Diamagnetismo, paramagnetismo y ferromagnetismo

Diagrama para diferenciar entre ferro-, para- y diamagnetismo

El siguiente diagrama permite determinar rápidamente si un material es ferromagnético, paramagnético o diamagnético.

Diamagnetismo, paramagnetismo y ferromagnetismo: formas de magnetización

Si un material se expone a un campo magnético externo, el material se magnetiza. La dirección y la fuerza de esta magnetización se basan en las propiedades intrínsecas del material y se caracterizan con los términos «diamagnetismo», «paramagnetismo» y «ferromagnetismo». Se conocen otros tipos de magnetismo (p. ej., el ferrimagnetismo), pero no se tratarán aquí en detalle.

La magnetización de la materia en un campo externo, esto es, la orientación de los imanes elementales en el material, puede darse en dirección opuesta al campo magnético externo o en la misma dirección. Si la magnetización es en dirección opuesta al campo externo, se habla de «diamagnetismo». En los cuerpos paramagnéticos, la magnetización está alineada con el campo magnético externo. En los materiales ferromagnéticos, la magnetización está alineada con el campo magnético externo y es particularmente fuerte debido a una interacción especial de los espines de los electrones, la llamada «interacción de intercambio». La magnetización de los materiales ferromagnéticos con el mismo campo magnético externo suele ser significativamente mayor que la de los materiales paramagnéticos. A temperatura ambiente, sin embargo, solo el hierro, el níquel y el cobalto son ferromagnéticos. También existen compuestos y aleaciones ferromagnéticos, así como elementos, que se vuelven ferromagnéticos a bajas temperaturas. A temperaturas muy altas, todos los materiales ferromagnéticos se vuelven paramagnéticos, dado que la energía térmica de los electrones es mayor que la interacción de intercambio y se destruye la alineación paralela de los espines de los electrones. Existe una temperatura característica para esta transición, la llamada «temperatura de Curie».

La magnetización de los materiales ferromagnéticos se conserva parcialmente cuando se apaga el campo magnético externo. Esta magnetización remanente se denomina «remanencia».

Observar el diamagnetismo, el paramagnetismo y el ferromagnetismo

A diferencia del diamagnetismo y el paramagnetismo, el ferromagnetismo es fácil de observar en la vida cotidiana. Los materiales ferromagnéticos se ven notablemente atraídos por los campos magnéticos; p. ej., un imán se adhiere a una pared de hierro, que es ferromagnética, pero no a una pared de plástico, que suele ser diamagnética.

La interacción entre los campos magnéticos y los materiales paramagnéticos o diamagnéticos es muy débil, por lo que no es directamente observable en la vida cotidiana.

Un paramagneto (p. ej., el oxígeno) se ve atraído por un campo magnético del mismo modo que un ferromagneto (p. ej., el hierro). Sin embargo, la fuerza de atracción es varios millones de veces más débil. Por el contrario, un diamagneto (p. ej., el agua), se repele cuando se introduce en el campo magnético, si bien también es extremadamente débil. La fuerza de repulsión entre los campos magnéticos y los materiales diamagnéticos solo es fuerte en los superconductores; por ello, también se conocen como «diamagnetos perfectos». Estos presentan una magnetización que desplaza completamente la densidad del flujo magnético en el interior del superconductor, el cual levita incluso sobre un imán debido al efecto diamagnético repulsivo.

Permeabilidad magnética para describir la intensidad de magnetización

La permeabilidad magnética μ se introduce para describir la intensidad de magnetización. En términos más simples, la permeabilidad μ indica el factor por el que la densidad de flujo magnético aumenta o disminuye por la influencia del material. Por ejemplo, la densidad de flujo magnético B en presencia de un material con la permeabilidad μ contrasta con la densidad de flujo magnético del vacío B₀:

B = μ • B₀

El campo magnético es, a su vez, la suma del campo magnético incidente externo _H0 (que también estaría presente en el vacío) y la magnetización M: H = _H0 + M

Este campo magnético en presencia de la materia también se obtiene multiplicando el campo del vacío por la permeabilidad μ: H= μ • H₀

Así pues, en la magnetización se aplica lo siguiente:

M = H - H₀ = μ • H₀ - H₀ = (μ - 1) • H₀

La magnetización M de un material con un campo magnético incidente (vacío) H₀ es por tanto:

M = (μ - 1) • H₀

El factor (μ - 1) también se denomina «susceptibilidad magnética» χ y de ello se deduce: M = χ • H₀

La permeabilidad del vacío es μ = 1, lo que significa que el vacío no reacciona en absoluto ante un campo magnético. La magnetización M del vacío es cero, así como su susceptibilidad magnética χ. Las sustancias paramagnéticas tienen una permeabilidad ligeramente superior a 1. La susceptibilidad magnética de los paramagnetos es ligeramente superior a cero. La permeabilidad de los materiales diamagnéticos es ligeramente inferior a 1, la susceptibilidad correspondientemente inferior a cero. En un superconductor, la permeabilidad magnética es μ = 0 y la susceptibilidad χ = -1. Esto implica que el flujo magnético ya no penetre en el superconductor. Podemos imaginárnoslo también como que la magnetización de los superconductores es igual al campo externo incidente, si bien en la dirección opuesta. Por tanto, el campo externo se compensa en el superconductor. Los ferromagnetos pueden tener coeficientes de permeabilidad muy elevados. En el caso del hierro, μ puede alcanzar valores de hasta 10 000; los metales ferromagnéticos especiales con una alineación especialmente creada de los átomos pueden alcanzar valores de hasta μ = 150 000.

Sin embargo, la suposición de que la permeabilidad es simplemente una constante para cada material es solo una aproximación. Esto se puede comprobar en la curva de histéresis. En realidad, la magnetización del material no sigue linealmente el campo magnético incidente (o la densidad de flujo incidente). La relación es más complicada y depende también del «historial previo» del material. Si este ya está magnetizado, se comporta de forma diferente en el campo externo que el mismo material, aunque no magnetizado. La fórmula lineal M = χ • H₀ es, por tanto, una aproximación.

Consideraciones físicas

Para comprender las causas físicas del diamagnetismo, el paramagnetismo y el ferromagnetismo, podemos imaginarnos que todo material está formado por átomos con núcleos atómicos y electrones.

Si se aplica un campo magnético externo, se inducen movimientos entre los electrones, es decir, corrientes, bajo la influencia de este campo magnético. Según la ley de Lenz, estas corrientes se dirigen de tal forma que contrarrestan su causa. Por tanto, los momentos magnéticos inducidos, también denominados «polarización magnética inducida», están orientados de tal manera que el material en su conjunto se ve empujado débilmente fuera del campo magnético externo, o sea, presenta propiedades diamagnéticas.

Todas las materias son un poco diamagnéticas; sin embargo, es posible que al diamagnetismo de una se superpongan propiedades paramagnéticas o incluso ferromagnéticas adicionales. El paramagnetismo o ferromagnetismo se produce precisamente cuando los electrones de toda la capa electrónica de cada átomo de la sustancia tienen un espín total resultante. Los electrones individuales tienen siempre un espín con un momento magnético. No obstante, en muchos materiales, los espines de los electrones se anulan por pares. Estos materiales son diamagnéticos. Sin embargo, si cada átomo tiene un número impar de electrones, los espines de los electrones de cada átomo individual no pueden anularse por pares. En ese caso, cada átomo con sus electrones tiene un espín total que resulta del último electrón «no pareado» restante. Estos materiales son para o ferromagnéticos.

Los momentos magnéticos atómicos de los espines resultantes se distribuyen uniformemente en todas las direcciones espaciales debido al movimiento de los átomos, de modo que los campos magnéticos de todos los imanes elementales juntos se compensan entre sí y el material parece no magnético hacia el exterior.

Sin embargo, los espines totales resultantes de todos los átomos se alinean en un campo magnético externo. El polo norte de todos los imanes elementales apunta en la dirección del polo sur del campo externo y viceversa. En este caso, la propia muestra se comporta como un imán y se ve atraída por el campo magnético externo. Las corrientes circulares inducidas simultáneamente, la cuales se dirigen en dirección opuesta a su causa (el campo magnético externo) debido a la ley de Lenz, son más débiles en los materiales paramagnéticos y ferromagnéticos que el efecto de los imanes elementales alineados, de modo que el efecto repulsivo de las corrientes circulares inducidas se ve superado por el efecto de atracción de los imanes elementales alineados. Esta es la causa del para y ferromagnetismo.

En un ferromagneto, los espines de los electrones se estabilizan mediante la interacción de intercambio, la cual es especialmente intensa en los ferromagnetos. Cada imán elemental se estabiliza entonces adicionalmente en su orientación, lo que conduce a un efecto de atracción que a menudo es millones de veces más fuerte. Por ello, el material sigue siendo incluso notablemente magnético en su conjunto cuando se apaga el campo magnético externo (remanencia). En los paramagnetos, la interacción de intercambio es menor que la energía térmica de los espines atómicos.

Desmagnetización por calor

Si el ferromagneto magnetizado se calienta fuertemente (por encima de la temperatura de Curie), el ferromagnetismo desaparece, ya que el aumento de temperatura provoca un movimiento más fuerte de los átomos con los espines totales individuales resultantes de la capa electrónica. Este movimiento destruye el acoplamiento mutuo de los espines de los electrones a través de la interacción de intercambio, dado que la energía térmica añadida supera la energía de acoplamiento de los espines de los electrones. El cuerpo se convierte entonces en un paramagneto por encima de la temperatura de Curie. Las vibraciones fuertes o un campo externo opuesto también pueden anular la remanencia de un ferromagneto, es decir, provocar una desmagnetización. Sin embargo, el material sigue siendo ferromagnético y podría volver a magnetizarse. Un material calentado también vuelve a ser ferromagnético cuando se enfría por debajo de la temperatura de Curie.