Paramagnetismo y diamagnetismo

Para saber si un elemento es paramagnético o diamagnético, es necesario comprender cómo se dan y qué son estos comportamientos. Para empezar, debes saber que todos los materiales experimentan algún tipo de reacción frente a los campos magnéticos. Es decir, todos los materiales tienen un momento magnético. El momento magnético mide la fuerza y la dirección del magnetismo de un elemento. Así pues, se trata de una cantidad vectorial, es decir, con magnitud y dirección. Por otra parte, el magnetismo es la fuerza que generan los imanes cuando se atraen o repelen.

Ahora bien, toda sustancia está formada por pequeñas unidades llamadas átomos. Los átomos contienen electrones, que son partículas con carga eléctrica. Los electrones giran como trompos alrededor del núcleo del átomo. La corriente eléctrica generada por este movimiento hace que cada electrón actúe como un pequeño imán. Así, son los electrones los que dan origen a las propiedades magnéticas de la materia.

El magnetismo de una sustancia puede ser anulado, puesto que la mayoría de estas tienen un número igual de electrones que giran en direcciones opuestas. No obstante, para que haya magnetismo otra sustancia fuerte debe entrar en el campo magnético de un imán que ya exista.

Todos los imanes poseen dos polos: polo norte y polo sur. Como es sabido, los polos opuestos se atraen y los polos idénticos se repelen. Cuando un trozo de hierro se frota a lo largo de un imán, los polos que buscan el norte de los átomos del hierro se alinean en la misma dirección. La fuerza generada por los átomos alineados genera un campo magnético. Aquí, el trozo de hierro se ha convertido en un imán.

Dicha fuerza magnética posee diferentes comportamientos, entre ellos está el paramagnetismo, el diamagnetismo y el ferromagnetismo.

¿Qué es el diamagnetismo?

Este tipo de magnetismo es característico de los materiales que se alinean en ángulo recto con un campo magnético no uniforme. Así mismo, lo elementos diamagnéticos expulsan parcialmente de su interior el campo magnético en el que se encuentran. El diamagnetismo fue observado por primera vez en 1778 por S.J Brugmans, pero fue nombrado y estudiado desde 1845 por Michael Faraday. Este y otros científicos descubrieron que la mayoría de los compuestos, así como algunos elementos, presentan este tipo de magnetismo que ellos denominaron magnetismo «negativo».

Lo anterior se debe a que los materiales diamagnéticos no poseen un momento magnético neto. Por tanto, deben contar con la presencia de un campo magnético aplicado (H). Sin embargo, cuando se aplica un campo magnético externo a un material diamagnético, los electrones que giran experimentan un movimiento. Este movimiento, que produce una corriente eléctrica, se conoce con el nombre de procesamiento y, como resultado, da lugar a una magnetización (M), en la dirección opuesta a la del campo magnético externo. Po lo tanto, los materiales diamagnéticos tienen una pequeña susceptibilidad magnética negativa (χ) y una permeabilidad ligeramente superior a la del vacío (μ0). Sin embargo, el valor de la susceptibilidad es independiente de la temperatura, la cual no afecta al diamagnetismo.

El diamagnetismo en materiales sólidos se explica también mediante la Ley de Lenz. En esta se afirma que una corriente inducida acelera o frena los electrones que orbitan los átomos, de forma que estos se oponen a la acción del campo externo. Es decir, los átomos diamagnéticos no son atraídos por un campo magnético, sino repelidos.

Paramagnetismo y ferromagnetismo

Po una parte, el paramagnetismo hace referencia al estado magnético de un átomo que posee uno o más electrones no apareados. Los electrones que no están apareados son atraídos por un campo magnético. Esto se debe a los momentos dipolares (fuerza de atracción entre dos átomos) magnéticos de los electrones. La regla de Hund indica que los electrones deben ocupar todos los orbitales de forma individual antes de que cualquier orbital esté ocupado dos veces. Cuando los orbitales se ocupan adecuadamente, los átomos quedan con electrones no apareados moviéndose en cualquier dirección. Así, los momentos magnéticos actúan también en cualquier dirección, permitiendo que los átomos paramagnéticos sean atraídos por campos magnéticos.

Por otra parte, cuando un electrón está solo en un orbital, el orbital tiene un espín neto. Esto se debe a que el espín del electrón solitario no se cancela. Por tanto, se considera que un átomo es paramagnético cuando contiene al menos un electrón paramagnético. En palabras sencillas, un átomo puede tener diez electrones emparejados (diamagnéticos) y un electrón no emparejado (paramagnético). Dicho átomo se seguiría considerando un átomo paramagnético.

Veamos ahora en qué consiste el ferromagnetismo. Cuando los momentos magnéticos de todos los átomos de la red de un material están en paralelo entre sí, se les conoce como ferromagnéticos. Esto se da debido a que los dominios magnéticos del material están alineados en solo una dirección. Los dominios del material determinan su magnetización con la aplicación del campo magnético. Al contrario que en el diamagnetismo, las alineaciones de los momentos magnéticos en el material ferromagnético disminuyen con la temperatura. Así mismo, la susceptibilidad de los materiales ferromagnéticos es alta.

Así como los átomos diamagnéticos son ligeramente repelidos por un campo magnético, los átomos paramagnéticos son ligeramente atraídos por un campo magnético.

Cómo saber si una sustancia es paramagnética o diamagnética

Como vamos a ver ahora, para determinar las propiedades magnéticas de una sustancia basta con examinar su configuración electrónica. Así:

• Si tiene electrones no apareados, la sustancia es paramagnética.
• Si todos los electrones de una sustancia están apareados, dicha sustancia es diamagnética.

Este proceso de verificación puede realizarse en tres pasos:

1. Apuntar la configuración electrónica de la sustancia.
2. Dibujar los orbitales de valencia.
3. Identificar si la sustancia tiene electrones no apareados.

Con estos pasos, usted podrá determinar qué tipo de comportamiento magnético tiene una sustancia.

Ejemplos de elementos diamagnéticos

• Bismuto.
• Mercurio.
• Plata.
• Carbono.
• Plomo.
• Cobre.

Ejemplos de elementos ferromagnéticos

• Hierro.
• Níquel.
• Cobalto.
• Gadolinio.
• Disprosio.

Ejemplos de elementos paramagnéticos

• Uranio.
• Platino.
• Aluminio.
• Sodio.
• Oxígeno.

Fuentes

• Magnetismo en el Sistema de Información Geográfica (SIG) de la biblioteca de recursos de National Geographic Education.
• Propiedades magnéticas en Bibliotecas LibreTexts, consultado el 15 de febrero del 2021.