El ferromagnetismo es una propiedad de ciertos materiales (como el hierro ) que da como resultado una permeabilidad magnética significativa y observable y, en muchos casos, una coercitividad magnética significativa , lo que permite que el material forme un imán permanente . Los materiales ferromagnéticos son notablemente atraídos por un imán, lo que es consecuencia de su importante permeabilidad magnética.
La permeabilidad magnética describe la magnetización inducida de un material debido a la presencia de un campo magnético externo. Por ejemplo, esta magnetización temporal dentro de una placa de acero explica la atracción de la placa hacia un imán. Que esa placa de acero adquiera o no magnetización permanente depende tanto de la intensidad del campo aplicado como de la coercitividad de esa pieza de acero en particular (que varía según la composición química del acero y cualquier tratamiento térmico que haya sufrido).
En física se han distinguido múltiples tipos de magnetismo material . El ferromagnetismo (junto con el ferrimagnetismo de efecto similar ) es el tipo más fuerte y es responsable del fenómeno común del magnetismo cotidiano. [1] Un ejemplo de imán permanente formado a partir de un material ferromagnético es un imán de refrigerador . [2]
Las sustancias responden débilmente a otros tres tipos de magnetismo ( paramagnetismo , diamagnetismo y antiferromagnetismo ), pero las fuerzas suelen ser tan débiles que sólo pueden detectarse con instrumentos de laboratorio.
Los imanes permanentes (materiales que pueden ser magnetizados por un campo magnético externo y permanecer magnetizados después de que se elimina el campo externo) son ferromagnéticos o ferrimagnéticos, al igual que los materiales que son atraídos por ellos. Relativamente pocos materiales son ferromagnéticos. Por lo general, son formas puras, aleaciones o compuestos de hierro , cobalto , níquel y ciertos metales de tierras raras .
El ferromagnetismo es vital en aplicaciones industriales y tecnologías modernas, y forma la base de dispositivos eléctricos y electromecánicos como electroimanes , motores eléctricos , generadores , transformadores , almacenamiento magnético (incluidas grabadoras y discos duros ) y pruebas no destructivas de materiales ferrosos.
Los materiales ferromagnéticos se pueden dividir en materiales magnéticamente blandos (como el hierro recocido ), que no tienden a permanecer magnetizados, y materiales magnéticamente duros, que sí lo hacen. Los imanes permanentes están hechos de materiales ferromagnéticos duros (como el álnico ) y materiales ferrimagnéticos (como la ferrita ) que se someten a un procesamiento especial en un fuerte campo magnético durante la fabricación para alinear su estructura microcristalina interna , lo que dificulta su desmagnetización. Para desmagnetizar un imán saturado, se debe aplicar un campo magnético. El umbral en el que se produce la desmagnetización depende de la coercitividad del material. Los materiales magnéticamente duros tienen una alta coercitividad, mientras que los materiales magnéticamente blandos tienen una coercitividad baja.
La fuerza total de un imán se mide por su momento magnético o, alternativamente, por su flujo magnético total . La fuerza local del magnetismo en un material se mide por su magnetización .
Históricamente, el término ferromagnetismo se utilizó para cualquier material que pudiera exhibir magnetización espontánea : un momento magnético neto en ausencia de un campo magnético externo; es decir, cualquier material que pudiera convertirse en imán . Esta definición todavía es de uso común. [3]
En un artículo histórico de 1948, Louis Néel demostró que dos niveles de alineación magnética dan como resultado este comportamiento. Uno es el ferromagnetismo en sentido estricto, donde todos los momentos magnéticos están alineados. El otro es el ferrimagnetismo , donde algunos momentos magnéticos apuntan en dirección opuesta pero tienen una contribución menor, por lo que está presente la magnetización espontánea. [4] [5] : 28–29
En el caso especial en el que los momentos opuestos se equilibran completamente, el alineamiento se conoce como antiferromagnetismo ; Los antiferromagnetos no tienen una magnetización espontánea.
El ferromagnetismo es una propiedad inusual que ocurre sólo en unas pocas sustancias. Los más comunes son los metales de transición hierro , níquel y cobalto , así como sus aleaciones y aleaciones de metales de tierras raras . Es una propiedad no sólo de la composición química de un material, sino también de su estructura cristalina y microestructura. El ferromagnetismo resulta de que estos materiales tienen muchos electrones desapareados en su bloque d (en el caso del hierro y sus parientes) o en el bloque f (en el caso de los metales de tierras raras), como resultado de la regla de máxima multiplicidad de Hund . Existen aleaciones de metales ferromagnéticos cuyos constituyentes no son en sí mismos ferromagnéticos, llamadas aleaciones de Heusler , que llevan el nombre de Fritz Heusler . Por el contrario, existen aleaciones no magnéticas, como tipos de acero inoxidable , compuestas casi exclusivamente de metales ferromagnéticos.
Las aleaciones metálicas ferromagnéticas amorfas (no cristalinas) se pueden fabricar mediante un enfriamiento rápido de una aleación. Estos tienen la ventaja de que sus propiedades son casi isotrópicas (no alineadas a lo largo de un eje cristalino); esto da como resultado una baja coercitividad , una baja pérdida por histéresis , una alta permeabilidad y una alta resistividad eléctrica. Uno de esos materiales típicos es una aleación de metal de transición y metaloide , hecha de aproximadamente un 80% de metal de transición (generalmente Fe, Co o Ni) y un componente metaloide ( B , C , Si , P o Al ) que reduce el punto de fusión.
Una clase relativamente nueva de materiales ferromagnéticos excepcionalmente fuertes son los imanes de tierras raras . Contienen elementos lantánidos que son conocidos por su capacidad de transportar grandes momentos magnéticos en orbitales f bien localizados .
La tabla enumera una selección de compuestos ferromagnéticos y ferrimagnéticos, junto con su temperatura de Curie ( T C ), por encima de la cual dejan de exhibir magnetización espontánea.
La mayoría de los materiales ferromagnéticos son metales, ya que los electrones conductores suelen ser responsables de mediar las interacciones ferromagnéticas. Por tanto, es un desafío desarrollar aisladores ferromagnéticos, especialmente materiales multiferroicos , que sean a la vez ferromagnéticos y ferroeléctricos . [8]
Varios compuestos actínidos son ferromagnetos a temperatura ambiente o exhiben ferromagnetismo al enfriarse. Pu P es un paraimán con simetría cúbica a temperatura ambiente , pero que sufre una transición estructural a un estado tetragonal con orden ferromagnético cuando se enfría por debajo de su T C = 125 K. En su estado ferromagnético, el eje fácil de PuP está en la dirección ⟨100⟩. [9]
En Np Fe 2 el eje fácil es ⟨111⟩. [10] Por encima de T C ≈ 500 K , NpFe 2 también es paramagnético y cúbico. El enfriamiento por debajo de la temperatura de Curie produce una distorsión romboédrica en la que el ángulo romboédrico cambia de 60° (fase cúbica) a 60,53°. Una descripción alternativa de esta distorsión es considerar la longitud c a lo largo del único eje trigonal (después de que ha comenzado la distorsión) y a como la distancia en el plano perpendicular a c . En la fase cúbica esto se reduce a c / a = 1,00 . Por debajo de la temperatura de Curie
que es la cepa más grande de cualquier compuesto actínido . [11] NpNi 2 sufre una distorsión reticular similar por debajo de T C = 32 K , con una deformación de (43 ± 5) × 10 −4 . [11] NpCo 2 es un ferrimagnet por debajo de 15 K.
En 2009, un equipo de físicos del MIT demostró que un gas de litio enfriado a menos de un kelvin puede presentar ferromagnetismo. [12] El equipo enfrió el litio-6 fermiónico a menos de 150 nK (150 milmillonésimas de un kelvin) utilizando enfriamiento por láser infrarrojo . Esta demostración es la primera vez que se demuestra ferromagnetismo en un gas.
En raras circunstancias, se puede observar ferromagnetismo en compuestos que constan únicamente de elementos del bloque s y del bloque p, como el sesquióxido de rubidio . [13]
En 2018, un equipo de físicos de la Universidad de Minnesota demostró que el rutenio tetragonal centrado en el cuerpo exhibe ferromagnetismo a temperatura ambiente. [14]
Investigaciones recientes han mostrado evidencia de que el ferromagnetismo puede ser inducido en algunos materiales por una corriente o voltaje eléctrico. Los antiferromagnéticos LaMnO 3 y SrCoO se han convertido en ferromagnéticos mediante una corriente. En julio de 2020, los científicos informaron que se inducía ferromagnetismo en el abundante material diamagnético pirita de hierro ("oro de los tontos") mediante la aplicación de un voltaje. [15] [16] En estos experimentos, el ferromagnetismo se limitó a una capa superficial delgada.
El teorema de Bohr-Van Leeuwen , descubierto en la década de 1910, demostró que las teorías de la física clásica no pueden explicar ninguna forma de magnetismo material, incluido el ferromagnetismo; la explicación depende más bien de la descripción mecánicocuántica de los átomos . Cada uno de los electrones de un átomo tiene un momento magnético según su estado de espín , como lo describe la mecánica cuántica. El principio de exclusión de Pauli , también consecuencia de la mecánica cuántica, restringe la ocupación de los estados de espín de los electrones en los orbitales atómicos , lo que generalmente provoca que los momentos magnéticos de los electrones de un átomo se cancelen en gran medida o por completo. [17] Un átomo tendrá un momento magnético neto cuando esa cancelación sea incompleta.
Una de las propiedades fundamentales de un electrón (además de que lleva carga) es que tiene un momento dipolar magnético , es decir, se comporta como un imán diminuto, produciendo un campo magnético . Este momento dipolar proviene de una propiedad más fundamental del electrón: su espín mecánico cuántico. Debido a su naturaleza cuántica, el espín del electrón puede estar en uno de sólo dos estados, con el campo magnético apuntando "arriba" o "abajo" (para cualquier elección de arriba o abajo). El espín del electrón en los átomos es la principal fuente de ferromagnetismo, aunque también existe una contribución del momento angular orbital del electrón alrededor del núcleo . Cuando estos dipolos magnéticos en un trozo de materia están alineados (apuntan en la misma dirección), sus pequeños campos magnéticos individuales se suman para crear un campo macroscópico mucho más grande.
Sin embargo, los materiales hechos de átomos con capas electrónicas llenas tienen un momento dipolar total de cero: debido a que todos los electrones existen en pares con espín opuesto, el momento magnético de cada electrón es cancelado por el momento opuesto del segundo electrón del par. Sólo los átomos con capas parcialmente llenas (es decir, espines no apareados ) pueden tener un momento magnético neto, por lo que el ferromagnetismo ocurre sólo en materiales con capas parcialmente llenas. Debido a las reglas de Hund , los primeros electrones de una capa tienden a tener el mismo espín [ dudoso ] , aumentando así el momento dipolar total.
Estos dipolos desapareados (a menudo llamados simplemente "espines", aunque generalmente también incluyen momento angular orbital) tienden a alinearse en paralelo a un campo magnético externo, lo que lleva a un efecto macroscópico llamado paramagnetismo . Sin embargo, en el ferromagnetismo, la interacción magnética entre los dipolos magnéticos de los átomos vecinos es lo suficientemente fuerte como para alinearse entre sí independientemente de cualquier campo aplicado, lo que resulta en la magnetización espontánea de los llamados dominios. Esto da como resultado la gran permeabilidad magnética observada de los ferromagnéticos y la capacidad de los materiales magnéticamente duros para formar imanes permanentes .
Cuando dos átomos cercanos tienen electrones desapareados, el hecho de que los espines de los electrones sean paralelos o antiparalelos afecta la posibilidad de que los electrones puedan compartir la misma órbita como resultado del efecto de la mecánica cuántica llamado interacción de intercambio . Esto a su vez afecta la ubicación de los electrones y la interacción de Coulomb (electrostática) y, por tanto, la diferencia de energía entre estos estados.
La interacción de intercambio está relacionada con el principio de exclusión de Pauli, que dice que dos electrones con el mismo espín no pueden estar también en el mismo estado espacial (orbital). Esto es una consecuencia del teorema de la estadística de espín y de que los electrones son fermiones . Por lo tanto, bajo ciertas condiciones, cuando los orbitales de los electrones de valencia externos desapareados de átomos adyacentes se superponen, las distribuciones de su carga eléctrica en el espacio están más separadas cuando los electrones tienen espines paralelos que cuando tienen espines opuestos. Esto reduce la energía electrostática de los electrones cuando sus espines son paralelos en comparación con su energía cuando los espines son antiparalelos, por lo que el estado de espines paralelos es más estable. Esta diferencia de energía se llama energía de intercambio . En términos simples, los electrones externos de los átomos adyacentes, que se repelen entre sí, pueden separarse más alineando sus espines en paralelo, por lo que los espines de estos electrones tienden a alinearse.
Esta diferencia de energía puede ser órdenes de magnitud mayor que las diferencias de energía asociadas con la interacción dipolo-dipolo magnético debido a la orientación del dipolo, [18] que tiende a alinear los dipolos en forma antiparalela. En ciertos óxidos semiconductores dopados, se ha demostrado que las interacciones RKKY provocan interacciones magnéticas periódicas de mayor alcance, un fenómeno de importancia en el estudio de materiales espintrónicos . [19]
Los materiales en los que la interacción de intercambio es mucho más fuerte que la interacción dipolo-dipolo competidora se denominan frecuentemente materiales magnéticos . Por ejemplo, en el hierro (Fe), la fuerza de intercambio es aproximadamente 1.000 veces más fuerte que la interacción dipolar. Por lo tanto, por debajo de la temperatura de Curie, prácticamente todos los dipolos de un material ferromagnético estarán alineados. Además del ferromagnetismo, la interacción de intercambio también es responsable de otros tipos de ordenamiento espontáneo de los momentos magnéticos atómicos que ocurren en los sólidos magnéticos: antiferromagnetismo y ferrimagnetismo. Existen diferentes mecanismos de interacción de intercambio que crean el magnetismo en diferentes sustancias ferromagnéticas, [20] ferrimagnéticas y antiferromagnéticas; estos mecanismos incluyen el intercambio directo , el intercambio RKKY , el intercambio doble y el superintercambio .
Aunque la interacción de intercambio mantiene alineados los espines, no los alinea en una dirección particular. Sin anisotropía magnética , los espines de un imán cambian aleatoriamente de dirección en respuesta a fluctuaciones térmicas , y el imán es superparamagnético . Existen varios tipos de anisotropía magnética, la más común de las cuales es la anisotropía magnetocristalina . Ésta es una dependencia de la energía de la dirección de magnetización con respecto a la red cristalográfica . Otra fuente común de anisotropía , la magnetoestricción inversa , es inducida por tensiones internas . Los imanes de dominio único también pueden tener una anisotropía de forma debido a los efectos magnetostáticos de la forma de las partículas. A medida que aumenta la temperatura de un imán, la anisotropía tiende a disminuir y, a menudo, hay una temperatura de bloqueo en la que se produce una transición al superparamagnetismo. [21]
La alineación espontánea de los dipolos magnéticos en materiales ferromagnéticos parecería sugerir que cada pieza de material ferromagnético debería tener un campo magnético fuerte, ya que todos los espines están alineados; sin embargo, el hierro y otros ferromagnetos se encuentran a menudo en un estado "no magnetizado". Esto se debe a que una gran pieza de material ferromagnético se divide en pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos [22] (también conocidos como dominios de Weiss ). Dentro de cada dominio, los espines están alineados, pero si el material en masa está en su configuración de energía más baja (es decir, "no magnetizado"), los espines de dominios separados apuntan en direcciones diferentes y sus campos magnéticos se cancelan, por lo que el material en masa no tiene red. campo magnético a gran escala.
Los materiales ferromagnéticos se dividen espontáneamente en dominios magnéticos porque la interacción de intercambio es una fuerza de corto alcance, por lo que en distancias largas de muchos átomos, prevalece la tendencia de los dipolos magnéticos a reducir su energía orientándose en direcciones opuestas. Si todos los dipolos de una pieza de material ferromagnético están alineados en paralelo, se crea un gran campo magnético que se extiende hacia el espacio que lo rodea. Este contiene mucha energía magnetostática . El material puede reducir esta energía dividiéndose en muchos dominios que apuntan en diferentes direcciones, de modo que el campo magnético se limita a pequeños campos locales en el material, lo que reduce el volumen del campo. Los dominios están separados por delgadas paredes de dominio de varias moléculas de espesor, en las que la dirección de magnetización de los dipolos gira suavemente de la dirección de un dominio a la otra.
Por tanto, un trozo de hierro en su estado de energía más bajo ("no magnetizado") generalmente tiene poco o ningún campo magnético neto. Sin embargo, los dominios magnéticos de un material no están fijos en su lugar; son simplemente regiones donde los espines de los electrones se han alineado espontáneamente debido a sus campos magnéticos y, por tanto, pueden verse alterados por un campo magnético externo. Si se aplica un campo magnético externo lo suficientemente fuerte al material, las paredes del dominio se moverán mediante un proceso en el que los espines de los electrones en los átomos cerca de la pared en un dominio giran bajo la influencia del campo externo para enfrentarse en el mismo. dirección que los electrones en el otro dominio, reorientando así los dominios para que más dipolos estén alineados con el campo externo. Los dominios permanecerán alineados cuando se elimine el campo externo y se sumarán para crear un campo magnético propio que se extenderá hacia el espacio alrededor del material, creando así un imán "permanente". Los dominios no vuelven a su configuración de energía mínima original cuando se elimina el campo porque las paredes del dominio tienden a "fijarse" o "engancharse" en defectos en la red cristalina, preservando su orientación paralela. Esto lo demuestra el efecto Barkhausen : a medida que cambia el campo magnetizante, la magnetización del material cambia en miles de pequeños saltos discontinuos a medida que las paredes del dominio "rompen" repentinamente los defectos.
Esta magnetización en función de un campo externo se describe mediante una curva de histéresis . Aunque este estado de dominios alineados que se encuentra en un trozo de material ferromagnético magnetizado no es una configuración de energía mínima, es metaestable y puede persistir durante largos períodos, como lo demuestran muestras de magnetita del fondo marino que han mantenido su magnetización durante millones. de años.
Calentar y luego enfriar ( recocido ) un material magnetizado, someterlo a vibración martillandolo o aplicar un campo magnético que oscila rápidamente desde una bobina desmagnetizadora tiende a liberar las paredes del dominio de su estado fijado, y los límites del dominio tienden a retroceder a una configuración de menor energía con menos campo magnético externo, desmagnetizando así el material.
Los imanes comerciales están hechos de materiales ferromagnéticos o ferrimagnéticos "duros" con una anisotropía magnética muy grande, como alnico y ferritas , que tienen una tendencia muy fuerte a que la magnetización apunte a lo largo de un eje del cristal, el "eje fácil". Durante la fabricación, los materiales se someten a varios procesos metalúrgicos en un potente campo magnético, que alinea los granos de cristal de modo que sus "fáciles" ejes de magnetización apunten en la misma dirección. Por lo tanto, la magnetización y el campo magnético resultante están "integrados" en la estructura cristalina del material, lo que hace que sea muy difícil desmagnetizarlo.
A medida que aumenta la temperatura de un material, el movimiento térmico o entropía compite con la tendencia ferromagnética de los dipolos a alinearse. Cuando la temperatura aumenta más allá de cierto punto, llamado temperatura de Curie , se produce una transición de fase de segundo orden y el sistema ya no puede mantener una magnetización espontánea, por lo que su capacidad de ser magnetizado o atraído por un imán desaparece, aunque todavía responde. paramagnéticamente a un campo externo. Por debajo de esa temperatura, se produce una ruptura espontánea de la simetría y los momentos magnéticos se alinean con sus vecinos. La temperatura de Curie en sí misma es un punto crítico , donde la susceptibilidad magnética es teóricamente infinita y, aunque no hay magnetización neta, las correlaciones de espín similares a dominios fluctúan en todas las escalas de longitud.
El estudio de las transiciones de fase ferromagnéticas, especialmente a través del modelo simplificado de espín de Ising , tuvo un impacto importante en el desarrollo de la física estadística . Allí se demostró claramente por primera vez que los enfoques de la teoría de campos medios no lograban predecir el comportamiento correcto en el punto crítico (que se encontró que entraba dentro de una clase de universalidad que incluye muchos otros sistemas, como las transiciones líquido-gas), y tenía que ser analizado. reemplazado por la teoría del grupo de renormalización . [ cita necesaria ]
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