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Niels Bohr

Los materiales frente al magnetismo

Los metales son sumamente importantes a la hora de hablar de magnetismo, ya que las bobinas de transformadores, motores, electroimanes y generadores tienen núcleos de hierro para confinar e incrementar el campo magnético. Los imanes permanentes, las cintas magnéticas de grabación, los discos duros y muchos otros dispositivos electrónicos dependen directamente de las propiedades magnéticas de los materiales. Por ejemplo al grabar información en un disco duro, lo que se está haciendo es codificar la información mediante una configuración determinada de imanes permanentes microscópicos en el disco.

El magnetón de Bohr

Los átomos que constituyen el material contienen electrones en movimiento; éstos forman espiras microscópicas de corrientes que producen campos magnéticos. En algunos materiales, estas espitas se encuentran orientadas al azar y no producen un campo magnético neto. No obstante, en otros materiales, un campo externo ocasiona que estas espiras se orienten en forma preferencial con el campo, por lo que sus campos magnéticos se suman al campo exterior. Cuando sucede esto decimos que el material es magnetizado.

Se debe introducir algo de matemática para luego poder hablar de algunos fenómenos particulares que suceden en los materiales en presencia de campos magnéticos.

Para entenderse el origen de las corrientes microscópicas se puede pensar en un esquema como el de la figura.

Se tiene un electrón de masa m y carga –e, que orbita circularmente al núcleo del átomo en una órbita de radio r y lleva una velocidad lineal v. Se sabe que una carga en movimiento genera una corriente, por lo tanto esto resulta equivalente a una espira de corriente. También se sabe que teniendo una espira de corriente cuya área es A y corriente I se tiene un momento dipolar magnético dado por µ = IA, para el electrón en órbita. Siendo el área de la espira A = πr2. La corriente asociada al movimiento del electrón se calcula de la siguiente manera:

Ahora se puede escribir el momento dipolar de la siguiente manera:

Se puede escribir la relación al momento angular L; quedando como sigue:

Al relacionar ahora la cantidad L con la constante de Planck h = 6,626.10(-34) J.s de la siguiente manera: L = h/2π, se tiene:

Esta cantidad es la que se conoce como magnetón de Bohr, y se denota por µB. (El valor numérico es µB = 9,274.10(-24) A.m2 = 9,274.10(-24) J/T)

Los electrones también rotan sobre sí mismos; lo que se conoce como espín, esta cantidad angular tiene asociado un momento magnético, que es casi igual al magnetón de Bohr, su valor es 1,001µB.

Paramagnetismo

En un átomo la suma de los distintos momentos magnéticos orbitales y de espín suman cero. En ciertos casos el átomo adquiere un momento magnético neto que es del orden de µB. Cuando un material así se coloca dentro de un campo magnético, éste ejerce un torque sobre cada momento magnético dado por la ecuación . Este torque alinea los momentos magnéticos con el campo. En esta posición las espiras de corriente se suman con el campo magnético externo.

El campo adicional producido por las espiras microscópicas es proporcional al momento magnético total por unidad de volumen V en el material. A esta cantidad vectorial se la llama magnetización del material, y se denota con la letra :

El campo magnético adicional debido a la magnetización del material es: µ0,donde µ0 es la permeabilidad magnética del material, en este caso del aire. Cuando un material así rodea por completo un conductor que lleva una corriente, el campo magnético total en el material es:

donde 0 es el campo magnético que genera la corriente que pasa por el conductor.

A un material que tenga el comportamiento anteriormente mencionado se lo llama paramagnético.

Diamagnetismo

En ciertos materiales el momento magnético total de todas las espiras microscópicas es cero, cuando no hay un campo magnético. Pero estos materiales tienen efectos magnéticos, dado que un campo magnético externo altera los movimientos de los electrones, lo que produce que se generen espiras de corriente adicionales y dipolos magnéticos inducidos. En este caso, la dirección del campo causado por estas espiras de corriente siempre es opuesta al campo externo. Los materiales que cumplen con dicha propiedad se lo llaman diamagnético.

Ferromagnetismo

Hay una tercera clase de materiales, estos materiales son llamados ferromagnéticos; que incluyen al hierro, níquel, cobalto y muchas aleaciones que contienen estos elementos. En estos materiales las interacciones fuertes entre los momentos magnéticos de los momentos magnéticos de los átomos hacen que se aliñen paralelamente entre sí en regiones que se llaman dominios magnéticos, aún cuando no haya presente un campo externo. Dentro de cada domino los momentos magnéticos son paralelos.

Cuando no se tiene un campo magnético externo 0, los dominios magnéticos están orientados al azar. Cuando se presenta un campo externo estos dominios tienden a orientarse paralelamente al campo. Los dominios de magnetización en dirección al campo crecen y los opuestos disminuyen. El momento magnético total puede ser de muchos miles de magnetones de Bohr; los torques que alinean los dominios con un campo externo son más intensos que los que se presentan en materiales paramagnéticos. Como resultado, un material ferromagnético como el hierro es magnetizado fuertemente por el campo de un imán permanente y es atraído por éste.


La curva de magnetización para un material ferromagnético. Se ve que la magnetización M se aproxima a su valor de saturación Msat cuando el campo magnético B0 aumenta.

A medida que aumenta el campo externo, el material alcanza en algún momento un punto en que casi todos los momentos magnéticos en el material ferromagnético están alineados en forma paralela con el campo externo. Esta condición se llama saturación; una vez que se alcanza, no se tiene un aumento en la magnetización ni en el campo adicional causado por ella, por más que el campo externo se incremente.

Anti-ferromagnetismo

El anti ferromagnetismo es el ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección pero en sentido inverso. Un anti-ferromagneto es el material que puede presentar anti ferromagnetismo. La interacción anti ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y en sentido inverso, cancelándolos si tienen el mismo valor absoluto, o reduciéndolos si son distintos. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el anti ferromagnetismo.

Como el ferromagnetismo, la interacción anti-ferromagnética se destruye a alta temperatura por efecto de la entropía. La temperatura por encima de la cual no se aprecia el anti-ferromagnetismo se llama temperatura de Neel. Por encima de ésta, los compuestos son típicamente paramagnéticos.

Generalmente, los anti-ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos. En cada uno de estos dominios, todos los momentos magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta energía potencial, pero la formación de dominios está compensada por la ganancia en entropía.

Al someter un material anti-ferromagnético a un campo magnético intenso, algunos de los momentos magnéticos se alinean paralelamente con él, aún a costa de alinearse también paralelo a sus vecinos (superando la interacción anti-ferromagnética). Generalmente, se requiere un campo magnético muy intenso para conseguir alinear todos los momentos magnéticos de la muestra.

Las interacciones anti-ferromagnéticas pueden producir momentos magnéticos grandes, incluso imantación. El ferromagnetismo ocurre en sistemas en los que una interacción anti-ferromagnética entre momentos magnéticos de diferente magnitud implica un momento magnético resultante grande. La magnetita es un sólido extendido que presenta ferromagnetismo: es un imán, aunque las interacciones son anti-ferromagnéticas. El Mn12 es una molécula que presenta el mismo fenómeno: interacciones anti-ferromagnéticas conllevan un momento magnético grande del estado fundamental. Por otro lado, los sistemas con canteo de espín, con interacciones anti-ferromagnéticas presentan imantación, por pequeñas desviaciones angulares del alineamiento de los momentos magnéticos, no totalmente antiparalelos

Clasificación de los imanes

Los imanes permanentes son los más comunes y se utilizan día a día. Se llaman permanentes porque una vez que han magnetizado siguen permanentemente así. Suelen hacerse de material ferromagnético.

Éstos pueden clasificarse a su vez en cuatro tipos:

  • Neodimio-hierro-boro.
  • Samario-cobalto.
  • Alnico.
  • De cerámica o ferrita.

Los dos primeros son muy fuertes y difíciles de desmagnetizar. Los de alnico, a pesar de ser muy potentes, se desmagnetizan con facilidad. Los últimos son bastante fuertes y difíciles de desmagnetizar, aunque su poder varía con la temperatura.

También se pueden clasificar en imanes moldeados por inyección -con varios tipos de polvo de resina y magnéticos-, con menor poder magnético y con propiedades físicas similares al plástico y flexibles.

Los imanes permanentes pueden hacerse de cualquier forma, aunque también es importante cómo están magnetizados. Ante el calor o el contacto con otro imán, los imanes permanentes pueden desimantarse.

Otro tipo de imanes son los imanes temporales, ya que actúan como tales dentro de un campo magnético fuerte. Un claro ejemplo son los clips o los clavos. También encontramos los electroimanes, un tipo de imanes muy fuertes que se forman colocando un núcleo de metal en el interior de una bobina de alambre que tiene corriente eléctrica. La polaridad de estos imanes depende del flujo de corriente, y son especialmente útiles cuando un imán debe estar encendido y apagado.

Los súper imanes están hechos de bobinas de alambre de aleaciones metálicas especiales, que son superconductoras cuando se enfrían a temperaturas muy bajas.

Usos de los imanes

Los imanes pueden ser utilizados en el sector industrial, como barrenderos magnéticos, clasificadores y como separadores de metales impuros.

En la electrónica, los imanes se usan en parlantes, radios, televisores, teléfonos y computadoras, generalmente porque tienen mucha fuerza.

Por su parte, los imanes permanentes son utilizados en joyería.



  • Argentina: 0800 333 3979
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  • Bolivia: +591 3 3708206
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  • Chile: +56 2 3281 1674
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  • Ecuador: +593 2 6018068
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