¿Qué hace que los imanes atraigan objetos y por qué algunos materiales son magnéticos y otros no? Este artículo explora los orígenes y aplicaciones del magnetismo, profundizando en las estructuras atómicas y los distintos tipos de materiales magnéticos. Descubra la ciencia que hay detrás del magnetismo y conozca los diversos usos de los materiales magnéticos en la tecnología moderna, desde los artículos domésticos cotidianos hasta las aplicaciones industriales avanzadas. La comprensión de estos principios le permitirá entender mejor el papel fundamental que desempeña el magnetismo en nuestro mundo.
El magnetismo fascina desde hace mucho tiempo.
Hace más de 3.000 años, los chinos descubrieron en la naturaleza imanes que podían atraerse entre sí o piezas de hierro. La gente utilizó su rica imaginación para comparar este fenómeno con el cuidado amoroso de una madre hacia su hijo.
Esto fue grabado en "Lushi Chunqiu - Jiqiuji": "Las piedras amables llaman al hierro y son atraídas".
La brújula, uno de los cuatro grandes inventos antiguos de China, es un ejemplo de cómo los antiguos chinos utilizaban el magnetismo.
Como sabemos, una piedra magnética es en realidad mineral de hierro (normalmente magnetita Fe3O4). También sabemos que el hierro puede ser atraído y magnetizado por un imán.
Pero, ¿por qué tienen magnetismo o se magnetizan?
¿Cómo se produce el magnetismo?
Para explicar las propiedades macroscópicas del magnetismo en los materiales, hay que empezar por los átomos e investigar el origen del magnetismo.
"La estructura determina las propiedades". Por supuesto, el magnetismo también viene determinado por la estructura interna de los átomos materiales.
La relación entre estructura atómica y magnetismo puede resumirse del siguiente modo:
(1) La propiedad magnética de un átomo procede del espín y del movimiento orbital de los electrones.
(2) La presencia de electrones no llenos en el interior del átomo es una condición necesaria para que el material tenga magnetismo.
(3) La "interacción de intercambio" entre electrones es la razón fundamental por la que los átomos tienen magnetismo.
El magnetismo atómico es la base de los materiales magnéticos, y el magnetismo atómico procede del momento magnético de los electrones.
El movimiento de los electrones es la fuente del momento magnético electrónico. Los electrones tienen tanto movimiento de rotación alrededor del núcleo atómico como movimiento de espín intrínseco.
Por lo tanto, el momento magnético del electrón consta de dos partes: el momento magnético orbital y el momento magnético de espín.
Según la teoría de la órbita atómica de Bohr, los electrones del interior de los átomos se mueven alrededor del núcleo atómico siguiendo una órbita determinada.
El movimiento de los electrones a lo largo de la órbita corresponde a una corriente circular, que producirá en consecuencia un momento magnético orbital.
El plano del momento magnético orbital del electrón en un átomo puede tomar diferentes direcciones, pero en un campo magnético direccional, la dirección de la órbita del electrón sólo puede estar en varias direcciones fijas, es decir, la dirección de la órbita está cuantizada.
El origen del magnetismo proviene del espín de la carga del electrón, que se conoce como momento magnético de espín del electrón.
Bajo la acción de un campo magnético externo, el momento magnético de espín sólo puede ser paralelo o antiparalelo al momento magnético orbital.
En muchos materiales magnéticos, el momento magnético de espín del electrón es mayor que el momento magnético orbital del electrón.
Esto se debe a que en un cristal, la dirección del momento magnético orbital del electrón se ve modificada por el campo de la red cristalina y, por tanto, no puede formar un momento magnético compuesto que se proyecte fuera del material, lo que conduce a lo que comúnmente se denomina "apagado" o "congelación" del momento angular orbital y del momento magnético orbital.
Por lo tanto, el magnetismo de muchos materiales en estado sólido no surge principalmente del momento magnético orbital de los electrones, sino más bien del momento magnético de espín de los electrones.
Por supuesto, también existe un momento magnético de espín nuclear, pero generalmente es mucho menor que el momento magnético de espín electrónico (en tres órdenes de magnitud), por lo que puede ignorarse.
En un átomo, debido al principio de exclusión de Pauli, no es posible que dos electrones se encuentren en el mismo estado.
En un orbital sólo caben dos electrones como máximo, por lo que cuando un orbital se llena de electrones, sus momentos magnéticos de espín se anulan porque deben tener espines opuestos.
Para que el átomo forme un momento magnético externamente, debe haber un orbital de electrones sin llenar.
Por supuesto, como podemos ver en los ejemplos, ésta es sólo una condición necesaria. Metales como el Cu, el Cr, el V y muchos lantánidos tienen orbitales de electrones sin rellenar, pero no muestran magnetismo (concretamente ferromagnetismo).
Antes de hablar de la interacción de intercambio de los electrones, veamos primero la manifestación macroscópica del magnetismo material.
Según las diferentes propiedades magnéticas que se manifiestan a nivel macroscópico superponiendo la acción de los momentos magnéticos atómicos, los materiales magnéticos pueden clasificarse en diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, antiferromagnéticos y ferrimagnéticos.
(1) Diamagnetismo
El diamagnetismo se refiere al hecho de que cuando no hay campo magnético, el momento magnético de los átomos con capas de electrones completamente llenas es igual a cero, o el momento magnético total de algunas moléculas es cero, y no presenta magnetismo macroscópico.
Pero bajo la acción de un campo magnético, el movimiento orbital de los electrones producirá un movimiento adicional, dando lugar a un momento magnético inducido opuesto a la dirección del campo magnético externo pero con un valor muy pequeño.
Este fenómeno se denomina diamagnetismo.
Los materiales diamagnéticos más comunes son Na+, K+, Ca2+, F-, Cl, etc.
(2) Paramagnetismo
El paramagnetismo se refiere al hecho de que los átomos tienen momentos magnéticos que no se anulan completamente y, por tanto, tienen un momento magnético total.
Sin embargo, como la dirección de los momentos magnéticos atómicos es caótica, los efectos externos se anulan entre sí y no presenta magnetismo macroscópico.
Pero bajo la acción de un campo magnético externo, cada momento magnético atómico se alinea más a menudo con la dirección del campo magnético, y menos a menudo contra él, lo que puede manifestarse como magnetismo débil a nivel macroscópico. De hecho, el material se magnetiza de este modo.
Los experimentos demuestran que cuanto mayor es la temperatura, menor es la magnetización de los materiales paramagnéticos. Esto se debe a que el movimiento térmico destruye la orientación regular de los momentos magnéticos atómicos.
Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la energía térmica de los átomos, lo que dificulta que los momentos magnéticos atómicos se alineen con el campo magnético externo y, por tanto, la magnetización es menor.
(3) Ferromagnetismo
El ferromagnetismo se refiere al fenómeno en el que átomos adyacentes pueden alinearse ordenadamente hacia la dirección de un campo magnético externo debido a interacciones mutuas.
Por lo general, los materiales ferromagnéticos pueden alcanzar una elevada magnetización incluso en campos magnéticos débiles; una vez retirado el campo magnético externo, pueden seguir conservando un fuerte magnetismo.
¿Por qué los materiales ferromagnéticos pueden magnetizarse hasta la saturación incluso en campos magnéticos débiles?
Esto se debe a que los momentos magnéticos atómicos internos de estos materiales ya se han alineado en cierta dirección hasta cierto punto, sin la acción de un campo magnético externo, lo que comúnmente se denomina magnetización espontánea.
Esta magnetización espontánea se divide en pequeñas regiones, y dentro de cada región, los momentos magnéticos atómicos son paralelos entre sí. Estas pequeñas regiones se denominan dominios magnéticos.
Las orientaciones de magnetización espontánea de los distintos dominios magnéticos en el interior del material son diferentes entre sí, y anulan los efectos de los demás externamente, por lo que todo el material no presenta magnetismo macroscópico.
En otras palabras, los materiales ferromagnéticos se componen de pequeños "imanes" dispuestos de forma irregular y que no presentan magnetismo externo en virtud de regularidades estadísticas.
Sin embargo, cuando una fuerza externa (campo magnético externo) ordena la polaridad de cada "pequeño imán" en la misma dirección, exhibe un fuerte magnetismo externo.
La magnetización espontánea de los dominios magnéticos en el interior de los materiales ferromagnéticos es una razón importante de su ferromagnetismo.
Esto explica por qué los "átomos con capas de electrones sin rellenar" son sólo una condición necesaria para el magnetismo material.
En sentido estricto, lo que solemos llamar magnetismo debería ser en realidad ferromagnetismo.
Por tanto, elementos como el Mn y el Cr, aunque también poseen momentos magnéticos atómicos, no tienen magnetismo (ferromagnetismo) interno.
(4) Antiferromagnetismo
El antiferromagnetismo se refiere al fenómeno en el que, bajo la acción de un campo magnético, átomos o iones adyacentes con el mismo espín se disponen en direcciones opuestas, provocando que sus momentos magnéticos se anulen entre sí, haciéndolos similares a los materiales paramagnéticos y sin exhibir magnetismo.
(5) Ferrimagnetismo
El ferrimagnetismo es esencialmente un antiferromagnetismo en el que los momentos magnéticos inversos de dos subredes no se anulan por completo.
Se parece al ferromagnetismo en que presenta un fuerte magnetismo, pero se diferencia del ferromagnetismo en que su magnetismo procede de la diferencia entre dos momentos magnéticos opuestos y desiguales.
En la actualidad, muchas ferritas (óxidos compuestos de hierro y uno o varios metales) que se han estudiado pertenecen a los materiales ferrimagnéticos.
El ferrimagnetismo y el antiferromagnetismo están estrechamente relacionados. Partiendo de una estructura antiferromagnética conocida, puede reconfigurarse mediante sustituciones de elementos en un material ferrimagnético que mantenga la estructura magnética original pero tenga dos subredes con momentos magnéticos desiguales.
Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos se denominan colectivamente materiales magnéticos fuertes, y representan la principal dirección de desarrollo de los materiales magnéticos.
Interacción A continuación, veamos cómo afecta la interacción de intercambio de electrones al momento magnético de espín de los electrones y, por tanto, al magnetismo macroscópico de los materiales.
La interacción de intercambio entre átomos se refiere generalmente a la interacción electrostática causada por el intercambio mutuo de posiciones de electrones en átomos adyacentes.
En concreto, cuando dos átomos están próximos, además de considerar que el electrón 1 se mueve alrededor del núcleo 1 y el electrón 2 alrededor del núcleo 2, puesto que los electrones son indistinguibles, debemos considerar también la posibilidad de que se intercambien las posiciones de los dos electrones, de forma que el electrón 1 parezca moverse alrededor del núcleo 2, y el electrón 2 parezca moverse alrededor del núcleo 1.
Por ejemplo, en un átomo de hidrógeno, este tipo de intercambio de electrones se produce con una frecuencia de unas 1018 veces por segundo. El cambio de energía causado por esta interacción de intercambio se denomina energía de intercambio, denotada como Eex.
En general, la energía de enlace atómico puede expresarse como:
E=E0+E '=E0+(C+A)
Donde E0 es la energía total de cada átomo en su estado fundamental;
C es el incremento de energía resultante de la interacción eléctrica estática de Coulomb entre núcleos y electrones;
A es el incremento de energía resultante del intercambio de electrones, generalmente denominado constante de energía de intercambio.
A depende del grado de proximidad de las capas de electrones parcialmente llenas de los átomos vecinos, y es una energía que mide la magnitud de la interacción de intercambio.
Las pruebas experimentales demuestran que el cambio de energía (es decir, la energía de intercambio Eex) causado por la interacción de intercambio de dos electrones en una molécula de hidrógeno puede expresarse aproximadamente de la siguiente manera:
Eex =ΔE=-2ASaSbcosφ
Donde Sa y Sb representan los números cuánticos de espín de los dos electrones. φ es el ángulo entre las direcciones de los momentos magnéticos de espín de los dos electrones, y su posible rango de variación es de 0° a 180°.
Aunque la ecuación anterior se obtiene a partir de la interacción de intercambio entre átomos de hidrógeno con un solo electrón, tiene un significado general para el análisis cualitativo de la interacción de intercambio de átomos multielectrónicos. Un análisis más detallado revela que:
(1) Cuando A>0, si φ=180°, cosφ=-1, lo que indica que las direcciones de los momentos magnéticos de espín de los dos electrones son opuestas, es decir, los momentos magnéticos de espín de los electrones están dispuestos antiparalelamente, y Eex(180)=+2ASaSb; si φ=0°, lo que indica que las direcciones de los momentos magnéticos de espín de los dos electrones son iguales, y los momentos magnéticos de espín de los electrones están dispuestos paralelamente, Eex(0)=-2ASaSb.
Además, si 0°<φ<180°, entonces las direcciones de espín de los dos electrones no son ni iguales ni opuestas, sino que están separadas por un ángulo φ, y su energía de intercambio Eex se encuentra entre los dos, es decir, Eex(0°)<Eex<Eex(180°). De acuerdo con la ley básica de minimización de la energía siendo el estado más estable, se puede ver que la energía del sistema se minimiza sólo cuando φ=0°, momento en el que el sistema se encuentra en el estado más estable.
Cuando las direcciones de los momentos magnéticos de espín adyacentes de los dos electrones son iguales, los momentos magnéticos de espín de los electrones se disponen necesariamente en paralelo, dando lugar a la magnetización espontánea y conduciendo a la existencia del ferromagnetismo en la materia.
(2) Cuando A < 0, sólo cuando φ = 180°, la energía de todo el sistema se minimiza, lo que significa que la dirección del espín del electrón está dispuesta de forma antiparalela, lo que es antiferromagnetismo.
(3) Cuando |A| es muy pequeño, la interacción de intercambio entre estos dos átomos adyacentes es débil, y la energía de intercambio Eex es muy pequeño. Cuando φ está alrededor de 90o, la energía es baja, por lo que la dirección del momento magnético es caótica, y el material es paramagnético.
En resumen, las propiedades específicas del magnetismo de los materiales dependen de A, es decir, del grado de proximidad de las envolturas electrónicas sin relleno de los átomos vecinos.
Por tanto, el magnetismo de los materiales viene determinado por la distribución de electrones en los átomos y la estructura cristalina del material.
Las características del magnetismo hacen que los materiales magnéticos sean cruciales para el desarrollo de las industrias de alta tecnología, y constituyen un pilar importante para el avance de la ciencia y la tecnología. También constituyen un área de investigación muy activa en la tecnología moderna.
Dado el destacado papel de los materiales magnéticos en la actual sociedad de la información, el nivel de desarrollo tecnológico de un país puede reflejarse en sus materiales magnéticos, y la demanda de este tipo de material puede utilizarse para calibrar el nivel económico y de vida medio de un país.
A continuación, describiremos brevemente algunos materiales magnéticos habituales en la vida cotidiana.
El término "materiales magnéticos" se refiere principalmente a los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos.
Según su distribución magnética, pueden dividirse en materiales magnéticos duros (permanentes), materiales magnéticos semiduros y materiales magnéticos blandos.
Materiales Los materiales magnéticos blandos se refieren a materiales que se magnetizan y desmagnetizan fácilmente con corriente alterna, normalmente con propiedades ferrimagnéticas.
Tienen algunas propiedades especiales:
(1) A través de la magnetización de campo magnético externo, pueden tener una alta intensidad de inducción magnética máxima;
(2) Bajo la magnetización de un campo magnético externo de cierta intensidad, los propios materiales magnéticos blandos pueden tener una mayor intensidad de inducción magnética;
(3) La resistencia al movimiento del dominio magnético en materiales magnéticos blandos es pequeña.
Debido a estas propiedades, los materiales magnéticos blandos se utilizan ampliamente en comunicación, radiodifusión, televisión, instrumentación y tecnología electrónica moderna. Suelen utilizarse como núcleos de generadores y transformadores de distribución.
En estos campos, se exige a los materiales magnéticos una gran sensibilidad a los cambios en los campos magnéticos externos.
Si el material es difícil de magnetizar o si las propiedades magnéticas no se liberan fácilmente tras la magnetización, no puede cumplir los requisitos de estas aplicaciones. Los materiales ferrimagnéticos blandos son ideales para estos fines.
Por lo tanto, los materiales ferrimagnéticos blandos se encuentran entre los primeros materiales magnéticos desarrollados, los más diversos, los de mayor rendimiento y los más utilizados.
Los materiales magnéticos duros, también conocidos como imanes permanentes, pueden mantener una fuerte magnetización después de ser imantados y pueden proporcionar un campo magnético constante a un espacio determinado durante mucho tiempo sin consumir energía eléctrica.
Suelen ser materiales ferromagnéticos. Los materiales magnéticos duros se utilizan mucho en motores eléctricos, generadores, altavoces, rodamientos, elementos de fijación y dispositivos de transmisión.
El magnetismo permanente de los materiales magnéticos duros es precisamente lo que requieren estos campos.
Por ejemplo, los motores y generadores eléctricos necesitan un cuerpo magnético con un campo magnético constante para funcionar, y los imanes permanentes son ideales porque no consumen energía eléctrica para mantener sus propiedades magnéticas.
Sin embargo, debido a la escasa variabilidad de los materiales magnéticos duros, aunque ofrecen una gran estabilidad, su ámbito de uso es limitado.
Los materiales magnéticos semiduros tienen propiedades intermedias entre los materiales magnéticos blandos y los materiales magnéticos duros.
Se caracterizan por una intensidad de inducción magnética residual estable bajo campos magnéticos externos inferiores a un determinado valor (similar a los materiales magnéticos duros), pero también tienen tendencia a cambiar la dirección de su magnetización bajo campos magnéticos inversos superiores a un determinado umbral, similar a los materiales magnéticos blandos.
Por lo tanto, los materiales magnéticos semiduros se utilizan como materiales dinámicos y, con la sociedad cada vez más inteligente, existe una creciente demanda de materiales dinámicos, lo que convierte a los materiales magnéticos semiduros en un prometedor campo de desarrollo.
Las aplicaciones incluyen relés, dispositivos de almacenamiento semifijos y dispositivos de alarma.
Los soportes de grabación magnética son un importante tipo de material magnético semiduro, muy utilizado en dispositivos de almacenamiento de información como discos duros, cintas magnéticas y tarjetas de crédito.
Los materiales magnéticos semiduros desempeñan un papel fundamental en estas aplicaciones por sus propiedades dinámicas.
Tomando como ejemplo las unidades de disco duro, el material magnético semiduro se utiliza principalmente en la parte del disco.
Cuando el disco gira, si el cabezal permanece en una posición, cada cabezal creará una pista circular en la superficie del disco.
Estas pistas circulares se denominan pistas, que son básicamente circuitos magnéticos con huecos.
Durante el proceso de escritura, el ordenador convierte la información en corriente eléctrica y la envía a la bobina que rodea la cabeza.
La corriente en la bobina magnetiza el cabezal, y el campo magnético generado por el cabezal magnetizado magnetiza el medio en la pista.
Como el tamaño de la corriente es diferente, el campo magnético del cabezal cambia, lo que a su vez modifica la magnetización del soporte magnético y registra datos diferentes.
A medida que el cabezal y el disco se mueven, se graban grandes cantidades de información en el disco.
El proceso de lectura se ejecuta en la dirección opuesta al proceso de escritura, utilizando el campo magnético del medio magnético para producir un cambio en el flujo magnético en el cabezal, generando una corriente variable en la bobina, que sirve como una señal eléctrica que puede ser utilizada por el ordenador.
Los materiales magnéticos desempeñan un papel significativo en nuestra vida cotidiana, y su importancia es evidente. Creemos que con un conocimiento más profundo del magnetismo y los avances en la tecnología de los materiales magnéticos, estos tendrán aplicaciones aún más amplias en nuestras vidas.
El análisis anterior es relativamente general y sencillo.
Comprender los principios más profundos y cómo controlar las propiedades magnéticas de los materiales magnéticos para nuestro uso será la dirección que necesitemos para seguir avanzando en el futuro.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
ES 
EN 
AR 
DE 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO