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¿Qué es el paramagnetismo? ¿Cómo afecta a los materiales que nos rodean?
El paramatismo es un fenómeno magnético especial. Bajo la influencia de un campo magnético externo, algunas sustancias tendrán una atracción débil y formarán un campo magnético interno con la misma dirección que el campo magnético externo. Por el contrario, los materiales diamagnéticos son repelidos por los campos magnéticos y crean un campo magnético que está en dirección opuesta al campo externo.
Los materiales paramagnéticos incluyen la mayoría de los elementos químicos y algunos compuestos y tienen una permeabilidad magnética relativa ligeramente mayor que 1, lo que significa que son atraídos por los campos magnéticos.
El momento magnético de estos materiales paramagnéticos se inducirá cuando se sometan a un campo magnético externo, y esta inducción está relacionada linealmente con la fuerza del campo magnético. Sin embargo, este efecto suele ser muy débil y a menudo requiere una balanza analítica muy sensible para detectarlo. La fuente del paramagnetismo son principalmente los electrones desapareados presentes en el material, por lo que la mayoría de los átomos con orbitales electrónicos incompletos exhiben paramagnetismo, pero existen algunas excepciones como el cobre.
Los electrones desapareados tienen un momento dipolar magnético debido a su espín y actúan como pequeños imanes. El campo magnético externo hace que los espines de estos electrones se alineen con la dirección del campo magnético, creando una red de fuerzas de atracción.
Los materiales paramagnéticos comunes incluyen aluminio, oxígeno, titanio y óxido de hierro (FeO). Hay una regla empírica sencilla en química: si todos los electrones de un material están apareados, entonces el material es diamagnético; si hay electrones desapareados, entonces es paramagnético. A diferencia de los materiales ferromagnéticos, los materiales paramagnéticos no retienen ninguna magnetización después de eliminar el campo magnético externo porque el movimiento térmico aleatoriza la orientación del espín. Incluso cuando se aplica un campo magnético, la magnetización inducida es extremadamente pequeña porque sólo una pequeña fracción de los espines están alineados en la dirección del campo externo.
Efectos del espín del electrón
Los materiales paramagnéticos consisten en átomos o moléculas que desarrollan momentos magnéticos permanentes (dipolos) en presencia de un campo magnético externo, que existen incluso en ausencia de un campo magnético aplicado. Cuando se aplica un campo magnético, estos dipolos tienden a alinearse con el campo externo, formando un momento magnético resultante.
En el paramagnetismo puro, estos dipolos no interactúan entre sí y están orientados aleatoriamente en ausencia de un campo magnético externo, lo que da como resultado un momento magnético total de cero.
Cuando se aplica un campo magnético externo, los espines se alinean de manera que el momento magnético resultante apunta en la dirección del campo magnético externo. Esto puede entenderse a través del efecto de torque en la física clásica, pero su causa real debe explicarse a través de la mecánica cuántica.
Correlación entre manifestaciones macroscópicas y microestructura
Incluso algunos materiales ferromagnéticos exhiben paramagnetismo por encima de la temperatura de Curie, cuando la energía térmica disponible excede la energía de interacción entre los espines y, por lo tanto, se comportan como materiales paramagnéticos normales. En general, los efectos paramagnéticos son relativamente pequeños, con la mayoría de las susceptibilidades en el rango de 10^-3 a 10^-5, pero algunos materiales sintéticos como los ferrofluidos pueden tener susceptibilidades tan altas como 10^-1.
En los materiales conductores, los electrones están deslocalizados, lo que significa que pueden moverse libremente por todo el sólido. La aparición de este fenómeno permite que existan simultáneamente propiedades paramagnéticas y diamagnéticas en estos materiales.
En la mayoría de los casos, los electrones de los metales de tipo s y p exhiben un paramagnetismo débil o propiedades diamagnéticas, y las propiedades diamagnéticas generalmente superan los efectos del paramagnetismo en metales como el oro. Por el contrario, los electrones de tipo d y f a menudo exhiben efectos magnéticos más fuertes, especialmente estos últimos, porque suelen estar muy localizados y pueden transportar hasta siete electrones desapareados. Por ejemplo, el erbio (Gd) se utiliza en la tecnología de resonancia magnética debido a sus altas propiedades de inducción magnética.
Discusión sobre bases teóricas
La base teórica del paramagnetismo se encuentra en la mecánica cuántica, especialmente en el teorema de Bohr-van Leeuwen, que establece que no habrá diamagnetismo ni paramagnetismo en un sistema puramente clásico. En condiciones de baja magnetización, el comportamiento de magnetización de los materiales paramagnéticos sigue la ley de Curie, es decir, su magnetización aumenta al disminuir la temperatura.
Esta ley establece que la susceptibilidad magnética de un material es inversamente proporcional a su temperatura, lo que significa que un material se vuelve más magnético a temperaturas más bajas.
Entonces, considerando el paramagnetismo y las propiedades de los materiales en nuestra vida cotidiana, ¿nos da esto un nivel más profundo de comprensión de nuestro entorno?
