Propiedades y Clasificación de los Materiales Magnéticos: Una Exploración Completa

Materiales Magnéticos

Cuando un electrón gira, hay un momento magnético asociado con ese movimiento. El momento magnético de un electrón debido a su giro se conoce como magnetón de Bohr. Esta es una constante fundamental y está definida como:

µB = qh / 4πme = 9,274 x 10-24 (A * m2)

Donde:

  • q = Carga del electrón
  • h = Constante de Planck
  • me = Masa del electrón

Efectos que Hacen que la Mayoría de los Materiales No Tengan Comportamientos Magnéticos

Hay dos efectos principales a considerar:

Primero, se debe considerar el momento magnético de los átomos. De acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, dos electrones de la misma órbita deben tener espines opuestos. Esto significa que los momentos magnéticos derivados del espín electrónico tienen signos opuestos y se cancelan entre sí.

Segundo, los momentos orbitales de los electrones también se cancelan entre sí. Así, en una capa llena por completo, el espín de todos los electrones y los momentos orbitales se cancelan.

Clasificación de los Materiales Magnéticos

Todo está formado por átomos, y los átomos están formados por electrones que giran a su alrededor, al igual que una espira portadora de corriente que genera un campo magnético. Entonces, toda la materia responde a un campo magnético. La forma en que se mide la escala de esta respuesta de electrones y átomos de un material determina si este es muy magnético o poco magnético.

Susceptibilidad Magnética

En electromagnetismo, se denomina susceptibilidad magnética a una constante de proporcionalidad adimensional que indica el grado de sensibilidad a la magnetización de un material influenciado por un campo magnético.

Diamagnetismo

El diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en repeler los campos magnéticos, haciendo que la magnetización sea menor a cero. Los superconductores son diamagnéticos perfectos, pero pierden su superconductividad a temperaturas más altas o en presencia de un campo magnético. A temperatura ambiente, materiales como el oro, cobre, plata, silicio y alúmina son diamagnéticos.

Paramagnetismo

Los materiales paramagnéticos se convierten en imanes al ser colocados en un campo magnético y, además, se orientan en la misma dirección que este campo. Una vez que cesa el campo magnético, desaparece el magnetismo. Cuando no existe campo magnético, los momentos magnéticos interaccionan entre ellos muy débilmente y se orientan al azar. Cuando existe un campo magnético externo, los momentos magnéticos quedan alineados paralelamente al campo. Esta propiedad disminuye al aumentar la temperatura. Ejemplos: Aluminio, Titanio, aleaciones de cobre. La susceptibilidad magnética se encuentra entre 10-4 y 10-5.

Ferromagnetismo

Los dipolos impares permanentes quedan alineados con facilidad con el campo magnético impuesto debido a la interacción de intercambio, o refuerzo mutuo de los dipolos. Se obtienen grandes magnetizaciones incluso para campos magnéticos pequeños, dando grandes susceptibilidades que se aproximan a 106. Se denomina temperatura de Curie a la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagnético pierde su magnetismo, comportándose como un material puramente paramagnético: Xm = C / (T – Tc). En la ecuación, C es una constante que depende del material, Tc es la temperatura de Curie y T es la temperatura por encima de Tc.

Ferrimagnetismo

En un campo magnético, los dipolos del catión A pueden alinearse con el campo, en tanto los dipolos del catión B se oponen al campo, pero debido a que el número de dipolos es diferente, resulta una magnetización neta. Puede dar una buena amplificación del campo impuesto. La mayor parte de los materiales ferrimagnéticos son cerámicos y buenos aislantes de la electricidad.

Superparamagnetismo

Si el tamaño de grano de los materiales ferrimagnéticos y ferromagnéticos es menor a cierto tamaño crítico, el material se comportará como paramagnético. Luego, la energía de cada partícula se compara con la energía térmica. En este instante, cambia su dirección aleatoriamente, así este material se comporta como si no tuviera un momento magnético neto.

Antiferromagnetismo

Los momentos producidos en dipolos cercanos quedan alineados en oposición a otros en el campo magnético, incluso si la fuerza de cada dipolo es muy alta. La magnetización es igual a cero.

Magnetización, Permeabilidad y Campo Magnético

Magnetización: cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de una bobina, se genera un campo magnético (H) y, dependiendo de su permeabilidad, amplificará el campo y su intensidad. H = nI / l, donde H es el campo magnético, I es la intensidad, l es la longitud de la bobina y n es el número de vueltas.

Estructura del Dominio

Son regiones dentro del material en las que todos los dipolos están alineados en ciertas direcciones.

Temperatura de Curie

Cuando se incrementa la temperatura a un material ferrimagnético o ferromagnético, la energía térmica adicional incrementa la movilidad de los dominios. Si se supera la temperatura de Curie, el material pasará a comportarse como paramagnético.

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