del campo magnético externo, presentando así magnetismo negativo. La intensidad de magnetización de los materiales diamagnéticos es negativa, opuesta al campo magnético externo, y su valor absoluto aumenta linealmente con el aumento del campo magnético externo.
materiales ferromagnéticos
Se trata de materiales que, una vez magnetizados por un campo magnético externo, conservan su magnetización incluso después de que este desaparezca. Hasta la fecha, se han descubierto 83 elementos metálicos, cuatro de los cuales son ferromagnéticos por encima de la temperatura ambiente: hierro, cobalto, níquel y gadolinio. A temperaturas extremadamente bajas, otros cinco elementos pueden transformarse en ferromagnéticos: terbio, disprosio, holmio, erbio y tulio.
En los materiales ferromagnéticos, los átomos poseen momentos magnéticos atómicos inherentes. Algunos electrones se comparten, y los momentos magnéticos de espín de los átomos adyacentes se alinean paralelamente (también conocido como magnetización espontánea). La curva de magnetización MH de los materiales ferromagnéticos no es lineal, y la susceptibilidad magnética χ varía con el campo magnético. La susceptibilidad magnética χ de los materiales ferromagnéticos es muy alta, alcanzando valores de entre 10⁵ y 10⁷.
materiales antiferromagnéticos
Estos no producen un campo magnético. Son relativamente poco comunes, y constantemente se descubren nuevos materiales antiferromagnéticos. La mayoría de los materiales antiferromagnéticos existen solo a bajas temperaturas; por encima de cierta temperatura, suelen volverse paramagnéticos. Por ejemplo, el cromo y el manganeso son antiferromagnéticos.
En los materiales antiferromagnéticos, los átomos también poseen momentos magnéticos atómicos inherentes. Algunos electrones son compartidos, pero los momentos magnéticos atómicos adyacentes están alineados en direcciones opuestas (también conocido como orden antiferromagnético). La curva de magnetización M~H de los materiales ferromagnéticos es lineal, con una susceptibilidad magnética χ>0, y su valor es de aproximadamente 10⁻⁴ a 10⁻⁵, que es muy pequeño y constante. Esto significa que cuando un material antiferromagnético se magnetiza en un campo magnético externo, sus momentos magnéticos atómicos cambian muy poco con el campo magnético externo, similar a los materiales paramagnéticos, que pertenecen al magnetismo débil. La susceptibilidad magnética χ de los materiales antiferromagnéticos varía con la temperatura, como se muestra en la figura a continuación; Tn se denomina temperatura de Niehr.
Materiales ferromagnéticos
El magnetismo macroscópico es similar al ferromagnetismo, solo que la susceptibilidad magnética es menor (la susceptibilidad magnética χ es de 10² a 10⁵). Entre los materiales ferromagnéticos típicos se encuentran las ferritas. Su principal diferencia con los materiales ferromagnéticos reside en su estructura magnética interna (disposición del momento magnético).
Imagen: Los momentos magnéticos atómicos de los materiales subferromagnéticos no son cero. Existe una interacción de intercambio indirecto, o interacción de intercambio RKKY, entre momentos magnéticos atómicos adyacentes, lo que provoca que los momentos magnéticos atómicos de las subredes adyacentes se alineen en orden antiparalelo. Sin embargo, las magnitudes de los momentos magnéticos atómicos de las subredes adyacentes difieren. Este fenómeno también se denomina ordenamiento subferromagnético o magnetización espontánea subferromagnética. La curva de magnetización M~H de los materiales subferromagnéticos es no lineal, similar a la de los materiales ferromagnéticos, solo que con una susceptibilidad magnética ligeramente menor, pero aun así pertenece al magnetismo fuerte.