Magnetismo de La Materia

MAGNETISMO DE LA MATERIA Objetivos   

Clasificar los materiales en función de sus propiedades magnéticas Conocer las características principales de los materiales diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos Explicar el ferromagnetismo mediante la teoría de los dominios o de Weiss.

Introducción El conocimiento de antigüedad. Se cree magnetita, aconteció Cerca de la ciudad de

los materiales magnéticos se remonta a la que el descubrimiento de imanes naturales, hacia el primer milenio antes de nuestra era. magnesia se encuentra de forma natural.

El primero en desarrollar una teoría de los fenómenos magnéticos fue Empédocles hacia 450 a.c. Son materiales magnéticos los que se comportan como un “imán” bajo la acción de campos magnéticos. Por esto es muy importante comprender la interacción del campo magnético con los materiales. Los materiales magnéticos puedan crear campos magnéticos propios. Este fenómeno se debe al momento dipolar magnético de sus átomos. La naturaleza del momento dipolar magnético se encuentra, y solo se explica, por el comportamiento y naturaleza cuántica de los fenómenos presentes a escala atómica. La Física clásica no puede explicar los fenómenos magnéticos de forma fundamental. Magnetismo en la materia. Vector imantación. Permeabilidad magnética La materia está constituida por átomos en los que los electrones están en movimiento. Utilizando un modelo atómico sencillo, las órbitas electrónicas alrededor del núcleo de un átomo pueden considerarse, como corrientes eléctricas circulares alrededor del núcleo y, por lo tanto, equivalentes a espiras de corriente. Así, un electrón girando en una órbita circular de radio r con un periodo T y una velocidad v, puede considerarse equivalente a un espira circular de corriente del mismo radio y recorrida por una intensidad I = e/T que tendrá un momento magnético.

Donde Ur es un vector unitario en la dirección del vector superficie. De este modo, se modelizan los movimientos electrónicos como si se tratara de espiras de corriente, y por consiguiente se estaría considerando la materia constituida por una gran cantidad de dipolos magnéticos. Además del momento magnético asociado al movimiento de los electrones, hay que añadir el momento magnético intrínseco del electrón asociado a su espín. En la electrostática también nos encontramos en los dieléctricos con la existencia de dipolos eléctricos y fenómenos de polarización, cuyo efecto consistía en disminuir el campo eléctrico dentro del material cuando éste era sometido a un campo eléctrico externo. En el magnetismo, aunque pueda pensarse que la situación es similar, el problema es más complejo, pues el momento magnético de un átomo depende de diversos factores como el número de electrones del átomo, de si las capas electrónicas están o no completas, del momento magnético de espín de los electrones desapareados del átomo, de la estructura electrónica del átomo en definitiva. Algunos de estos comportamientos no son fáciles de analizar con conceptos de física clásica, necesitándose en algunas ocasiones de conceptos basados en la física cuántica. Por lo tanto, algunas sustancias pueden poseer un momento magnético propio producido por los momentos magnéticos atómicos. Estos momentos magnéticos atómicos, caso de existir, están en principio orientados al azar en todas direcciones, motivo por el cual la mayor parte de materiales no presentan magnetización. La magnitud que se utiliza para cuantificar el estado de los momentos magnéticos en una región, se denomina imantación M r, magnitud vectorial, que se define en un punto como el momento magnético por unidad de volumen:

Por lo tanto, se dice que un material no está imantado (o magnetizado) si la suma de los momentos magnéticos en un volumen dado es nulo.

Las diversas sustancias no presentan la misma respuesta al situarlas en un campo magnético. Según el comportamiento frente a un campo magnético externo, se clasifican en tres tipos: diamagnéticas, paramagnéticas, y ferromagnéticas. Si se aplica a un material un campo magnético B ap (campo aplicado), los momentos magnéticos atómicos, y por tanto la imantación, van a variar. El fenómeno es fácil de entender recurriendo a un símil con brújulas: al acercar un imán a un conjunto de brújulas orientadas al azar (fuera de la Tierra), éstas tienden a orientarse en la dirección del campo aplicado. Por tanto, la imantación del material va a variar. En los materiales paramagnéticos y diamagnéticos, la imantación es directamente proporcional al campo magnético aplicado.

Donde χm se denomina susceptibilidad magnética, y es un número sin dimensiones característico de cada material. A 1 + Χ m se le denomina permeabilidad magnética relativa µr, y también es adimensional. Diamagnetismo El diamagnetismo fue descubierto por Faraday en 1846 cuando vio que un trozo de bismuto se veía repelido por un polo cualquiera de un imán, indicando que el campo externo del imán induce un dipolo magnético en el bismuto de sentido opuesto al campo. Este efecto es muy pequeño por lo que en general no se detecta. Otras sustancias diamagnéticas son el agua, Cu, H2. Las sustancias diamagnéticas tienen una susceptibilidad negativa. Aunque el efecto del diamagnetismo está presente en toda la materia, es débil en comparación con el paramagnetismo y el ferromagnetismo. Por lo tanto, se puede observar únicamente en aquellos materiales cuyos átomos no tienen momentos dipolares magnéticos permanentes. Es posible captar una idea cualitativa del diamagnetismo si se aplica la ley de Lenz al movimiento orbital de los electrones de los átomos. Considérense dos electrones que se mueven en órbitas circulares con la misma velocidad pero con sentidos contrarios, como en la figura

Ahora, considérese lo que sucede cuando se aplica un campo magnético externo perpendicularmente al plano de las órbitas. De acuerdo con la ley de Lenz se inducirán corrientes que se opondrán a la variación de flujo. Al ser el radio constante, el electrón de la derecha se deberá acelerar para aumentar su flujo hacia fuera del papel y el de la izquierda deberá disminuir su flujo dirigido hacia dentro del papel. En cada caso, la variación del momento magnético de los electrones estará en el sentido dirigido hacia fuera del papel, opuesto al del campo externo. La fuerza eléctrica vale:

Y la fuerza actúa el campo

magnética

cuando

En consecuencia se puede escribir la 2ª ley de Newton

Donde v es la velocidad en presencia del campo magnético

Con lo cual

que como se expresó anteriormente se sumará al electrón de la derecha y se restará al electrón de la izquierda. El momento magnético por electrón

vale

el cambio de este momento magnético para cada electrón tiene una magnitud dada por:

y misma dirección. En la Tabla 0-1 se observa que Χm es un número muy pequeño. En algunos materiales la susceptibilidad magnética es negativa, lo que significa que al someterles a un campo magnético externo, el campo magnético dentro del material disminuye. Este comportamiento se denomina diamagnetismo. Las sustancias diamagnéticas no poseen momentos magnéticos atómicos permanentes, pues sus átomos poseen estructuras electrónicas de capas completas con sus electrones apareados, cancelándose de este modo los momentos magnéticos electrónicos. Sin embargo, ante un campo magnético externo, se distorsiona el movimiento electrónico, formándose momentos magnéticos inducidos de sentido contrario al campo aplicado, debilitando así el campo magnético dentro del material.

El comportamiento diamagnético es general a todas las sustancias, aunque sus efectos, por ser muy débiles, son apenas perceptibles, siendo además enmascarado en algunas ocasiones por otros efectos, como el paramagnetismo y sobre todo el ferromagnetismo. Tipos de materiales magnéticos diamagnéticos El comportamiento de los materiales en presencia de campos magnéticos es muy variado. Los materiales diamagnéticos son aquellos que en presencia de un campo magnético experimentan una fuerza de repulsión. Estos materiales suelen interaccionar con poca intensidad con el campo magnético, por lo que la fuerza de repulsión no suele ser grande. Para un campo aplicado de unos 3 T la fuerza de repulsión típica es 10-5 - 10-2 N/gr Los materiales diamagnéticos cumplen que:

El material se imana en el sentido contrario al campo aplicado.

Paramagnetismo El paramagnetismo se presenta en sustancias, como el Al y O2, cuyos átomos tienen unos momentos magnéticos permanentes que interaccionan entre sí solo muy débilmente, o sea su susceptibilidad es positiva pero muy pequeña. Cuando no existe ningún campo magnético externo, estos momentos magnéticos están orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo tienden a alinearse paralelamente al campo, pero esta alineación está contrarrestada por la tendencia que tienen los momentos a estar orientados aleatoriamente debido al movimiento térmico. La fracción de los momentos que se alinean con el campo depende de la intensidad del campo y de la temperatura. A temperaturas muy bajas y con campos externos altos casi todos los momentos están alineados con el campo. En este caso la contribución al campo magnético total debida al material es muy grande, pero a temperaturas superiores a unos pocos grados absolutos solo una fracción muy pequeña de las moléculas se alinea con el campo. Se puede establecer la cuantificación de la magnetización por la ley de Curie, ya que fue Pierre Courie quien descubrió la relación con la temperatura del paramagnetismo. Esta ley es:

Y muestra que M aumenta al aumentar el campo magnético y al disminuir la temperatura T. También se puede apreciar en la gráfica

Su susceptibilidad varía inversamente con la temperatura

Esta ley es aplicable estrictamente solo en el caso de gases donde es válida la suposición de interacción despreciable. En caso de sólidos y líquidos, muchas sustancias obedecen la ley de Curie-Weiss Siempre que T>θ, característica de la

donde θ sustancia.

es

una

constante

En otras sustancias, en cambio, la susceptibilidad magnética es positiva, lo que significa que la imantación tiene el mismo sentido que el campo aplicado. A estas sustancias se les denomina paramagnéticas. En ellas existe un ligero acoplamiento de los dipolos magnéticos permanentes que son del orden de 1000 veces mayores que los producidos por el comportamiento diamagnético, por lo que éste queda enmascarado.

Al aplicar un campo externo, los dipolos magnéticos, que estaban orientados al azar como consecuencia de la agitación térmica, se acoplan ligeramente alineándose en la dirección del campo aplicado, aumentando de este modo el campo magnético dentro del material. El efecto, sin embargo, es débil, aunque suficiente para enmascarar el efecto diamagnético que se presenta en todas las sustancias. En los materiales paramagnéticos, la imantación depende de la temperatura: a temperaturas muy bajas es más fácil alinear los momentos magnéticos. Al aumentar la temperatura la agitación térmica tiende a borrar cualquier acoplamiento que se produzca entre los dipolos magnéticos, y de este modo la imantación es más difícil y la susceptibilidad magnética disminuye.

Los materiales paramagnéticos son aquellos que en presencia de un campo magnético experimentan una fuerza de atracción. Para un campo aplicado de unos 3 T la fuerza de atracción típica es 10 -6 - 10-1 N/gr. En estos materiales el campo magnético total es siempre mayor que el campo aplicado.

Los materiales diamagnéticos cumplen que:

El material se imana en el sentido del campo aplicado.