Paramagnetismo

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Las propiedades magnéticas no están limitadas únicamente a las sustancias ferromagnéticas, las presentan todas las sustancias, aunque en mucho menor escala. En las cuales se encuentran dos tipos de sustancias: las paramagnéticas y las diamagnéticas. Una muestra de sustancia paramagnética situada en un campo magnético es atraída hacia la región donde el campo es más intenso, al contrario de lo que le ocurre a una sustancia diamagnética que es atraída hacia la región donde el campo es más débil. El paramagnetismo se produce cuando las moléculas de una sustancia tienen un momento magnético permanente. El campo magnético externo produce un momento que tiende a alinear los dipolos magnéticos en la dirección del campo. La agitación térmica aumenta con la temperatura y tiende a compensar el alineamiento del campo magnético. En las sustancias paramagnéticas la susceptibilidad magnética es muy pequeña comparada con la unidad. En la mayor parte de los átomos y los iones, los efectos magnéticos de los electrones, incluyendo tanto a sus espines como a sus movimientos orbitales, se contrarrestan exactamente, de tal forma que el átomo o el ion no es magnético.Esto es válido para los gases raros, tales como el neón y para iones, como el \({C^+}\) que forman cobre ordinario esto cuando se le ha extraído un electrón. En otros átomos y iones, los efectos magnéticos de los electrones no se contrarrestan, de tal forma que el átomo tiene un momento dipolar µ. Ejemplos de estos materiales se pueden encontrar en los elementos de transición, tales como el Mn; las tierras raras, tales como el Gd y los elementos actínidos como el U.

Las propiedades magnéticas de una sustancia pueden demostrarse suspendido de un hilo fino un pequeño objeto esférico cerca de los polos de un potente electroimán si el objeto es un hierro o un material ferromagnético, será atraído hacia la región en que el campo es más intenso. No es tan conocido el hecho de que toda sustancia está influida por el campo, aunque en un grado mínimo comparada con un material como el hierro. Algunas sustancias, como el hierro, son atraídos hacia la región más intensa del campo y otras son sustancias empujadas hacia la región de campo más débil. Las primeras se denominan sustancias paramagnéticas y las segundas diamagnéticas. Todas las sustancias, incluidos líquidos y gases, pertenecen a uno de estos dos grupos.

Las sustancias paramagneticas tienen un magnetismo pequeño pero positivo, resultado de la presencia de atomos o de iones, con momentos magneticos permanentes. estos momentos interactuan solo de manera debil entre si y se orientan al azar en ausencia de un campo magnético externo. Cuando las sustancias para magnéticas se colocan en un campo magnético externo, sus momentos atómicos tienden a alinearse en el campo, sin embargo este proceso de alineamiento debe competir con el momento térmico, y que tienden orientar al azar en los momentos magnéticos.

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Figura 1: Un material para magnético podía ser el oxigeno liquido que es atraído hacia los polos de un imán.


Definición de paramagnetismo

Se denomina materiales paramagnéticos cuya permeabilidad magnética es similar a la del vacío. Estos materiales no presentan en ninguna medida el fenómeno de ferromagnetismo. En términos físicos, se dice que su permeabilidad magnética relativa tiene valor aproximadamente igual a 1. Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que los imanes normales, cuando están sujetos a un campo magnético. Sin embargo, al retirar el campo magnético, la entropía destruye el alineamiento magnético, que ya no está favorecido energéticamente. Es decir, los materiales paramagnéticos son materiales atraídos por imanes, pero no se convierten en materiales permanentemente magnetizados. Algunos materiales paramagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio y wolframio. En ausencia de un campo magnético externo, los dipolos magnéticos que componen el material están orientados al azar como se muestra en la figura 2.

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Los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) tienden a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos están fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno será ferromagnetismo. Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a fortalecerlo. Esto se describe por una permeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo que es lo mismo, una susceptibilidad magnética positiva y muy pequeña. Permeabilidad magnética es la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de sí los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material y se representa por el símbolo μ\[{\mu}=\frac{B}{H}\] donde H es intensidad de campo magnético y B es la densidad de flujo magnético del campo aplicado. En el paramagnetismo puro, el campo actúa de forma independiente sobre cada momento magnético, y no hay interacción entre ellos. En los materiales ferromagnéticos, este comportamiento también puede observarse, pero sólo por encima de su temperatura de Curie, esta es el acoplamiento de intercambio desaparece y el material se vuelve paramagnético. Si una muestra de N átomos, cada uno de los cuales tiene momento dipolar magnético µ, se coloca un campo magnético, los dipolos atómicos tienden a alinearse con el campo. A este efecto de alineamiento se le llama paramagnetismo. Si se coloca un espécimen de una sustancia paramagnética en un campo magnético no uniforme, como el que existe cerca de un polo de un imán intenso se verá atraído hacia la región en donde el campo es mayor, hacia el polo del imán. En la fuerza magnética se tiene\[F_{m}={\mu}(\frac{dB}{dx})_{max}\] En consecuencia , midiendo la fuerza magnética \(F_{m}\) que actúa sobre un espécimen paramagnético pequeño cuando se le coloca un campo magnético no uniforme cuyo gradiente \((\frac{dB}{dx})_{max}\) es conocido, se puede determinar su momento dipolar magnético µ. La magnetización M del espécimen se define como el momento magnético por unidad de volumen

Donde V es el volumen del espécimen. M es un vector puesto que el momento dipolar µ, del espécimen es un vector. \((\frac{\mu}{V})_{max}\)

Ley de Curie

En 1894, Pierre Curie (1859-1906) descubrió experimentalmente que la magnetización M es un espécimen paramagnético es directamente proporcional a B, que es un campo magnético efectivo en el cual está colocado el espécimen, e inversamente proporcional a la temperatura. A campos magnéticos bajos, los materiales paramagnéticos exhiben una magnetización en la misma reacción del campo externo, y cuya magnitud se describe por la ley de Curie\[ \boldsymbol{M} = \chi \boldsymbol{H}=C \frac{\boldsymbol{H}}{T} \] dónde: M es la magnetización resultante, B es la densidad de flujo magnético del campo aplicado, T es la temperatura absoluta (en Kelvin) y C es una constante específica de cada material (su constante de Curie). En esta ecuación en aumento en B tiende a alinear los dipolos elementales del espécimen esto implicara aumentar M, lo contrario pasa en el aumento de T que tiende a disminuir M. Esta ley indica que los materiales paramagnéticos tienden a volverse cada vez más magnéticos al aumentar el campo aplicado, y cada vez menos magnéticos al elevarse la temperatura. La ley de Curie sólo es aplicable a campos bajos o temperaturas elevadas, ya que falla en la descripción del fenómeno cuando la mayoría de los momentos magnéticos se hallan alineados.

Los materiales paramagnéticos poseen las siguientes características, que los diferencian de otras clases de materiales magnéticos:

• Poseen una susceptibilidad magnética \({X_{m}}\) aproximadamente cero (del orden de \({10^{-3}}\) a \({10^{-5}}\)), pero positiva.

• Su permeabilidad magnética µ es ligeramente superior a la del vacío \({\mu}_{0}\); es decir mayor que la unidad.

• A temperatura ambiente, y en ausencia de campo, no son magnéticos. Esto provoca que solo una pequeña fracción de los dipolos que componen el material se oriente con el campo magnético, y dicha fracción será proporcional a la fuerza de dicho campo, esto es, la magnetización del material es directamente proporcional a la intensidad de campo magnético según la Ley de Curie: Además de los materiales paramagnéticos, cabe señalar que existe un tipo de ellos denominado superparamagnéticos, que son aquellos que a pesar de seguir la Ley de Curie, el valor de la constante de Curie tiene un valor relativamente alto. Además, a nivel microscópico, son ordenados.

Causa del paramagnetismo

Como ya se mencionó anteriormente los materiales paramagnéticos están constituidos por átomos y moléculas que tienen momentos magnéticos permanentes ("dipolos" magnéticos) incluso en ausencia de campo. Estos momentos magnéticos tienen su origen en los espines de electrones desapareados en de los orbitales moleculares presentes en muchos metales y materiales paramagnéticos. Esto tiene consecuencias cuando sobre dicho material se aplica un campo magnético. Puesto que un espín alineado con el campo tienen menos energía que los anti-alineados y la energía conjunta de todos los electrones libres debe sumar aproximadamente la energía de Fermi (es la energía del nivel más alto ocupado por un sistema cuántico a temperatura cero (0 K). Se denota por \(E_{F}\) ), mantener esa energía constante implica que algunos átomos anti-alineados deben alinearse con el campo. En ausencia de campo las poblaciones de espines alineados y anti-alineados es más o menos la misma, pero en presencia de campo debe aumentar el número de alineados y decrecer el número de desalineados. Como el número de momentos magnéticos alineados finalmente supera al de anti-alineados existe una magnetización neta que produce un campo magnético que se suma al campo magnético externo.


Aplicaciones industriales del paramagnetismo

El hecho de que los materiales paramagnéticos se comporten en presencia de campos magnéticos de forma similar a la del vacío, limita mucho sus aplicaciones industriales. Una de las aplicaciones más importantes del paramagnetismo la encontramos en la Resonancia Paramagnética Electrónica (RPE), de gran aplicación en distintos campos de la física y la química, e incluso la arqueología. La resonancia paramagnética electrónica es una técnica espectroscópica que permite detectar especies con electrones no apareados. Ello la ha convertido en la técnica preferida para el estudio de los iones metálicos y sus propiedades, así como para el estudio de las reacciones de radicales libres. Algunas de las áreas donde se emplea esta técnica son: fermentaciones, producción industrial de polímeros, desgaste de aceite de motor, producción de cerveza y la predicción del tiempo de vida de alimentos en el anaquel. Dicho estudio de las reacciones de radicales libres es uno de los fundamentos de la datación de restos arqueológicos mediante el análisis de radicales libres existentes en dentaduras, debido a la larga exposición de los restos a radiación ionizante. Además, nos encontramos con otras aplicaciones basadas en el hecho de que un material paramagnético necesite de fuertes campos magnéticos para que la fuerza de atracción que sufran sea grande. Esto permite que sean fácilmente separables de materiales ferromagnéticos (que sufren una fuerte atracción incluso con campos magnéticos pequeños); o incluso para una posterior separación de dichos elementos una vez hemos eliminado los materiales ferromagnéticos mediante la aplicación de campos magnéticos más grandes. Esto tiene una gran utilidad para separar los distintos metales que pueden componer, por ejemplo, la chatarra en una planta de reciclaje.

Conclusión

Michel Faraday realizo la primera definición de línea de fuerza magnética como el efecto de la acción de un campo magnético sobré la línea magnética, generalmente curvas, que igualmente pasan hacia o a partir de dipolos magnéticos o que forman círculos concéntricos alrededor de una corriente eléctrica. Faraday define una línea magnética como la fuerza ejercida a lo largo de las líneas que unen dos cuerpos, interactuando entre sí de acuerdo a los principios de inducción eléctrica. Si se introduce un conductor paramagnético, por ejemplo una esfera de en un campo magnético originalmente en el vacío, el material provocara que las líneas de la fuerza del campo se concentren sobre él y su interior, de manera que el espacio ocupado por el material trasmita más energía mecánica que antes.

Bibliografía

Resnick, Robert. Física .tomo 2 sexta edición 1987

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Curie

Carmona Gerardo. Michel Faraday: un genio de la física experimental.1995 Fondo de cultura económica