Las propiedades magnéticas de un material son una clase de fenómenos físicos mediados por campos. Las corrientes eléctricas y los momentos magnéticos de las partículas elementales generan un campo que actúa sobre otras corrientes. Los efectos más familiares ocurren en los materiales ferromagnéticos, que son fuertemente atraídos por los campos magnéticos y pueden magnetizarse permanentemente, creando los propios campos cargados.
Solo unas pocas sustancias son ferromagnéticas. Para determinar el grado de desarrollo de este fenómeno en una determinada sustancia, existe una clasificación de los materiales según sus propiedades magnéticas. Los más comunes son el hierro, el níquel y el cob alto y sus aleaciones. El prefijo ferro- se refiere al hierro porque el magnetismo permanente se observó por primera vez en el hierro vacío, una forma de mineral de hierro natural denominada propiedades magnéticas del material, Fe3O4.
Materiales paramagnéticos
AunqueEl ferromagnetismo es responsable de la mayoría de los efectos del magnetismo que se encuentran en la vida cotidiana, todos los demás materiales se ven afectados por el campo hasta cierto punto, así como algunos otros tipos de magnetismo. Las sustancias paramagnéticas como el aluminio y el oxígeno son atraídas débilmente por un campo magnético aplicado. Las sustancias diamagnéticas como el cobre y el carbono se repelen débilmente.
Mientras que los materiales antiferromagnéticos como el cromo y los vidrios giratorios tienen una relación más compleja con el campo magnético. La fuerza de un imán en materiales paramagnéticos, diamagnéticos y antiferromagnéticos suele ser demasiado débil para sentirla y solo puede detectarse con instrumentos de laboratorio, por lo que estas sustancias no se incluyen en la lista de materiales que tienen propiedades magnéticas.
Condiciones
El estado magnético (o fase) de un material depende de la temperatura y otras variables como la presión y el campo magnético aplicado. Un material puede exhibir más de una forma de magnetismo a medida que cambian estas variables.
Historia
Las propiedades magnéticas de un material se descubrieron por primera vez en el mundo antiguo cuando la gente se dio cuenta de que los imanes, piezas de minerales naturalmente magnetizados, podían atraer el hierro. La palabra "imán" proviene del término griego Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "piedra magnésica, pie de piedra".
En la antigua Grecia, Aristóteles atribuyó la primera de lo que podría llamarse una discusión científica sobre las propiedades magnéticas de los materiales,filósofo Tales de Mileto, que vivió desde el 625 a. mi. antes del 545 a. mi. El antiguo texto médico indio Sushruta Samhita describe el uso de magnetita para eliminar flechas incrustadas en el cuerpo humano.
Antigua China
En la antigua China, la primera referencia literaria a las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales se encuentra en un libro del siglo IV a. C. que lleva el nombre de su autor, El sabio del valle de los fantasmas. La primera mención de la atracción de la aguja se encuentra en la obra del siglo I Lunheng (Solicitudes equilibradas): "El imán atrae a la aguja".
El científico chino del siglo XI Shen Kuo fue la primera persona en describir, en el Ensayo de la piscina de los sueños, una brújula magnética con una aguja y que mejoraba la precisión de la navegación a través de métodos astronómicos. concepto de norte verdadero. En el siglo XII, se sabía que los chinos usaban la brújula magnética para la navegación. Hicieron la cuchara guía de piedra para que el mango de la cuchara siempre apuntara hacia el sur.
Edad Media
Alexander Neckam, en 1187, fue el primero en Europa en describir la brújula y su uso para la navegación. Este investigador por primera vez en Europa estableció a fondo las propiedades de los materiales magnéticos. En 1269 Peter Peregrine de Maricourt escribió la Epistola de magnete, el primer tratado sobreviviente que describe las propiedades de los imanes. En 1282, al-Ashraf, un físico, astrónomo y geógrafo yemení, describió las propiedades de las brújulas y los materiales con propiedades magnéticas especiales.
Renacimiento
En 1600, William Gilbert publicósu “Corpus Magnético” y “Telurio Magnético” (“Sobre el Imán y los Cuerpos Magnéticos, y también sobre el Gran Imán Terrestre”). En este artículo, describe muchos de sus experimentos con su tierra modelo, llamada terrella, con la que realizó investigaciones sobre las propiedades de los materiales magnéticos.
De sus experimentos, llegó a la conclusión de que la Tierra en sí es magnética y que por eso las brújulas apuntaban al norte (antes, algunos creían que era la estrella polar (Polaris) o una gran isla magnética en el norte Polo que atrajo la brújula).
Hora nueva
La comprensión de la relación entre la electricidad y los materiales con propiedades magnéticas especiales apareció en 1819 en el trabajo de Hans Christian Oersted, profesor de la Universidad de Copenhague, quien descubrió al mover accidentalmente la aguja de una brújula cerca de un cable que un cable eléctrico corriente puede crear un campo magnético. Este experimento histórico se conoce como el Experimento de Oersted. Varios otros experimentos siguieron con André-Marie Ampère, quien descubrió en 1820 que un campo magnético que circulaba en un camino cerrado estaba relacionado con una corriente que fluía alrededor del perímetro del camino.
Carl Friedrich Gauss se dedicaba al estudio del magnetismo. Jean-Baptiste Biot y Felix Savart en 1820 propusieron la ley de Biot-Savart, que da la ecuación deseada. Michael Faraday, quien descubrió en 1831 que un flujo magnético variable en el tiempo a través de un bucle de alambre provocaba un voltaje. Y otros científicos han encontrado más conexiones entre el magnetismo y la electricidad.
siglo XX y nuestrotiempo
James Clerk Maxwell sintetizó y amplió esta comprensión de las ecuaciones de Maxwell al unificar la electricidad, el magnetismo y la óptica en el campo del electromagnetismo. En 1905, Einstein usó estas leyes para motivar su teoría de la relatividad especial al exigir que las leyes se cumplieran en todos los marcos de referencia inerciales.
El electromagnetismo ha seguido evolucionando en el siglo XXI, incorporándose a las teorías más fundamentales de la teoría de calibre, la electrodinámica cuántica, la teoría electrodébil y, finalmente, el modelo estándar. Hoy en día, los científicos ya están estudiando las propiedades magnéticas de los materiales nanoestructurados con fuerza y fuerza. Pero los descubrimientos más grandes y sorprendentes en este campo probablemente aún estén por delante.
Esencia
Las propiedades magnéticas de los materiales se deben principalmente a los momentos magnéticos de los electrones orbitales de sus átomos. Los momentos magnéticos de los núcleos atómicos suelen ser miles de veces más pequeños que los de los electrones y, por lo tanto, son insignificantes en el contexto de la magnetización de los materiales. No obstante, los momentos magnéticos nucleares son muy importantes en otros contextos, especialmente en resonancia magnética nuclear (RMN) y resonancia magnética nuclear (RMN).
Por lo general, la gran cantidad de electrones en un material se organiza de tal manera que sus momentos magnéticos (tanto orbitales como internos) se anulan. Hasta cierto punto, esto se debe al hecho de que los electrones se combinan en pares con momentos magnéticos intrínsecos opuestos como resultado del principio de Pauli (ver Configuración electrónica) y se combinan en subcapas llenas con movimiento orbital neto cero.
BEn ambos casos, los electrones utilizan predominantemente circuitos en los que el momento magnético de cada electrón es anulado por el momento opuesto del otro electrón. Además, incluso cuando la configuración electrónica es tal que hay electrones no apareados y/o subcapas vacías, a menudo ocurre que diferentes electrones en un sólido contribuirán con momentos magnéticos que apuntan en diferentes direcciones aleatorias, de modo que el material no será magnético.
A veces, ya sea espontáneamente o debido a la aplicación de un campo magnético externo, cada uno de los momentos magnéticos de los electrones se alineará en promedio. El material adecuado puede crear un fuerte campo magnético neto.
El comportamiento magnético de un material depende de su estructura, en particular de su configuración electrónica, por las razones expuestas anteriormente, y también de la temperatura. A altas temperaturas, el movimiento térmico aleatorio dificulta la alineación de los electrones.
Diamagnetismo
El diamagnetismo se encuentra en todos los materiales y es la tendencia de un material a resistir un campo magnético aplicado y, por lo tanto, a repeler el campo magnético. Sin embargo, en un material con propiedades paramagnéticas (es decir, con tendencia a fortalecer un campo magnético externo), domina el comportamiento paramagnético. Por lo tanto, a pesar de la ocurrencia universal, el comportamiento diamagnético se observa solo en un material puramente diamagnético. No hay electrones desapareados en un material diamagnético, por lo que los momentos magnéticos intrínsecos de los electrones no pueden crearcualquier efecto de volumen.
Tenga en cuenta que esta descripción solo tiene fines heurísticos. El teorema de Bohr-Van Leeuwen muestra que el diamagnetismo es imposible según la física clásica, y que una correcta comprensión requiere una descripción mecánica cuántica.
Tenga en cuenta que todos los materiales pasan por esta respuesta orbital. Sin embargo, en sustancias paramagnéticas y ferromagnéticas, el efecto diamagnético es suprimido por efectos mucho más fuertes causados por electrones desapareados.
Hay electrones desapareados en un material paramagnético; es decir, orbitales atómicos o moleculares con exactamente un electrón en ellos. Mientras que el principio de exclusión de Pauli requiere que los electrones emparejados tengan sus propios momentos magnéticos ("espín") apuntando en direcciones opuestas, lo que hace que sus campos magnéticos se cancelen, un electrón no emparejado puede alinear su momento magnético en cualquier dirección. Cuando se aplica un campo externo, estos momentos tenderán a alinearse en la misma dirección que el campo aplicado, fortaleciéndolo.
Ferroimanes
Un ferromagneto, como sustancia paramagnética, tiene electrones desapareados. Sin embargo, además de la tendencia del momento magnético intrínseco de los electrones a ser paralelo al campo aplicado, en estos materiales también existe una tendencia a que estos momentos magnéticos se orienten paralelos entre sí para mantener un estado de reducción. energía. Por lo tanto, incluso en ausencia de un campo aplicadolos momentos magnéticos de los electrones en el material se alinean espontáneamente en paralelo entre sí.
Cada sustancia ferromagnética tiene su propia temperatura individual, llamada temperatura de Curie o punto de Curie, por encima de la cual pierde sus propiedades ferromagnéticas. Esto se debe a que la tendencia térmica al desorden supera la reducción de energía debida al orden ferromagnético.
El ferromagnetismo solo ocurre en unas pocas sustancias; el hierro, el níquel, el cob alto, sus aleaciones y algunas aleaciones de tierras raras son comunes.
Los momentos magnéticos de los átomos en un material ferromagnético hacen que se comporten como pequeños imanes permanentes. Se mantienen unidos y se combinan en pequeñas regiones de alineación más o menos uniforme denominadas dominios magnéticos o dominios de Weiss. Los dominios magnéticos se pueden observar utilizando un microscopio de fuerza magnética para revelar los límites de los dominios magnéticos que se asemejan a las líneas blancas en un boceto. Hay muchos experimentos científicos que pueden mostrar físicamente campos magnéticos.
Función de los dominios
Cuando un dominio contiene demasiadas moléculas, se vuelve inestable y se divide en dos dominios alineados en direcciones opuestas para mantenerse unidos de manera más estable, como se muestra a la derecha.
Cuando se exponen a un campo magnético, los límites del dominio se mueven de modo que los dominios alineados magnéticamente crecen y dominan la estructura (área amarilla punteada), como se muestra a la izquierda. Cuando se elimina el campo magnetizante, es posible que los dominios no vuelvan a un estado no magnetizado. Esto lleva aporque el material ferromagnético se magnetiza, formando un imán permanente.
Cuando la magnetización fue lo suficientemente fuerte como para que el dominio dominante se superpusiera a todos los demás, lo que llevó a la formación de un solo dominio separado, el material se saturó magnéticamente. Cuando un material ferromagnético magnetizado se calienta a la temperatura del punto de Curie, las moléculas se mezclan hasta el punto en que los dominios magnéticos pierden organización y cesan las propiedades magnéticas que provocan. Cuando el material se enfría, esta estructura de alineación de dominio regresa espontáneamente, más o menos análoga a cómo un líquido puede congelarse en un sólido cristalino.
Antiferromagnéticos
En un antiferromagnético, a diferencia de un ferromagnético, los momentos magnéticos intrínsecos de los electrones de valencia vecinos tienden a apuntar en direcciones opuestas. Cuando todos los átomos están dispuestos en una sustancia de modo que cada vecino sea antiparalelo, la sustancia es antiferromagnética. Los antiferromagnetos tienen un momento magnético neto de cero, lo que significa que no crean un campo.
Los antiferromagnetos son más raros que otros tipos de comportamiento y se observan con mayor frecuencia a bajas temperaturas. A diferentes temperaturas, los antiferromagnetos exhiben propiedades diamagnéticas y ferromagnéticas.
En algunos materiales, los electrones vecinos prefieren apuntar en direcciones opuestas, pero no existe una disposición geométrica en la que cada par de vecinos esté antialineado. Se llama vidrio giratorio yes un ejemplo de frustración geométrica.
Propiedades magnéticas de los materiales ferromagnéticos
Al igual que el ferromagnetismo, los ferriimanes conservan su magnetización en ausencia de un campo. Sin embargo, al igual que los antiferromagnetos, los pares de espines de electrones adyacentes tienden a apuntar en direcciones opuestas. Estas dos propiedades no se contradicen porque, en un arreglo geométrico óptimo, el momento magnético de una subred de electrones que apuntan en la misma dirección es mayor que el de una subred que apunta en la dirección opuesta.
La mayoría de las ferritas son ferrimagnéticas. Las propiedades magnéticas de los materiales ferromagnéticos hoy en día se consideran innegables. La primera sustancia magnética descubierta, la magnetita, es una ferrita y originalmente se pensó que era un ferromagneto. Sin embargo, Louis Neel lo refutó al descubrir el ferrimagnetismo.
Cuando un ferroimán o ferrimagnet es lo suficientemente pequeño, actúa como un solo giro magnético que está sujeto al movimiento browniano. Su respuesta a un campo magnético es cualitativamente similar a la de un paramagneto, pero mucho más.
Electroimanes
Un electroimán es un imán en el que una corriente eléctrica crea un campo magnético. El campo magnético desaparece cuando se corta la corriente. Los electroimanes generalmente consisten en una gran cantidad de vueltas de alambre estrechamente espaciadas que crean un campo magnético. Las bobinas de alambre a menudo se enrollan alrededor de un núcleo magnético hecho de material ferromagnético o ferrimagnético.un material como el hierro; el núcleo magnético concentra el flujo magnético y crea un imán más fuerte.
La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético se puede cambiar rápidamente controlando la cantidad de corriente eléctrica en el devanado. Sin embargo, a diferencia de un imán permanente, que no requiere energía, un electroimán requiere un suministro continuo de corriente para mantener el campo magnético.
Los electroimanes se utilizan ampliamente como componentes de otros dispositivos eléctricos como motores, generadores, relés, solenoides, altavoces, discos duros, máquinas de resonancia magnética, instrumentos científicos y equipos de separación magnética. Los electroimanes también se utilizan en la industria para sujetar y mover objetos pesados de hierro, como chatarra y acero. El electromagnetismo fue descubierto en 1820. Al mismo tiempo, se publicó la primera clasificación de materiales según sus propiedades magnéticas.
