Paramagnetismo: definición y ejemplos

El paramagnetismo es la propiedad que tienen algunos materiales en los que al ser sometidos a un campo magnético se genera una fuerza, que desaparece al suprimirse el campo. Antes de explicar el paramagnetismo veamos primero algunas ideas sobre magnetismo y campos magnéticos.

Magnetismo y campos magnéticos

El magnetismo es una de las tres interacciones de la materia que contemplaba la física clásica, es decir, la física newtoniana, junto a la atracción gravitatoria y a las interacciones eléctricas. En tiempos pretéritos ya se había observado que ciertos materiales atraían al hierro, y es en la antigua Grecia donde se origina el término «magnético» asociado a un mineral de hierro con propiedades ferromagnéticas. Luego se descubre en China una aplicación fundamental del magnetismo, la brújula, que alinea una aguja magnetizada en el campo magnético terrestre permitiendo la orientación en cualquier entorno geográfico. El magnetismo y la electricidad están relacionados, como demostró por primera vez Hans Christian Oersted en 1820 al observar que una corriente eléctrica producía una fuerza magnética. Una carga eléctrica en movimiento genera un campo magnético, mientras que un campo magnético en movimiento genera una corriente eléctrica. Ésta ultima afirmación es el principio de funcionamiento de los generadores eléctricos, que al hacer rotar un campo magnético con un motor generan una corriente eléctrica. Esta asociación entre cargas eléctricas en movimiento y campos magnéticos es esencial para entender el comportamiento de los materiales magnéticos y el paramagnetismo.

Un electrón es una carga eléctrica negativa, y en movimiento en un átomo genera un campo magnético; este es el origen de las propiedades magnéticas de los materiales. Son los electrones y su movimiento los que generan el magnetismo de los materiales. Se entiende por campo magnético la distribución de fuerzas en cada punto alrededor de la fuente del campo, que tendrán una magnitud, una dirección y un sentido; la figura de presentación del artículo muestra el campo magnético de una barra magnética, con sus dos polos de atracción. Los electrones y su movimiento generan campos magnéticos de dos maneras, asociadas a los tipos de movimiento que desarrollan en el átomo: el movimiento orbital alrededor del núcleo y la rotación sobre sí mismo, su espín. Este último, el momento magnético del espín, es el más importante por su magnitud. El momento magnético del átomo es la suma de los momentos magnéticos de los electrones. Los electrones ocupan orbitales atómicos de dos en dos, con espines en direcciones opuestas; el momento magnético de espín de pares de electrones en un mismo orbital será cero. ya que se anulan al tener direcciones opuestas. Por lo tanto, sólo los átomos con orbitales que no estén completos, que tengan un solo electrón, tendrán un momento magnético neto, y la intensidad dependerá de la cantidad de orbitales con sólo un electrón. El hierro, por ejemplo, tiene 26 electrones y 4 orbitales 3d están ocupados por un solo electrón; el cobalto, con 27 electrones, tiene 3 orbitales 3d ocupados por un solo electrón.

Materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos

En un material, los momentos magnéticos atómicos están desordenados, siguiendo diferentes direcciones. Cuando todos los momentos magnéticos atómicos de un material se ordenan en la misma dirección y en el mismo sentido, se suman y generan la magnetización del material. En este caso se tiene un material ferromagnético, que tiene un campo magnético permanente. Este ordenamiento de los momentos magnéticos atómicos se genera espontáneamente en algunos materiales, pero no depende sólo del elemento, sino también de cómo se organiza microscópicamente, y en particular de la estructura cristalina. Un material que genera magnetización permanente espontánea puede estar compuesto por sectores microscópicos con diferente dirección de magnetización, como muestra la figura siguiente. En este caso, un campo magnético externo H puede orientar todos los momentos magnéticos en la misma dirección, obteniéndose así un material con magnetización permanente.

El hierro (Fe), el cobalto y el níquel son algunos elementos que, ya sea formando estructuras cristalinas como elementos o como parte de moléculas, constituyen materiales ferromagnéticos. Un compuesto ferromagnético integrado por hierro es el óxido ferroso di férrico, Fe₃O₄, la denominada magnetita, que dio origen al término magnético.

Otra forma de orientación de los momentos magnéticos atómicos en un material puede darse en la misma dirección pero en sentido opuesto en líneas alternas, como se muestra en la siguiente figura. Como la magnitud del momento magnético es diferente para cada sentido de orientación, el conjunto tiene una magnetización neta. Estos materiales se denominan ferrimagnéticos y, al igual que los ferromagnéticos, se magnetizan de forma permanente. Las ferritas son el material ferrimagnético mas difundido. Las ferritas son un conjunto de compuestos de hierro aleado con bario, cinc, cobalto, estroncio, manganeso, molibdeno o níquel, que conforman estructuras cristalinas cúbicas centradas. Su importancia radica en que son materiales con magnetización permanente pero no son conductores de la electricidad, y tienen muy buenas propiedades mecánicas. Sus aplicaciones van desde los imanes que hay en las heladeras hasta la tinta de las impresoras láser. Formaban el núcleo de la memoria de la primeras computadoras, y en forma de polvo se utilizan en las cintas y bandas de grabación de datos, en pinturas y en muchas otras aplicaciones.

Materiales paramagnéticos

Un material paramagnético es aquel que en un campo magnético se ordenan sus momentos magnéticos atómicos, y que por lo tanto será objeto de una fuerza cuando se lo coloca en un campo magnético, pero que al cesar el campo magnético externo sus momentos magnéticos atómicos vuelven a desordenarse y no conserva la magnetización. Algunos ejemplos de materiales paramagnéticos son el óxido de hierro (FeO) y los complejos con metales de transición: cromo, cobre, manganeso, escandio, titanio y vanadio. Pero todos los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos se transforman en paramagnéticos cuando se los calienta por encima de una determinada temperatura, llamada temperatura de Curie (T_c). Por ejemplo, la temperatura de Curie del hierro es 770 ^oC, la del cobalto es 1127 ^oC y la de la magnetita 585 ^oC.

En los materiales paramagnéticos, la temperatura incide en la fuerza magnética que se genera en el material al aplicarse un campo magnético externo, ya que al aumentar la temperatura disminuye el ordenamiento de los momentos magnéticos atómicos. Esto se expresa en la ley de Curie. mediante la expresión siguiente:

χ = C/T

donde χ es la susceptibilidad magnética, T es la temperatura absoluta (en Kelvin) y C es un parámetro que depende del material, la constante de Curie.

La magnetización M de un material paramagnético también depende de la intensidad del campo magnético externo H. La expresión de la magnetización es:

M = χH = (C/T)H

Esta expresión es válida para temperaturas elevadas y para campos magnéticos externos débiles; no obstante, pierde su validez cuando todos los momentos magnéticos atómicos están cerca de alinearse completamente. En ese punto, aunque se aumente el campo magnético externo o se disminuya la temperatura, no se producirá un efecto en la magnetización del material, ya que no se causará una modificación en el ordenamiento de los momentos magnéticos atómicos. Este es un punto de saturación magnética.

La idea de saturación se observa claramente en la extensión de la ley de Curie a materiales ferromagnéticos en la llamada ley de Curie-Weiss, introduciendo la temperatura de Curie T_c que viéramos antes:

χ = C/(T-T_c)

Esta expresión tiene sentido sólo para valores de temperatura mayores a la temperatura de Curie, situación en la que el material se comporta como paramagnético; para valores de temperatura menores o iguales a la temperatura de Curie el material es ferromagnético y su magnetización toma el valor máximo posible.

Fuentes

Amikam Aharoni. Introduction to the theory of ferromagnetism. Segunda edición. Oxford University Press, 2000.

Rolf E. Hummel. Electronic Properties of Materials. Springer, 2011.

W. K. H. Panofski y M. Philips. Classical electricity and magnetism. New York, Dover, 2005.

Curso de fundamentos de materiales, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html