Materiales Magnéticos: Tipos de Magnetismo, Aplicaciones y Origen del Magnetismo-Ciencia e Ingeniería de Materiales

Siento que cada vez que aprendo algo sobre el magnetismo, me doy cuenta de que mi comprensión previa era de alguna manera incorrecta o simplificada en exceso. Mientras escribo esto, he terminado mis clases de doctorado, así que espero haber terminado de reaprender las propiedades magnéticas.

Todos los materiales tienen alguna forma de magnetismo. Los elementos pueden ser diamagnéticos, paramagnéticos o ferromagnéticos. Los compuestos hechos de múltiples elementos también pueden ser ferrimagnéticos o antiferromagnéticos.

En este artículo, quiero contarles todo lo que desearía haber aprendido sobre materiales magnéticos, la primera vez. Voy a hacer las cosas lo más simples posible sin simplificar demasiado de tal manera que tendrás que desaprender algo. Si cursa un doctorado y un día su conocimiento del magnetismo excede el mío, espero que no necesite desaprender nada de lo que ha leído aquí.

Dicho esto, soy un científico de materiales que se especializa en propiedades mecánicas, no en propiedades magnéticas. Proporcionaré un breve resumen de los campos magnéticos y la base de la mecánica cuántica para el magnetismo, pero si realmente quieres esos detalles, es mejor que le preguntes a un físico.

¿Qué es el magnetismo?

“magnetismo” es un término amplio que se refiere a la mitad de la fuerza electromagnética. Intuitivamente sabes lo que es un imán, así que tienes alguna idea de las fuerzas de atracción y repulsión. La mejor manera de describir el magnetismo es usando “campos magnéticos”.”

Los campos magnéticos son un tema que puede que hayas aprendido en la escuela secundaria pero que posiblemente hayas olvidado, así que aquí tienes un repaso rápido.

Haga clic aquí para aprender sobre los campos magnéticos.

Los campos magnéticos funcionan igual que los campos eléctricos. Hay una fuente y un sumidero magnéticos, a los que llamamos el “polo norte” y el “polo sur” de un imán.

Las líneas de campo magnético viajan del polo norte al polo sur(o del polo sur al polo norte, lo haces tú).

Cada polo norte y sur de un imán también necesita tener su lado opuesto, pero las líneas de campo incluso pueden viajar de un imán a otro diferente.

Las líneas de campo magnético no existen “realmente”. Son una herramienta conceptual para ayudarnos a entender el comportamiento magnético. Las líneas de campo rastrean la energía potencial.

Básicamente, el polo norte magnético reduciría su energía potencial al acercarse al polo sur, si se movía en la dirección indicada por las líneas de campo. Un imán de barra no puede acercar sus polos norte y sur, pero puede alinear sus polos norte o sur con los polos sur o norte de un imán diferente.

Estoy seguro de que lo sabías, pero cuando tienes múltiples imanes y arreglos complejos de polos norte y sur, es más fácil considerar cómo interactúan los campos magnéticos. Esto es especialmente útil cuando se trata del electromagnetismo completo, porque la electricidad también puede generar campos magnéticos.

Las líneas de campo magnético no solo indican la polaridad (norte vs sur) de un imán, sino que también indican la fuerza, o flujo, de un campo magnético. Cuanto más cerca se dibujen las líneas, más fuerte será el campo magnético.

Por ejemplo, en el espacio entre estos átomos, las líneas de campo están aproximadamente igual de espaciadas, por lo que el flujo magnético es aproximadamente constante. Sin embargo, cerca de cualquier polo individual, verá que las líneas de campo se acercan mucho entre sí. Esto indica que los polos tienen la fuerza magnética más fuerte.

En otras palabras, un objeto que sería atraído a un polo sur, cuando se coloca en cualquier lugar, seguiría las líneas de campo hasta que alcanzara su energía potencial mínima en uno de los polos sur del imán.

Lo siento si esa no fue la mejor explicación, hay clases universitarias enteras que hablan de campos eléctricos y magnéticos.

Así que si entiendes lo que es un campo magnético, entonces un “material magnético” sería un material que reduce su energía potencial siguiendo las líneas de campo. En otras palabras, se sentiría atraído por un polo norte o sur.

Al menos, así es como la mayoría de la gente usa la palabra “magnético”.”En realidad, cada átomo es magnético. Sin embargo, hay diferentes tipos de magnetismo atómico, y estos efectos magnéticos se complican aún más cuando los átomos están dispuestos en estructuras cristalinas.

Si está avanzado en sus estudios, es posible que sepa que el tipo de magnetismo que se adhiere a los imanes se llama ferromagnetismo.

Si eres realmente avanzado, es posible que sepas que el ferromagnetismo no es el único tipo de material magnético. De hecho, la mayoría de los imanes de nevera son en realidad ferrimagnetes.

Sea cual sea su comprensión actual de las propiedades magnéticas, esta publicación va a comenzar por lo básico y cubrirlo todo.

El origen del magnetismo

Antes de sumergirnos en tipos de magnetismo, necesito abordar el origen fundamental del magnetismo.

El magnetismo es un efecto mecánico cuántico que está relacionado con el espín de electrones. La mecánica cuántica es notoriamente difícil de explicar de una manera intuitiva, pero haré todo lo posible para simplificar las cosas sin presentar falsedades.

Haga clic aquí para una explicación de los Números Cuánticos.

Cada electrón en un átomo tiene un conjunto específico de números cuánticos. Es posible que hayas aprendido esto en química de la escuela secundaria.

El principio número cuántico, , describe la capa de electrones. es la capa más cercana al átomo. Entre los elementos descubiertos actualmente, 7 es el valor máximo de . Puede ver el valor máximo de n para cualquier elemento al ver qué fila está el átomo en la tabla periódica. Por ejemplo, el hierro está en la fila 4, por lo que puede ser 1, 2, 3 o 4.

El número cuántico angular (o azimutal), , describe el orbital de electrones. puede estar entre 0 y . es un orbital s, es un orbital p, es un orbital d, es un orbital f, es un orbital g, etc. Por ejemplo, un electrón en el 4º shell podría tener 3 orbitales: y .

El número cuántico magnético, , oscila entre y . Por ejemplo, un electrón en el orbital d podría tener cinco valores de y .

El número cuántico de espín, , solo puede tener dos valores: arriba o abajo.

Quizás engañosamente, el número cuántico de espín es lo que da lugar al magnetismo. De acuerdo con la regla de Hund, los electrones llenan todo el orbital con el mismo giro, y luego llenan el orbital con el giro opuesto. Por ejemplo, el hierro tiene 6 (de 10) electrones en su suborbital d exterior. Los primeros 5 electrones girarán hacia arriba, y el 6 será hacia abajo.

Puede usar la configuración de electrones para saber qué electrones están en la capa exterior.

Puede buscar sobre configuraciones electrónicas si lo ha olvidado, pero como actualización rápida, las configuraciones electrónicas se escriben etiquetando los números cuánticos, siguiendo la línea de la tabla periódica.

La configuración electrónica para hierro es 1s22s22p63s23p64s23d6. Así que pueden ver que el hierro tiene 6 electrones en el orbital d sin llenar. En forma abreviada, puede hacer una copia de seguridad del gas noble más cercano y escribirlo como 4s23d6. Co sería s23d7, y Ga sería 4s23d104p1.

Estos electrones no apareados en cada átomo de hierro tienen un espín neto. Esto se llama magneton Bohr. Como puede ver en este cálculo para el hierro, el hierro tiene un magnetón bohr teórico de 4. Los elementos con orbitales llenos o vacíos no tienen espín neto porque cada electrón de ” espín ascendente “está emparejado con un electrón de” espín descendente”, y por lo tanto el átomo tiene un magnetón Bohr de cero.

Este fue un argumento muy ondulado a mano; si desea un enfoque matemático más riguroso, puede consultar este excelente capítulo sobre el origen de los dipolos magnéticos.

Como verá en la siguiente sección, hay un concepto llamado “interacción de intercambio” que relaciona el magnetón de Bohr con las propiedades magnéticas del material. (Spoiler: unir y compartir electrones cambia mucho las cosas).

¿Qué Propiedad Mide el Magnetismo?

Cuando se habla de las propiedades magnéticas de un material, se está hablando de cómo el material responde a un campo magnético externo. A esto lo llamamos campo magnético externo H.

La adición de todos los momentos magnéticos en un material se llama M. También podemos usar B, que es similar y más común, pero menos intuitivo (he explicado la diferencia entre B y M en este artículo).

Básicamente, lo que hace que algo sea magnético es el hecho de que B cambia cuando H cambia.

Dado que B es una función de H, hay una pendiente entre los dos. Esa pendiente se llama permeabilidad magnética, es la permeabilidad del espacio libre. Esto significa que si ha creado un campo magnético en un vacío, del vacío sería .

Una medida muy similar a la permeabilidad es la susceptibilidad, representada por . es la pendiente en la curva M-H, de la misma manera μ es la pendiente en la curva B-H. (De nuevo, puedes leer más sobre estas diferencias en este artículo). La susceptibilidad de un vacío es 0.

También podemos definir permeabilidad relativa, que es solo la relación entre la permeabilidad del material y la permeabilidad del espacio libre.

Tipos de Materiales magnéticos

Los materiales magnéticos se definen por su respuesta a un campo externo (en otras palabras, su permeabilidad).

Hay 3 tipos principales de materiales magnéticos: ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos. También cubriré los otros dos tipos: ferrimagnético y antiferromagnético.

Los diamagnetes tienen una permeabilidad relativa ligeramente inferior a uno. Los paramagnetos tienen una permeabilidad relativa ligeramente superior a 1. Los antiferromagnetos tienen una permeabilidad relativa casi exactamente igual a 1. Los ferromagnetos y ferrimagnetos tienen una permeabilidad relativa no lineal muy grande.

Diamagnetismo

Todos los materiales tienen diamagnetismo. El diamagnetismo es una propiedad repulsiva que surge de la ley de Lenz.

La ley de Lenz dice que la creación de un campo magnético moverá electrones. Los electrones en movimiento también crean un campo magnético, y el campo magnético recién creado se opondrá al original.

Esto es válido incluso para electrones en un átomo. Para cualquier material, exponer el material a un campo magnético hará que los electrones en el átomo se muevan de una manera que cree un campo magnético diminuto en la dirección opuesta.

Según esta lógica, todos los materiales deben ser repelidos por un campo magnético, independientemente de la dirección del campo magnético. Sin embargo, esta repulsión es tan pequeña que requiere equipo muy especializado para medirla.

Los materiales diamagnéticos tienen un magnetón Bohr de cero, por lo que el diamagnetismo es el único efecto magnético que experimentan. Todos los materiales tienen diamagnetismo, pero otras formas de magnetismo son más fuertes, por lo que los materiales que también tienen otro tipo de magnetismo se clasifican por su tipo más fuerte.

Ejemplos de Metales Diamagnéticos con Valores de Permeabilidad Magnética (Relativos) :

• Cobre (Cu): µr = 0,99999
• Mercurio (Hg): µr = 0,99997
• Bismuto (Bi): µr = 0,99984-propiedades diamagnéticas más fuertes

Otros metales diamagnéticos:

• Zinc (Zn)
• Magnesio (Mg)
• Oro (Au)

Ejemplos de Materiales Diamagnéticos Que No Son Metales:

• Silicio (Si)
• Fósforo (P)
• Agua
• Grafito
• ADN y otras proteínas

Relación entre B (flujo de densidad magnética) y H (fuerza del campo magnético):

El paramagnetismo

El diamagnetismo es una alineación débil contra un campo magnético aplicado, por lo que el paramagnetismo es una alineación débil con un campo magnético aplicado. Hay algunos tipos de paramagnetismo (consulte este artículo para obtener más información), pero el efecto neto es el mismo: los electrones crean un campo magnético que se alinea con el campo externo.

En algunos metales, dependiendo de los efectos de la mecánica cuántica, estos electrones pueden experimentar un efecto diamagnético más fuerte además del efecto paramagnético. Átomos como Cu o Ag esencialmente experimentan 2 tipos de diamagnetismo y 1 tipo de paramagnetismo, por lo que los elementos son diamagnéticos en general.

En la escuela secundaria, es posible que se le haya enseñado a calcular simplemente el magnetón de Bohr y declarar que los elementos con eran diamagnéticos y todos los demás eran paramagnéticos; desafortunadamente, la mecánica cuántica de la vida real no es tan simple y es mejor que busque qué tipo de magnetismo tiene un material (no se preocupe, tengo un gráfico más adelante en el artículo).

Ejemplos de Paramagnéticos con Valores de Permeabilidad Magnética (Relativa) :

• Platino (Pt): µr = 1,00027
• Aluminio (Al): µr = 1,0000196
• Aire µr = 1.00000037

Otros Ejemplos de Materiales Paramagnéticos:

• Sodio (Na)
• Estaño (Sn)
• Oxígeno (O2)
• Hidrógeno (H2)

Relación entre B (flujo de densidad magnética) y H (intensidad del campo magnético):

Ferromagnetismo

Los materiales ferromagnéticos también experimentarán efectos paramagnéticos y diamagnéticos, pero el efecto ferromagnético es mucho mayor que estos efectos.

El ferromagnetismo surge del acoplamiento de intercambio que causa la formación de dominios magnéticos.

Los dominios son regiones donde todos los átomos contribuyen con su momento magnético en la misma dirección.

Al igual que con varias de mis explicaciones, desafortunadamente no puedo proporcionar una respuesta más intuitiva que

Hay algo llamado el modelo de Beth-Slater que predice el ferromagnetismo basado en el espaciado atómico y los electrones en el orbital d.

Según este modelo, el cobalto es en realidad el metal más ferromagnético.

Mecánica cuántica aparte, la idea de los dominios en realidad no es demasiado difícil de entender, si estás dispuesto a aceptar su existencia por fe. Los dominios son regiones del material donde todos los momentos de los átomos se alinean en la misma dirección.

Los diferentes dominios, sin embargo, están orientados al azar al principio. Pero cuando introduces un campo magnético externo, cada dominio se alinea con ese campo y produce su propio campo magnético. Incluso después de eliminar el campo externo, todos los dominios se refuerzan entre sí y el material mantiene su campo magnético.

Esto crea una propiedad llamada histéresis magnética, sobre la que puede leer todo aquí.

Es posible eliminar el campo magnético creado internamente elevando la temperatura del ferromagneto. A medida que aumenta la temperatura, los átomos (y dominios) vibran más hasta que el acoplamiento de intercambio cesa y los dominios ya no pueden mantener su alineación no aleatoria.

Esta temperatura se llama temperatura de curado. Por encima de la temperatura de Curie, los materiales ferromagnéticos se vuelven paramagnéticos.

Materiales antiferromagnéticos

Los materiales antiferromagnéticos tienen alineación de espín como los materiales ferromagnéticos; sin embargo, mientras que los ferromagnetos alinean los momentos magnéticos atómicos en la misma dirección, los antiferromagnetos alinean los momentos magnéticos en direcciones opuestas.

En otras palabras, los momentos antiferromagnetos se emparejan perfectamente entre sí, lo que lleva a un magnetismo total de 0 (en teoría, pero en la práctica hay defectos de cristal, por lo que los momentos no se oponen perfectamente entre sí, por lo que el momento magnético total es mayor que 0).

Este fenómeno se llama “superexchange de energía de giro”.”(El Superexchange también se usa para describir cómo se alinean los dominios ferromagnéticos). Esto es un poco complicado y se basa en el conocimiento de algunos conceptos básicos de química cuántica, así que permítanme explicarlo en texto plegable.

Haga clic aquí para aprender sobre el superexchange en antiferromagnetos.

MnO es el ejemplo clásico de un antiferromagneto. La cerámica iónica tiene iones Mn2+ que le gustaría robar 2 electrones, y O2-le gustaría donar 2 electrones. Debido al principio de exclusión de Pauli, O2 – debe tener 1 electrón con espín hacia arriba y un electrón con espín hacia abajo.

La regla de Hund establece que los electrones llenarán el orbital d con giros en la misma dirección primero. Dado que Mn2 + tiene 5 electrones no emparejados en el orbital d, los 5 electrones deben ser los mismos, imaginemos que son spin up. Eso significa que los electrones 6 y 7 deben girar hacia abajo.

Por lo tanto, el O2 – debe donar su electrón de giro descendente al Mn2+ de la izquierda. O2 – tiene un electrón de giro hacia arriba restante, que se dona al Mn2+ a la derecha. Pero el mismo razonamiento que acabo de usar, si el giro hacia arriba va a la derecha, los otros 5 electrones deben girar hacia abajo.

MnO tiene una estructura de cristal de sal de roca. Si nos fijamos en el entramado cúbico simple, cada átomo Mn tiene un momento magnético de 3, pero apuntando en la dirección opuesta como el momento magnético del átomo Mn más cercano. Por lo tanto, todos los momentos se cancelan entre sí.

Al igual que los ferromagnetos se convierten en paramagnetos por encima de la temperatura Curie, los antiferromagnetos se convierten en paramagnetos por encima de la temperatura Néel. En ambos casos, la energía térmica causa fluctuaciones y aleatoriedad que pueden superar el superexchange.

Si desea leer una descripción más precisa pero muy matemática de superexchange, puede consultar este artículo de Anderson.

No hay muchas aplicaciones magnéticas prácticas para antiferromagnetos (ya que son esencialmente no magnéticos), pero se pueden usar como punto de referencia en experimentos magnéticos. También tienen un gran valor teórico y pueden ayudar a los científicos a comprender mejor los superconductores.

Materiales ferrimagnéticos

Si alguna vez ha visto un imán de nevera de cerámica, probablemente sea un ferrimagnete. Los materiales ferrimagnéticos se comportan de manera muy similar a los materiales ferromagnéticos. Sin embargo, los ferrimagnetos funcionan por el mismo superexchange indirecto que los antiferromagnetos.

Mientras que los antferromagnetos se cancelan completamente entre sí porque cada par de momentos magnéticos son iguales, los ferrimagnetos solo tienen cancelación parcial. Lo que significa que realmente tienen magnetización parcial.

Cada momento magnético está emparejado con un momento magnético más débil en la dirección opuesta. Dado que todos los momentos fuertes se alinean en la misma dirección y los momentos débiles se alinean en la dirección opuesta, los momentos fuertes ganan y el material tiene un momento magnético general.

Fe3O4, el material magnético más antiguo conocido, es un ferrimagnete. Este material tiene una estructura de espinela inversa con Fe3 + en sitios tetraédricos, y Fe2 + y Fe3 + ocupando ambos sitios intersticiales octaédricos. El Fe3+ en los sitios octraédricos y tetraédricos se anulan entre sí, pero el Fe2+ restante no se anula, lo que conduce a un momento magnético neto.

Los ferrimagnets se comportan de manera prácticamente idéntica a los ferromagnets, incluyendo tener una temperatura Curie.

Si quieres leer un artículo del propio Néel, puedes echarle un vistazo a este.

Pensamientos finales

Ahora ya sabe acerca de los 5 tipos de magnetismo, por qué existe el magnetismo y ejemplos de cada tipo de material magnético.

Antes de ir, eche un vistazo a este práctico gráfico que le ayudará a recordar cómo se comportan los momentos magnéticos en cada tipo de material.

Referencias y Lecturas adicionales

Haga clic aquí para obtener más información sobre la histéresis magnética. Si quieres saber la diferencia entre inducción magnética B y magnetización M, lee este artículo.

Para más matemáticas detrás del origen de los dipolos magnéticos, recomiendo este artículo del profesor Föll.

Para obtener más información sobre la susceptibilidad magnética, puede leer este artículo de Alan Elster o este artículo de Richard Fitzpatrick.

Para más información sobre la estructura spinell, recomiendo este artículo de Aditya vardhan.

Si desea leer una descripción más precisa pero muy matemática de superexchange, puede consultar este artículo de Anderson.

Yang et al.el artículo, que dibuja la estructura de Fe3O4, se puede encontrar aquí.

Aquí está uno de los artículos de Néel sobre ferromagnetismo y antiferromagnetismo.

Si quieres aprender más sobre el antiferromagnetismo, Katherine Wellmon escribió este útil artículo.

Esta página de Bruce Moscowitz tiene un excelente desglose de los tipos de imanes. Puso especial énfasis en la dependencia de la temperatura, que en realidad no cubrí en este artículo.

Si desea obtener más información sobre materiales específicos utilizados para imanes, la Universidad de Birmingham alberga dos excelentes artículos sobre imanes duros e imanes blandos.