Los paramagnéticos con χ pequeña y positiva. Son atraídos débilmente en un campo magnético. La gran mayoría de los metales son paramagnéticos: alcalinos, alcalino-térreos, metales de transición y metales ferromagnéticos por encima de su punto Curie.El efecto diamagnético puede ser excedido por la contribución paramagnética, cuyo origen está en el espín del electrón. (El electrón es un cuerpo cargado que gira y tiene, por tanto, un momento magnético). La cantidad de movimiento angular y el momento de giro pueden alinearse para arriba o para abajo. Así, cada electrón se comporta como un pequeño imán, y en un campo magnético puede tomar una de las dos orientaciones, paralela o antiparalela al camino, dependiendo del sentido del espín electrónico. Según esto, la energía del electrón es aumentada o disminuida, y la resultante puede ser representada mediante la teoría de bandas.Al considerar que la banda de los niveles de energía permitida está dividida en mitades (véase figura 3.19), y cada mitad está asociada con electrones de espín opuesto, se concluye que, en presencia de un campo, algunos de los electrones cambian de lado hasta que el nivel de Fermi se iguale para ambas mitades. De este modo, en este estado habría mayor número de electrones con su energía disminuida por el campo, que aquellos que aumenten su energía. Es esta la condición que define el paramagnetismo, pues habrá un exceso de espines no apareados, o sea, habrá un momento magnético resultante.Es evidente que un aislador no será paramagnético, ya que sus bandas estarían llenas, y las inferiores (de valencia) no podrían acomodar los electrones que quieren deslizarse a la mitad superior. Pero no todos los conductores son paramagnéticos; esto se debe a que, en algunos elementos, la contribución diamagnética natural sobrepasa a la contribución paramagnética.
Figura 3.19 Representación esquemática de un metal paramagnético
3.3.5. Ferromagnetismo
Los materiales ferromagnéticos tienen una susceptibilidad alta y positiva. Son atraídos fuertemente por un campo magnético. Son ejemplos: Fe, Co, Ni, Gd y muchos compuestos (CrO3, ErO) y aleaciones que contienen a estos metales. Una característica importante es la posibilidad de conservar su magnetización luego de retirado el campo inductor: son imanes permanentes, por lo que son materiales con gran valor técnico (véase figura 3.20).
Figura 3.20 Representación esquemática de Ni ferromagnético
Aunque se ha desarrollado mucho la teoría sobre el ferromagnetismo, todavía no se ha comprendido por completo y su complejidad supera los alcances de estas notas. Aquí solo se introducirán ciertos elementos del problema.
Como el paramagnetismo, el ferromagnetismo tiene su origen en el espín electrónico. Pero en los materiales ferromagnéticos hay una tendencia de los espines a permanecer alineados, aun después de haber retirado el campo. En términos de la estructura de bandas, esto significa que la semibanda asociada con un espín es disminuida inmediatamente luego de que los niveles vacíos de su parte inferior sean llenados por electrones de la parte superior de la otra. El cambio de energía potencial asociado con esto es conocido como energía de intercambio o canje.
Por lo tanto, aunque energéticamente favorable para una condición en que todos los espines están en la misma dirección, un factor que se opone es el principio de exclusión de Pauli, pues si los espines están alineados en una sola dirección, muchos de los electrones deberán pasar a niveles cuánticos superiores, con el consiguiente aumento de la energía cinética. De modo que la condición de ferromagnetismo es muy limitante.
Werner Heisenberg (1928) fue el primero en señalar las interacciones de Canje (que puede ser electrón-electrón, protón-protón, electrón-protón), capaces de proporcionar las fuerzas generadoras del magnetismo fuerte, y también dijo que, en lo referente a electrones causantes del ferromagnetismo, la interacción puede ser positiva, o sea que la energía disminuirá, en ese caso, si los electrones tuvieran espines paralelos. Se ha hallado que solo los electrones de bandas d o f pueden participar de la condición ferromagnética, lo cual se deduce del hecho de ser estas las únicas bandas con niveles libres disponibles para ser ocupados, y de la necesidad de una alta densidad de estados si el aumento en energía cinética que acompaña al alineamiento de los espines va a ser menor que la energía de canje.
Ambas condiciones se cumplen en los metales de transición y tierras raras; sin embargo, de todos los elementos de los períodos largos, solo el Co, el Fe, el Ni y el Gd son ferromagnéticos a temperatura ambiente, siendo la mayoría de los demás fuertemente paramagnéticos. De esta observación se ha concluido que la interacción de canje depende, en mucha parte, del espaciado interatómico: al menos para el subgrupo de metales del Fe, las condiciones son más favorables cuando la relación del radio atómico al radio de la tapa llena, la d, es algo mayor a tres. Resulta sorprendente, dada esta condición, el que haya un número relativamente grande de aleaciones y compuestos ferromagnéticos, aun cuando sus elementos base no lo sean.
En los metales, la alineación de los espines produce una interacción magnética muy fuerte, incluso sin campo. Pero una muestra de Fe puede no presentar magnetismo: es conocido el ciclo de histéresis que presentan los metales ferromagnéticos en general. Esto se explica con base en una teoría propuesta por Pierre Weiss en 1907 (comprobada veinte años después) y la cual dice que los alineamientos estarían confinados en pequeñas regiones o dominios, que estadísticamente se opondrían entre sí. Hay una estructura de dominios en la que cada grano de un material policristalino puede tener muchos dominios (véase figura 3.21), cada uno con su propia orientación, en general, siguiendo las direcciones cristalográficas de más fácil magnetización.
Figura 3.21 Estructura de dominios de un material ferromagnético, desmagnetizado
Las flechas indican la dirección de magnetización.
Al aplicar un campo magnético, los dominios orientados favorablemente crecen a expensas de los demás (véase figura 3.22), mediante la migración de las paredes de los dominios (paredes de Bloch) (véase figura 3.23), hasta que la pieza sea magnetizada.
Figura 3.22 Material ferromagnético magnetizado
Figura 3.23 La idea de las paredes de Bloch
Fuente: Konnings (2007).
El estado en que todos los espines electrónicos estén por completo alineados solo se puede dar a temperaturas bajas. Al aumentar la temperatura se reduce la saturación magnética, cayendo de manera lenta al principio y después muy rápido, hasta llegar a una temperatura crítica conocida como la temperatura Curie (Tc), por encima de la cual el material pasa a ser paramagnético. Para el Fe, el Co y el Ni esta transición ocurre a 770, 1.075 y 365 °C respectivamente. Este comportamiento tiene similitud con las transformaciones orden-desorden, y como estas, puede explicarse termodinámicamente.
3.3.6. Antiferromagnetismo y ferrimagnetismo
Hay dos clases más de comportamiento magnético. A veces la energía de canje tiene el efecto opuesto al ferromagnetismo. Los momentos netos de los átomos vecinos se alinean en forma opuesta (antiparalela), en lugar de hacerlo en la misma dirección (véase figura 3.24). El fenómeno es denominado antiferromagnetismo y lo presentan muchos óxidos y cloruros de los metales de transición, por ejemplo, el FeO; en este último caso, los átomos de O, que no tienen