Por qué los imanes no tienen efectos sobre algunos metales

El magnetismo y la electricidad están conectados tan íntimamente que incluso podría considerarlos dos caras de la misma moneda. Las propiedades magnéticas que exhiben algunos metales son el resultado de las condiciones del campo electrostático en los átomos que componen el metal.

De hecho, todos los elementos tienen propiedades magnéticas, pero la mayoría no las manifiesta de forma obvia. Los metales que se sienten atraídos por los imanes tienen una cosa en común, y son los electrones desapareados en sus capas externas. Esa es solo una receta electrostática para el magnetismo, y es la más importante.

Los metales que puede magnetizar permanentemente se conocen comoferromagnéticometales, y la lista de estos metales es pequeña. El nombre viene deFerrum, la palabra latina para hierro.​

Hay una lista mucho más larga de materiales que sonparamagnético, lo que significa que se magnetizan temporalmente cuando están en presencia de un campo magnético. Los materiales paramagnéticos no son todos metales. Algunos compuestos covalentes, como el oxígeno (O

Todos los materiales que no son ferromagnéticos o paramagnéticos sondiamagnético, lo que significa que exhiben una ligera repulsión a los campos magnéticos y un imán ordinario no los atrae. En realidad, todos los elementos y compuestos son diamagnéticos hasta cierto punto.

Para comprender las diferencias entre estas tres clases de magnetismo, debe observar lo que está sucediendo a nivel atómico.

En el modelo actualmente aceptado del átomo, el núcleo consta de protones cargados positivamente y neutrones eléctricamente neutros mantenidos juntos por la fuerza fuerte, una de las fuerzas fundamentales de naturaleza. Una nube de electrones cargados negativamente que ocupan niveles de energía discretos, o capas, rodea el núcleo, y estos son los que imparten cualidades magnéticas.

Un electrón en órbita genera un campo eléctrico cambiante y, según las ecuaciones de Maxwell, esa es la receta para un campo magnético.La magnitud del campo es igual al área dentro de la órbita multiplicada por la corriente.Un electrón individual genera una pequeña corriente y el campo magnético resultante, que se mide en unidades llamadasMagnetones de Bohr, también es pequeño. En un átomo típico, los campos generados por todos sus electrones en órbita generalmente se cancelan entre sí.

No es solo el movimiento orbital de un electrón lo que crea carga, sino también otra propiedad conocida comogirar. Resulta que el giro es mucho más importante para determinar las propiedades magnéticas que el movimiento orbital, porque es más probable que el espín general de un átomo sea asimétrico y capaz de crear un momento.

Puede pensar en el espín como la dirección de rotación de un electrón, aunque esto es solo una aproximación aproximada. El giro es una propiedad intrínseca de los electrones, no un estado de movimiento. Un electrón que gira en el sentido de las agujas del reloj tienegiro positivo, o girar hacia arriba, mientras que uno que gira en sentido antihorario tienegiro negativoo girar hacia abajo.

El espín del electrón es una propiedad de la mecánica cuántica sin una analogía clásica y determina la ubicación de los electrones alrededor del núcleo. Los electrones se organizan en pares de giro hacia arriba y hacia abajo en cada capa para crear una red cero.momento magnético​.

Los electrones responsables de crear propiedades magnéticas son los más externos, ovalencia, conchas del átomo. En general, la presencia de un electrón desapareado en la capa exterior de un átomo crea un momento magnético neto y confiere propiedades magnéticas, mientras que los átomos con electrones apareados en la capa exterior no tienen carga neta y son diamagnético. Esta es una simplificación excesiva, porque los electrones de valencia pueden ocupar capas de menor energía en algunos elementos, en particular el hierro (Fe).

Los bucles de corriente creados por los electrones en órbita hacen que cada material sea diamagnético, porque cuando se aplica un campo magnético, todos los bucles de corriente se alinean en oposición a él y se oponen al campo. Esta es una aplicación deLey de Lenz, que establece que un campo magnético inducido se opone al campo que lo crea. Si el espín del electrón no entrara en la ecuación, ese sería el final de la historia, pero el espín sí entra en ella.

El totalmomento magnético J​de de un átomo es la suma de susmomento angular orbitaly esmomento angular de giro. CuándoJ= 0, el átomo no es magnético, y cuandoJ≠ 0, el átomo es magnético, lo que ocurre cuando hay al menos un electrón desapareado.

En consecuencia, cualquier átomo o compuesto con orbitales completamente llenos es diamagnético. El helio y todos los gases nobles son ejemplos obvios, pero algunos metales también son diamagnéticos. Aquí están algunos ejemplos:

• Zinc
• Mercurio
• Estaño
• Telurio
• Oro
• Plata
• Cobre

El diamagnetismo no es el resultado neto de que algunos átomos de una sustancia sean arrastrados en una dirección por un campo magnético y otros en otra dirección. Cada átomo de un material diamagnético es diamagnético y experimenta la misma débil repulsión a un campo magnético externo. Esta repulsión puede crear efectos interesantes. Si suspende una barra de un material diamagnético, como el oro, en un campo magnético fuerte, se alineará perpendicularmente al campo.

Si al menos un electrón en la capa externa de un átomo no está apareado, el átomo tiene un momento magnético neto y se alineará con un campo magnético externo. En la mayoría de los casos, la alineación se pierde cuando se elimina el campo. Este es un comportamiento paramagnético y los compuestos pueden presentarlo al igual que los elementos.

Algunos de los metales paramagnéticos más comunes son:

• Magnesio
• Aluminio
• Tungsteno
• Platino

Algunos metales son tan débilmente paramagnéticos que su respuesta a un campo magnético apenas se nota. Los átomos se alinean con un campo magnético, pero la alineación es tan débil que un imán ordinario no lo atrae.

No podía recoger el metal con un imán permanente, por mucho que lo intentara. Sin embargo, podría medir el campo magnético generado en el metal si tuviera un instrumento lo suficientemente sensible. Cuando se coloca en un campo magnético de fuerza suficiente, una barra de un metal paramagnético se alineará paralelamente al campo.

Cuando piensa en una sustancia que tiene características magnéticas, generalmente piensa en un metal, pero algunos no metales, como el calcio y el oxígeno, también son paramagnéticos. Puede demostrar usted mismo la naturaleza paramagnética del oxígeno con un simple experimento.

Vierta oxígeno líquido entre los polos de un potente electroimán y el oxígeno se acumulará en los polos y se vaporizará, produciendo una nube de gas. Intente el mismo experimento con nitrógeno líquido, que no es paramagnético, y no sucederá nada.

Algunos elementos magnéticos son tan susceptibles a los campos externos que se magnetizan cuando se exponen a uno y mantienen sus características magnéticas cuando se elimina el campo. Estos elementos ferromagnéticos incluyen:

• Hierro
• Níquel
• Cobalto
• Gadolinio
• Rutenio

Estos elementos son ferromagnéticos porque los átomos individuales tienen más de un electrón desapareado en sus capas orbitales. pero también está sucediendo algo más. Los átomos de estos elementos forman grupos conocidos comodominios, y cuando introduce un campo magnético, los dominios se alinean con el campo y permanecen alineados, incluso después de eliminar el campo. Esta respuesta retrasada se conoce comohistéresis,y puede durar años.

Algunos de los imanes permanentes más fuertes se conocen comoimanes de tierras raras. Dos de los más comunes sonneodimioimanes, que consisten en una combinación de neodimio, hierro y boro, ysamario cobaltoimanes, que son una combinación de esos dos elementos. En cada tipo de imán, un material ferromagnético (hierro, cobalto) está reforzado por un elemento paramagnético de tierras raras.

​Ferritoimanes, que están hechos de hierro, yalnicoLos imanes, que están hechos de una combinación de aluminio, níquel y cobalto, son generalmente más débiles que los imanes de tierras raras. Esto los hace más seguros de usar y más adecuados para experimentos científicos.

Todo material magnético tiene una temperatura característica por encima de la cual comienza a perder sus características magnéticas. Esto se conoce como elPunto curie, llamado así por Pierre Curie, el físico francés que descubrió las leyes que relacionan la capacidad magnética con la temperatura. Por encima del punto de Curie, los átomos de un material ferromagnético comienzan a perder su alineación y el material se vuelve paramagnético o, si la temperatura es lo suficientemente alta, diamagnético.

El punto Curie para el hierro es 1418 F (770 C), y para el cobalto es 2.050 F (1.121 C), que es uno de los puntos Curie más altos. Cuando la temperatura desciende por debajo de su punto de Curie, el material recupera sus características ferromagnéticas.

La magnetita, también conocida como mineral de hierro u óxido de hierro, es el mineral gris-negro con la fórmula química Fe.₃O₄ esa es la materia prima del acero. Se comporta como un material ferromagnético, magnetizándose permanentemente cuando se expone a un campo magnético externo. Hasta mediados del siglo XX, todos asumían que era ferromagnético, pero en realidad esferrimagnéticoy hay una diferencia significativa.

El ferrimagnetismo de la magnetita no es la suma de los momentos magnéticos de todos los átomos del material, lo que sería cierto si el mineral fuera ferromagnético. Es una consecuencia de la estructura cristalina del mineral en sí.

La magnetita consta de dos estructuras de celosía separadas, una octaédrica y una tetraédrica. Las dos estructuras tienen polaridades opuestas pero desiguales, y el efecto es producir un momento magnético neto. Otros compuestos ferrimagnéticos conocidos incluyen granate y pirrotita de hierro ytrio.

Por debajo de una cierta temperatura, que se llamaTemperatura de Néeldespués del físico francés Louis Néel, algunos metales, aleaciones y sólidos iónicos pierden sus cualidades paramagnéticas y dejan de responder a los campos magnéticos externos. Básicamente, se desmagnetizan. Esto sucede porque los iones en la estructura reticular del material se alinean en arreglos antiparalelos a lo largo de la estructura, creando campos magnéticos opuestos que se anulan entre sí.

Las temperaturas de Néel pueden ser muy bajas, del orden de -150 C (-240F), lo que hace que los compuestos sean paramagnéticos para todos los propósitos prácticos. Sin embargo, algunos compuestos tienen temperaturas de Néel en el rango de temperatura ambiente o superior.

A temperaturas muy bajas, los materiales antiferromagnéticos no presentan comportamiento magnético. A medida que aumenta la temperatura, algunos de los átomos se liberan de la estructura reticular y se alinean con el campo magnético, y el material se vuelve débilmente magnético. Cuando la temperatura alcanza la temperatura de Néel, este paramagnetismo alcanza su punto máximo, pero a medida que la temperatura sube más allá de este punto, la agitación térmica evita que los átomos mantengan su alineación con el campo, y el magnetismo cae constantemente apagado.

No muchos elementos son antiferromagnéticos, solo el cromo y el manganeso. Los compuestos antiferromagnéticos incluyen óxido de manganeso (MnO), algunas formas de óxido de hierro (Fe₂O₃) y ferrita de bismuto (BiFeO₃).