Los materiales denominados diamagnéticos se caracterizan por ser repelidos por los imanes (es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos, que son atraídos por los imanes). El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto en septiembre de 1845 por el físico y químico Michael Faraday cuando observó que un trozo de bismuto era repelido por un imán, cualquiera que fuese el polo. Esa experiencia indicaba que el campo externo generado por el imán inducía en el bismuto un dipolo magnético de sentido opuesto.
Pero, ¿qué sucede en los materiales para que ocurra este fenómeno?
El diamagnetismo se puede explicar de forma sencilla si se considera una consecuencia de aplciar la Ley de Lenz a nivel molecular. Según la teoría electromagnética, siempre que varía el flujo magnético se genera una corriente inducida y, según esta Ley, "el sentido de las corrientes inducidas es tal que con sus acciones electromagnéticas tienden a oponerse a la causa que las produce".
Todos los átomos contienen electrones que se mueven libremente y cuando se aplica un campo magnético exterior se induce una corriente superpuesta cuyo efecto magnético es opuesto al campo aplicado.
Otra forma de explicar el diamagnetismo es a partir de la configuración electrónica de los átomos o de los sistemas moleculares. De esta forma, el comportamiento diamagnético lo presentan sistemas moleculares que contengan todos sus electrones apareados y los sistemas atómicos o iónicos que contengan orbitales completamente llenos. Es decir los espines de los electrones del último nivel se encontrarán apareados (por tanto el momento magnético de los espines es prácticamente nulo).
Pero intentémoslo explicar de forma más intuitiva.
Supongamos una sustancia diamagnética formada por átomos, iones o moléculas cuyo momento magnético total (suma de los momentos magnéticos asociados al movimiento de sus cargas y a sus spines) es nulo (Figura 1).
Figura 1
Al aplicarle un campo magnético externo Bo, los momentos de las moléculas o átomos se orientan originando un campo Bm que se opone a dicho campo externo ( Figura 2).
Figura 2
Esta oposición de campos hace que en el interior del material el campo resultante B sea un campo menor al campo Bm que se origina en el interior del material por la orientación de los momentos de sus moléculas. Al ser estos campos opuestos ambos se repelen, como se muestra en la siguiente figura.Otra característica de estos materiales es que todos los polos magnéticos se repelen , dado que si cambiamos la orientación del campo Bo de la Figura 2 el campo inducido en el material Bm también cambiará a una nueva orientación de forma que se oponga al campo Bo.
Figura 3
(1)
Uno de los fenómenos más curiosos que presentan los materiales diamagnéticos es la levitación diamagnética. Como se aprecia en la siguiente figura,un pedazo de
grafito pirolítico,
que tiene un diamagnetismo especialmente alto, levita sobre un gran imán de neodimio permanente .
Figura 4
La susceptibilidad en estos materiales suele ser pequeña y negativa, exceptuando como se ha mencionado los superconductores.
Existe un caso particular de diamagnético con una susceptibilidad magnética bastante grande en módulo. Son los superconductores, a los que podemos considerar diamagnéticos perfectos. Estos materiales expulsan las líneas del campo magnético y consiguen un campo nulo en su interior, creando para ello corrientes superficiales que originan el campo que cancela el exterior. Como consecuencia de estas corrientes aparecen fuerzas magnéticas que pueden conseguir la levitación de un superconductor.
Los materiales paramagnéticos son aquellos cuya suma neta de los momentos magnéticos permanentes de sus átomos o moléculas es nula (Figura 5). Estos materiales tienen un comportamiento magnético muy débil.
Figura 5
Si se aplica un campo magnético exterior lo sificientemente elevado, los momentos magnéticos de los materiales paramagnéticos se tienden a ordenar de forma paralela al mismo (Figura 6). Por tano, los dipolos se orientan en la misma dirección y sentido que el campo aplicado, por lo que la susceptibilidad magnética, aunque débil, es positiva, y la permeabilidad relativa es ligeramente mayor que la unidad. Otra característica que los diferencia de los materiales ferromagnéticos es el hecho de que cuando se elimina el campo externo aplicado el efecto del paramagnetismo desaparece.
Figura 6
La suma del campo externo y el campo originado por la orientación de los momentos magnéticos de los átomos del material hace que en el interior de este el campo resultante sea B (Figura 7).
Figura 7
Si tomamos la Ecuación 2 (Ley de Curie para campos pequeños), tenemos que:
(2)
Donde 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). Se observa que los materiales paramagnéticos tienden a comportarse como los ferromagnéticos al aumentar el campo aplicado, y cada vez menos magnéticos al elevarse la temperatura. De hecho, la orientación de los átomos y el campo Bm asociado es casi imperceptible, y los efectos son prácticamente imposibles de detectar excepto a temperaturas extremadamente bajas o campos aplicados muy intensos. La susceptibidad de los materiales paramagnéticos varía con la temperatura tal y como se muestra en la Figura 8.
Figura 8
En la práctica, cuando se realizan cálculos en los que intervienen materiales paramagnéticos, debido a su escasa respuesta, se suelen considerar como si se tratase del vacío, es decir, µ = .
Especialmente paramagnéticos son los metales de transición (excluyendo los ferromagnéticos Fe, Ni y Co) y las tierras raras con átomos que tienen electrones desapareados.
El ferromagnetismo es un fenómeno que no se debe sólo a propiedades atómico-moleculares sino que es un efecto colectivo que requiere una estructura sólida. Los materiales ferromagnéticos son elementos de transición, con una configuración en sus átomos que favorece la interacción entre los dipolos magnéticos, los cuales se alinean paralelamente dentro de zonas que se llaman dominios. Como estos dominios se orientan aleatoriamente, no se genera imanación neta en el material (Figura 9).
Figura 9
Al aplicar un campo magnético a un material ferromagnético desmagnetizado (Figura 10), dado que su permeabilidad y la susceptibilidad magnética son superiores a uno, el campo en el interior del material es mayor al campo magnético aplicado. Esto se debe a que los dominios del material se orientan con el campo magnético exterior reforzándolo.
Figura 10
Si ahora se retira el campo externo, los efectos del campo aplicado no desaparecen por completo, quedando un magnetismo remanente, que es la causa de la existencia de los imanes permanentes. Este magnetismo remanente se origina porque los momentos magnéticos de los dominios no vuelven a su orientación original, quedando mayoritariamente orientados en la dirección del campo aplicado (Figura 11).
Figura 11
En la siguiente simulación se puede observar el proceso de magnetización de un material ferromagnético.
Figura 12
Estos materiales se utilizan para delimitar y dirigir a los campos magnéticos en trayectorias bien definidas (núcleo de transformadores, motores...). Permitiendo que las máquinas eléctricas tengan volúmenes razonables.
Las principales características de los materiales ferromagnéticos son:
• Pueden imanarse mejor que los demás materiales. Esta característica viene indicada por una gran permeabilidad relativa.
• Tienen una inducción magnética intrínseca máxima Bmax muy elevada.
• La facilidad con la que se imantan es muy diferente según sea el valor del campo magnético aplicado. Esta característica lleva a que la relación entre la inducción magnética (B) y la excitación magnetica (H) no sea lineal. Esta relación se repersenta en la curva de magnetización del material.
• Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujo diferente de la variación que originaría una disminución igual de campo magnético. Este atributo indica que las relaciones que expresan la inducción magnética y la permeabilidad (µ) como funciones del campo magnético no son lineales ni uniformes.
• Conservan la imanación cuando se suprime el campo.
• Tienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez imantados.
Por todas estas propiedades los materiales ferromagnéticos son muy utilizados en electrotecnia.
Los materiales ferromagnéticos pierden sus propiedades por encima de la temperatura de Curie adquiriendo las propiedades de un material paramagnéticos (Figura 13).
El ferrimagnetismo es un fenómeno de magnetización permanente que poseen algunos materiales cerámicos. Las características macroscópicas de los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos son similares; la diferencia entre ellos sólo reside en el origen de los momentos magnéticos. El ferrimagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de modo que no todos los momentos magnéticos de una muestra están alineados en la misma dirección y sentido. Algunos de ellos están opuestos y se anulan entre sí. Sin embargo estos momentos magnéticos no consiguen anular por completo la magnetización. Esto se debe a que algunos materiales cerámicos poseen átomos o iones con momentos magnéticos diferentes y cuando estos momentos magnéticos se alinean de forma antiparalela, se produce un momento magnético neto en una dirección. Este tipo de materiales se llaman ferritas. Estas ferritas tienen baja conductibilidad y son útiles para muchas aplicaciones eléctricas y magnéticas tales como transformadores de alta frecuencia.
Las magnetizaciones de saturación de los materiales ferrimagnéticos no son tan altas como las de los ferromagnéticos.
Por encima de la temperatura de Curie se pierde el ferrimagnetismo y el material pasa a ser paramagnético.
La magnetita es un material ferrimagnético de las llamadas "ferritas" u "óxidos ferrimagnéticos"
Al igual que los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos los antiferromagnéticos están divididos en dominios magnéticos.
Figura 14
Los materiales antiferromagnéticos tienen un estado natural en el cual los momentos magnéticos de átomos adyacentes son opuestos, de manera que el momento magnético neto es nulo ( Figura 14) . Este estado natural hace difícil que el material se magnetice, aunque de todas formas adopta una permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1. Es decir, la interacción antiferromagnética hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y en sentido inverso, cancelándolos si tienen el mismo valor absoluto, o reduciéndolos si son distintos. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el antiferromagnetismo ( Figura 15).
Figura 15
Si el campo magnético externo es muy intenso, algunos de los momentos magnéticos se alinean paralelamente con él, aún a costa de alinearse también paralelo a sus vecinos (superando la interacción antiferromagnética). Generalmente, se requiere un campo magnético muy intenso para que esto suceda.
Como el ferromagnetismo, la interacción antiferromagnética se destruye a alta temperatura. La temperatura por encima de la cual no se aprecia el antiferromagnetismo se llama temperatura de Néel. Por encima de esta temperatura los compuestos son típicamente paramagnéticos ( Figura 16).
Figura 16
Los materiales antiferromagnéticos son conocidos por la humanidad desde hace centenares de años y se usan en numerosas aplicaciones, desde en motores eléctricos hasta en el almacenamiento de información en discos duros.
Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en forma de polvo, con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia y dureza, previamente moldeadas por presión y luego calentadas, sin llegar a la temperatura de fusión, dentro de un proceso conocido como sinterización. Mediante este procedimiento se fabrican núcleos para transformadores, bobinas y otros elementos eléctricos o electrónicos.
El polvo de ferrita se usa también en la fabricación de cintas para grabación; en este caso, el material es trióxido de hierro. También es utilizado como tóner magnético de impresoras láser, pigmento de algunas clases de pintura, polvo de inspección magnético (usado en soldadura), tinta magnética para imprimir cheques y códigos de barras y, a su vez, con dicho polvo y la adición de un fluido portador y un surfactante o tensoactivo es posible fabricar ferrofluido casero.
Un ferrofluido es un líquido que se polariza en presencia de un campo magnético Figura 17. Los ferrofluidos se componen de partículas ferromagnéticas suspendidas en un fluido portador. Los ferrofluidos, a pesar de su nombre, no muestran ferromagnetismo, pues no retienen su magnetización en ausencia de un campo aplicado de manera externa. De hecho, muestran paramagnetismo y normalmente se identifican como "superparamagnéticos" por su gran susceptibilidad magnética. Un auténtico fluido ferromagnético es difícil de crear en la actualidad, requiriendo elevadas temperaturas y levitación electromagnética.
(1) 
(2)
.
