Materiales Magnéticos

Definición de materiales magnéticos

Cuando pensamos en imanes, solemos imaginarnos la típica barra magnética, formada por un polo norte y un polo sur. Sin embargo, muchos materiales que nos rodean en nuestra vida cotidiana tienen el potencial de convertirse en un imán, ya que sólo depende de su estructura interna. Podemos definir un material magnético de la siguiente manera.

Pero, ¿qué hace que los materiales magnéticos sean tan especiales que sean los únicos capaces de experimentar las influencias de un campo magnético externo? Para entenderlo, veamos más detenidamente la estructura de un material magnético sólido.

Fig. 2 - Debido al electrón en órbita alrededor de un núcleo, un átomo presenta un comportamiento similar a un dipolo magnético.

Como ya hemos visto, los átomos son los componentes básicos de todos los materiales que vemos a nuestro alrededor. La estructura interna de estos átomos consiste en un núcleo que contiene protones y neutrones, mientras que una superposición de electrones orbita alrededor del núcleo. Como descubrió James Maxwell en 1865, el movimiento de partículas cargadas, como los electrones, genera un campo magnético circundante. Por tanto, la precesión de los electrones alrededor del núcleo crea de forma similar un minicampo magnético local al núcleo. Es lo que llamamos dipolo atómico.

A partir de la figura anterior, podemos hacernos una mejor idea de la estructura interna del dipolo atómico. Utilizando la regla de agarre de la mano derecha, en la que curvamos los dedos en la dirección de la corriente y el pulgar apunta en la dirección del polo norte, podemos ver que el polo norte resultante de este dipolo atómico está en dirección ascendente, hacia la parte superior de la página indicada por la flecha azul.

Alejándonos de la estructura del dipolo atómico, los materiales magnéticos también están formados por algo llamado dominios magnéticos. Se trata de estructuras formadas por dipolos atómicos vecinos orientados todos en la misma dirección. Estos dominios magnéticos tienen su propio campo magnético interno, formando un bucle continuo.

Fig. 3 - Si un material magnético tiene dominios magnéticos no alineados, el material permanece sin magnetizar.

En la figura anterior se ha esbozado el material magnético como una forma rectangular (azul), mientras que los dominios magnéticos internos se indican con las flechas (rosa). Como podemos ver, los dominios están en gran medida desalineados, ya que las flechas apuntan principalmente en direcciones diferentes, lo que nos indica que el material no estaría mostrando un campo magnético cohesivo.

Clasificación de los materiales magnéticos

Ahora que hemos establecido las estructuras internas de los materiales magnéticos, acerquémonos a cómo podemos dividir los materiales cotidianos en diferentes categorías.

Ferromagnetismo

Los materiales clasificados como ferromagnéticos son los que presentan las propiedades magnéticas más fuertes. Pueden presentar esta propiedad debido a la susceptibilidad de los dominios magnéticos que componen el material, lo que significa que los dominios pueden alinearse bajo la influencia de un campo magnético externo. El efecto del campo externo hace que los dominios se alineen todos en la misma dirección, por lo que la combinación de los campos magnéticos individuales de los dominios genera un campo global mayor que emerge del material.

Además, los materiales ferromagnéticos también tienen la propiedad única de la magnetización espontánea. Esto ocurre cuando los dominios se alinean espontáneamente entre sí a pesar de la ausencia de un campo externo. Normalmente, esto ocurre cuando el material se coloca en un entorno muy frío, lo que enfría los átomos del material y elimina las grandes vibraciones de los átomos. Cada material ferromagnético tiene una temperatura específica denominada temperatura de Curie, que indica la temperatura por debajo de la cual el material presentará magnetización espontánea.

Por eso los materiales ferromagnéticos son los ideales cuando necesitamos imanes fuertes, como las barras magnéticas o los electroimanes; conservan sus propiedades magnéticas a pesar de la ausencia de un campo externo y se magnetizan fácilmente.

Paramagnetismo

A diferencia de los materiales ferromagnéticos, los paramagnéticos presentan un campo magnético mucho más débil cuando se exponen a un campo externo, y muestran una fuerza de atracción hacia el campo externo. Esto se debe a un número desigual de electrones que orbitan alrededor del dipolo atómico. Además, a diferencia de los ferromagnetos, los dipolos atómicos internos se desalinean cuando se elimina un campo externo, debido a las vibraciones de los átomos provocadas por la energía térmica de la sustancia.

Diamagnetismo

El diamagnetismo es una propiedad que se da en todos los materiales y puede considerarse lo contrario del paramagnetismo; la estructura interna hace que el material muestre una fuerza repulsiva al campo externo en lugar de una fuerza atractiva, como el ferromagnetismo y el paramagnetismo. A pesar de ello, la fuerza repulsiva generada por los materiales diamagnéticos suele ser muy débil, de modo que no podemos observarlos en la vida cotidiana.

Propiedades de los materiales magnéticos

Entonces, ¿cómo podemos clasificar algo como imán? Repasemos algunas propiedades que presentan todos los imanes.

Permeabilidad magnética

La permeabilidad magnética de una sustancia es una medida de cómo se magnetiza la sustancia en respuesta a un campo externo. En el contexto de los dominios magnéticos, indica la facilidad con la que estos dominios se alinean dentro del material cuando se exponen a un campo. Por tanto, una permeabilidad magnética elevada revela que un material puede magnetizarse con extrema facilidad, un ejemplo de lo cual es un material ferromagnético. Por el contrario,

Fig. 4 - La alineación de los dominios magnéticos hace que el material muestre un campo magnético externo.

La figura anterior es un ejemplo de cómo se ven los dominios magnéticos internos de un material cuando están alineados, lo que nos indica que el material está magnetizado. Sin embargo, no nos indica la permeabilidad magnética del material, ya que ésta depende de la estructura electrónica interna.

Susceptibilidad magnética

La susceptibilidad magnética es similar a la permeabilidad en el sentido de que explica cómo reacciona un material bajo un campo externo, sin embargo, en este caso, muestra si el campo magnético interno del material está alineado contra el campo externo o alineado con el campo externo. Cuando materiales como los ferromagnetos y los paramagnetos se magnetizan, experimentan una fuerza de atracción, lo que indica que su campo está alineado con el campo externo. Mientras que materiales como los diamagnetos experimentarán una fuerza repulsiva, indicando que su campo está alineado contra el campo externo.

Ejemplos de materiales magnéticos

Volvamos a un ejemplo sencillo de un imán que utilizamos habitualmente en las prácticas de física, la barra magnética. Sabemos que este imán permanece imantado incluso en ausencia de campo magnético, porque podemos pegarlo a otros imanes, como un imán pegado a la puerta de un frigorífico, o un imán utilizado para coger clips. Esto nos revela que están formados por materiales ferromagnéticos; ejemplos de estos materiales son el hierro, el cobalto, el níquel y muchos otros.

Fig. 5 - La aguja de una brújula está formada por el material ferromagnético acero, una aleación del hierro.

Otro ejemplo clave en el que se utilizan los ferromagnetos es en la aguja de una brújula. Si alguna vez has probado a utilizar una brújula de las antiguas, sabrás que, independientemente de la dirección en que mires, la aguja de la brújula siempre apuntará al norte verdadero. Esto se debe a que la Tierra tiene su propio campo magnético intrínseco, por lo que la aguja magnetizada siempre es atraída hacia el polo norte, lo que la convierte en un dispositivo perfecto para los viajeros perdidos en el mar.

Material de blindaje magnético

Hasta ahora en este artículo, hemos hablado de varios tipos de materiales magnéticos y de cómo reaccionan bajo la influencia de un campo externo. Sin embargo, dado que todos los materiales experimentan algún tipo de efecto en presencia de campos magnéticos, ¿hay alguno que pueda impedir que las líneas de campo penetren a través de ellos?

El apantallamiento magnético es extremadamente importante en los hogares que tienen muchos cables diferentes funcionando simultáneamente entre sí, ya que el campo magnético generado por la corriente en un cable, podría afectar a los demás y distorsionar la señal. Las líneas de campo magnético nunca podrían aislarse debido al hecho de que los imanes siempre se presentan en dipolos completos, lo que significa que las líneas de campo que viajan desde el polo norte siempre alcanzarán el polo sur del imán para formar un bucle completo. Por lo tanto, para evitar que las líneas de campo se escapen, intentamos redirigirlas. Al rodear estos hilos con un material de alta permeabilidad magnética, las líneas de campo externas se alinearán con las líneas de campo del material de recubrimiento, lo que les permitirá formar bucles completos sin escapar.