Ferromagnetismo para niños

El ferromagnetismo es un fenómeno físico muy interesante que hace que algunos materiales puedan convertirse en imanes muy fuertes. Imagina que dentro de estos materiales hay muchísimos imanes diminutos, llamados momentos magnéticos. En los materiales ferromagnéticos, todos estos pequeños imanes se alinean en la misma dirección, como si fueran un equipo bien organizado.

Un material ferromagnético es aquel que puede mostrar este comportamiento. La interacción ferromagnética es la fuerza que hace que estos pequeños imanes se pongan en fila, todos apuntando hacia el mismo lado. Para que un material sea ferromagnético, esta alineación debe extenderse por todo el material.

Ferromagnetismo: ¿Qué es y cómo funciona?

Los materiales ferromagnéticos están divididos en pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos. Piensa en ellos como pequeños barrios dentro del material. En cada uno de estos dominios, todos los imanes diminutos están alineados en la misma dirección. Estos dominios están separados por límites llamados paredes de Bloch.

Cuando un material ferromagnético se acerca a un imán fuerte, los dominios que ya están alineados con el imán externo empiezan a crecer. Es como si esos "barrios" se hicieran más grandes, invadiendo a los que no están alineados. Al final, todo el material puede convertirse en un solo gran dominio alineado.

Cuando se quita el imán externo, el material ferromagnético puede seguir magnetizado por un tiempo. Esto es lo que permite que existan los imanes permanentes, como los que usas en tu nevera para sujetar papeles.

¿Por qué son importantes los materiales ferromagnéticos?

El ferromagnetismo es el tipo de magnetismo más fuerte que existe. Es el responsable de que los imanes que usamos a diario funcionen. Otros tipos de magnetismo, como el paramagnetismo o el diamagnetismo, son mucho más débiles y solo se pueden detectar con equipos especiales.

Los imanes permanentes, que son materiales que se pueden magnetizar y se quedan así, son ferromagnéticos o ferrimagnéticos. Pocos materiales son ferromagnéticos, y suelen ser formas puras, mezclas o compuestos de hierro, cobalto, níquel y algunos metales de tierras raras.

Además de su composición, la forma en que están organizados sus átomos (su estructura cristalina) también influye en si un material es ferromagnético. El ferromagnetismo es muy importante en la industria y en la tecnología moderna. Se usa en muchos aparatos eléctricos y electromecánicos, como:

• Electroimanes
• Motores eléctricos
• Generadores
• Transformadores
• Sistemas de almacenamiento magnético, como las grabadoras y los discos duros de las computadoras.

Tipos de materiales ferromagnéticos

Los materiales ferromagnéticos se pueden dividir en dos grupos principales:

• Materiales magnéticamente blandos: Son fáciles de magnetizar y desmagnetizar. Un ejemplo es el hierro recocido. Se usan en transformadores y motores porque pueden cambiar su magnetismo rápidamente.
• Materiales magnéticamente duros: Son difíciles de magnetizar y, una vez magnetizados, tienden a permanecer así. Se usan para fabricar imanes permanentes, como los de la nevera. Materiales como el alnico o la ferrita son ejemplos. Para desmagnetizar un imán duro, se necesita un campo magnético muy fuerte en la dirección opuesta.

La fuerza de un imán se mide por su momento magnético o por el flujo magnético que produce. La fuerza del magnetismo dentro de un material se mide por su magnetización.

Los dominios magnéticos son regiones dentro de un material ferromagnético donde los momentos magnéticos están alineados en la misma dirección.

Historia y distinción del ferrimagnetismo

Material ferromagnético: todos los pequeños imanes apuntan en la misma dirección.

Material ferrimagnético: algunos imanes apuntan en dirección opuesta, pero los que van en la dirección principal son más fuertes.

Antiguamente, el término "ferromagnetismo" se usaba para cualquier material que pudiera convertirse en un imán sin necesidad de un campo magnético externo. Es decir, cualquier material que pudiera tener un magnetismo propio.

Sin embargo, en 1948, un científico llamado Louis Néel demostró que hay dos formas en que los pequeños imanes se pueden alinear para crear este comportamiento:

• Ferromagnetismo (en sentido estricto): Todos los pequeños imanes se alinean en la misma dirección.
• Ferrimagnetismo: Algunos pequeños imanes apuntan en la dirección opuesta, pero su efecto es menor que el de los que apuntan en la dirección principal. Así, el material sigue teniendo un magnetismo propio.

También existe el antiferromagnetismo, donde los imanes opuestos se anulan completamente, por lo que el material no tiene magnetismo propio.

Materiales ferromagnéticos

Hay varios materiales que muestran ferromagnetismo. La tabla al inicio de este artículo muestra algunos de ellos, junto con su temperatura de Curie. Esta es la temperatura por encima de la cual el material deja de ser ferromagnético y pierde su magnetismo propio.

El ferromagnetismo no solo depende de los elementos químicos que forman un material, sino también de cómo están organizados sus átomos. Por ejemplo, el acero eléctrico es un material cuyas propiedades ferromagnéticas se han mejorado para usarlo en aplicaciones donde se necesitan campos magnéticos eficientes.

Existen incluso aleaciones ferromagnéticas, como las aleaciones de Heusler, cuyos componentes por separado no son ferromagnéticos. Por otro lado, hay aleaciones no magnéticas, como algunos tipos de acero inoxidable, que están hechas casi solo de metales que sí son ferromagnéticos.

Una propiedad común de los materiales ferromagnéticos es la histéresis. Esto significa que cuando un material ferromagnético se magnetiza y luego se quita el campo magnético, el material no pierde todo su magnetismo. Siempre le queda un poco de magnetismo residual.

Propiedades de materiales ferromagnéticos

• Pueden alcanzar un magnetismo muy alto cuando se les aplica un campo magnético.
• Concentran las líneas de un campo magnético fácilmente, lo que ayuda a crear campos magnéticos fuertes.
• Pueden guiar los campos magnéticos por caminos específicos.
• Ayudan a que las máquinas sean más estables y menos costosas.

Características

• Se magnetizan rápidamente (tienen alta permeabilidad).
• Pueden alcanzar un magnetismo interno muy alto.
• La relación entre el magnetismo que producen y el campo magnético que se les aplica no es siempre la misma.
• Mantienen algo de magnetismo incluso cuando se quita el campo magnético externo.
• Se resisten a cambiar la dirección de su magnetismo una vez que están magnetizados.

Materiales inusuales

La mayoría de los materiales ferromagnéticos son metales. Esto se debe a que los electrones que se mueven libremente en los metales son los que ayudan a que ocurran las interacciones ferromagnéticas. Por eso, es un desafío crear materiales ferromagnéticos que no conduzcan electricidad (aislantes).

Algunos compuestos de actínidos (un grupo de elementos) son ferromagnéticos a temperatura ambiente o cuando se enfrían. Por ejemplo, el Pu P es paramagnético (débilmente magnético) a temperatura ambiente, pero se vuelve ferromagnético cuando se enfría por debajo de los 125 Kelvin.

En 2009, científicos del MIT demostraron que un gas de litio enfriado a temperaturas extremadamente bajas (menos de un Kelvin) puede mostrar ferromagnetismo. Esta fue la primera vez que se observó ferromagnetismo en un gas.

En 2018, un equipo de físicos de la Universidad de Minnesota descubrió que el rutenio tetragonal puede ser ferromagnético a temperatura ambiente.

Ferromagnetismo inducido eléctricamente

Investigaciones recientes han mostrado que el ferromagnetismo puede ser provocado en algunos materiales usando corriente eléctrica o voltaje. Por ejemplo, materiales que normalmente no son ferromagnéticos, como el LaMnO₃ y el SrCoO, se han vuelto ferromagnéticos al aplicarles una corriente.

En julio de 2020, científicos lograron inducir ferromagnetismo en la pirita de hierro ("oro de los tontos"), un material muy común que normalmente no es magnético, aplicando un voltaje. En estos experimentos, el ferromagnetismo solo apareció en una capa muy delgada de la superficie.

Principios físicos

Los electrones con espines paralelos tienen menor energía, lo que ayuda a la alineación magnética.

Hay dos ideas principales que explican cómo funciona el ferromagnetismo: la teoría de Curie-Weiss y la teoría de Stoner.

Alrededor de 1907, Pierre Weiss propuso que dentro de los materiales ferromagnéticos existe un "campo molecular" que alinea los pequeños imanes. Hoy sabemos que este campo es causado por efectos de la mecánica cuántica, específicamente por intercambios de energía. Estos intercambios hacen que los electrones se alineen, lo que a su vez crea campos magnéticos paralelos. Según una regla llamada regla de Hund, los electrones con espines (una propiedad de los electrones) paralelos tienen menos energía.

Cuando el material está por debajo de su temperatura de Curie, este "campo molecular" es lo suficientemente fuerte como para magnetizar el material, incluso sin un imán externo.

Pero cuando la temperatura sube mucho, los pequeños imanes empiezan a desordenarse debido a la energía térmica. Esto hace que el material pierda su magnetismo propio y se comporte como un material paramagnético (débilmente magnético).

La ley de Curie-Weiss ayuda a explicar cómo responden los materiales a los campos magnéticos, incluyendo algunos materiales antiferromagnéticos y ferrimagnéticos.

Sin embargo, esta ley no explica bien el magnetismo de los átomos individuales en algunos metales ferromagnéticos. Aquí es donde entra la teoría de bandas de Stoner.

La teoría de Stoner también usa la idea de la energía de intercambio. Explica que en metales como el hierro, el níquel y el cobalto, los electrones de valencia (los que están en la capa más externa del átomo) pueden moverse entre diferentes niveles de energía. Si hay suficientes electrones cerca de un nivel de energía específico (llamado nivel de Fermi), el efecto de intercambio se vuelve dominante y reduce la energía necesaria para cambiar el espín de un electrón, lo que favorece el ferromagnetismo.

Aplicaciones

Circuitos magnéticos

Los materiales ferromagnéticos son muy útiles para hacer electroimanes, transformadores y núcleos. Un electroimán, por ejemplo, se hace enrollando un cable alrededor de un núcleo de material ferromagnético. Cuando la corriente eléctrica pasa por el cable, crea un campo magnético en el núcleo.

Efectos de temperatura en ferromagnetismo

La energía térmica (el calor) hace que los pequeños imanes dentro de un material se desvíen de su alineación. Si la temperatura aumenta lo suficiente, el material ferromagnético puede convertirse en paramagnético. Este cambio ocurre a una temperatura específica llamada temperatura de Curie.

Por debajo de la temperatura de Curie, los pequeños imanes se alinean en dominios magnéticos. Pero si se supera la temperatura de Curie, los dominios magnéticos se desordenan al azar debido al calor, y el material pierde su magnetismo propio.

Véase también

En inglés: Ferromagnetism Facts for Kids

• Antiferromagnetismo
• Magnetismo
• Magnetoquímica
• Diamagnetismo
• Paramagnetismo
• ferrimagnetismo