La génesis del magnetismo se debe al movimiento de espín de los electrones y sus interacciones entre sí. Describir cómo los materiales responden al magnetismo es la mejor manera de presentar diferentes tipos de materiales magnéticos. Te sorprenderá saber que toda la materia es magnética. La distinción principal es que ciertos materiales tienen una permeabilidad magnética más alta que otros. Lo que los separa es el grado de interacción entre los momentos magnéticos. Algunos materiales no tienen interacción de momento magnético atómico colectivo, mientras que otros tienen una interacción de momento magnético atómico alto.
Clasificación de materiales magnéticos
La respuesta de un material a una fuerza magnética externa se define por sus características magnéticas. Los sólidos se pueden dividir en tres categorías según sus propiedades magnéticas:
- Ferromagnético: materiales que se sienten fuertemente atraídos por los materiales magnéticos . Níquel, Cobalto y Hierro son algunos de sus ejemplos.
- Paramagnético: materiales que son atraídos débilmente por materiales magnéticos . El molibdeno, el litio y el magnesio son algunos de sus ejemplos.
- Diamagnéticos: materiales que no se sienten atraídos por los campos magnéticos. El oro, el agua, el mercurio, el bismuto y el cobre son algunos de sus ejemplos.
¿Qué son los materiales diamagnéticos?
Cuando se colocan en un campo magnético, los materiales diamagnéticos son aquellos que se magnetizan libremente. La magnetización, por otro lado, está en la dirección opuesta del campo magnético. Diamagnetismo es el término para el magnetismo mostrado por ciertos materiales.
Un imán generalmente repele los materiales diamagnéticos. Técnicamente, estos sólidos producen un campo magnético inducido en dirección opuesta a un campo magnético aplicado externamente y son repelidos por este. El comportamiento de los materiales paramagnéticos es exactamente el contrario de este fenómeno. Los campos magnéticos son creados por el movimiento orbital de los electrones en los átomos de los materiales diamagnéticos, lo que forma pequeños bucles de corriente atómica. Cuando un material se somete a un campo magnético externo, estos bucles de corriente tienden a alinearse de forma opuesta al campo aplicado.
Debido a que todos los electrones en los materiales diamagnéticos están acoplados, no existe un momento magnético neto permanente por átomo. Las características diamagnéticas son el resultado de la realineación de las rutas de los electrones debido al impacto de un campo magnético externo. Como resultado, todos los materiales con pares de electrones tienen características diamagnéticas.
Propiedades de los materiales diamagnéticos
- Los materiales diamagnéticos no tienen dipolos atómicos porque el momento magnético resultante de cada átomo es cero debido a los electrones apareados.
- Un imán resistirá los materiales diamagnéticos.
- Debido a que el campo repele las sustancias solo débilmente, tienden a migrar de una región fuerte a una región débil del campo magnético externo en un campo no uniforme.
- La fuerza de magnetización (I) es un número negativo pequeño que es proporcional al campo magnético.
- La susceptibilidad magnética es insignificante y diminuta.
- La relación de permeabilidad es algo menor que uno.
- La temperatura no afecta a los materiales diamagnéticos. La ley de Curie no se aplica a estos materiales.
- Cuando cuelga en un campo magnético homogéneo, una barra de material diamagnético se detiene con su longitud perpendicular a la dirección del campo porque el campo es más alto en los polos.
- En un tubo en U, un líquido diamagnético presiona la extremidad entre los polos de un imán.
- El momento dipolar magnético es pequeño y está polarizado en la dirección opuesta al campo magnético H.
- Si se coloca un líquido diamagnético en un cristal de reloj entre dos piezas polares que están muy cerca una de la otra, el líquido se acumula a los lados y aparece una depresión en el centro, donde el campo es mayor.
- Cuando se vierte un líquido sobre un vidrio de reloj que se coloca sobre dos piezas polares que están convenientemente separadas (más que en el ejemplo anterior), el líquido se acumula en el medio, donde el campo es más débil.
- El momento dipolar inducido causado por un cambio en el movimiento orbital de los electrones en los átomos causado por el campo aplicado es la fuente del diamagnetismo.
Aplicación de Materiales de Diamagnetismo o Diamagnetismo
- Dado que el diamagnetismo es esencialmente la expulsión de campos magnéticos dentro de un material, se pueden levitar materiales diamagnéticos poderosos o levitar imanes si son lo suficientemente fuertes y grandes. La levitación diamagnética del grafito pirolítico sobre imanes permanentes de neodimio se ve en el siguiente diagrama.
- La respuesta diamagnética en los superconductores deja cero campos magnéticos internos, como se ve en la imagen de abajo. El efecto Meissner describe cómo ciertos materiales pueden levitar fácilmente en presencia de un poderoso imán permanente, como se ve en el diagrama de arriba.
- Los superconductores con altas temperaturas (−100 K), por otro lado, se fabrican con materiales inusuales que requieren un procesamiento costoso y fluidos criogénicos para alcanzar el estado superconductor.
- El superconductor (color azul) de la figura siguiente expulsa todos sus campos magnéticos externos, que se denominan diamagnetos perfectos.
Puntos importantes para recordar
El diamagnetismo existe en todos los materiales y es independiente de la temperatura, pero debido a que el efecto es tan leve en contraste con el paramagnetismo y los efectos ferromagnéticos, con frecuencia se pasa por alto.
Los gases, líquidos y sólidos pueden exhibir diamagnetismo.
Superconductores: los superconductores son esencialmente materiales diamagnéticos con una susceptibilidad de volumen de χ v = − 1 (adimensional). Exhiben un apantallamiento diamagnético completo y pueden clasificarse como diamagnetos perfectos ya que expulsan todos los campos magnéticos.
Efecto Meissner: cuando se introduce un imán permanente cerca de un superconductor, el material superconductor genera una corriente que se opone completamente al campo magnético del imán permanente. El superconductor expulsa un campo magnético aplicado, dando como resultado un campo de cero en su interior. En el estado de Meissner, un superconductor actúa como un diaimán perfecto.
Problemas de muestra
Problema 1: ¿Por qué la susceptibilidad diamagnética es negativa?
Solución:
Debido a que los pares de electrones en los materiales diamagnéticos están todos juntos, no hay espines totales. El campo magnético de estos materiales se dirige en dirección opuesta al campo magnético aplicado. El diamagnético tiene una baja susceptibilidad negativa, lo que implica que es diamagnético.
Problema 2: ¿El agua es naturalmente diamagnética? ¿Por qué?
Solución:
El agua es diamagnética, según la creencia popular. Solo los pares de electrones se encuentran en los compuestos diamagnéticos. El agua, por otro lado, incluye dos pares de electrones de enlace entre los átomos de hidrógeno y oxígeno, así como dos pares de electrones solitarios en el átomo de oxígeno. Existe al menos un electrón desapareado en los compuestos paramagnéticos. Cuando una molécula contiene un número impar de electrones, algo sucede (como en el NO). También puede ocurrir cuando unas pocas moléculas tienen un número par de electrones (como en el O2). El agua repele el imán, como podemos ver. Esto sucede porque cualquier campo magnético cerca del agua produce su propio campo magnético, repeliendo el imán, fenómeno conocido como diamagnetismo.
Problema 3: ¿Qué son los Materiales Diamagnéticos?
Solución:
Los materiales diamagnéticos resisten el campo magnético de la misma manera que lo repele un campo magnético externo, pero también crean un campo magnético inducido en la dirección opuesta, lo que resulta en una fuerza repulsiva.
Problema 4: Una sustancia diamagnética se calienta de 200 a 450 grados centígrados. ¿Qué es el cambio de susceptibilidad diamagnética?
Responder:
La temperatura no tiene efecto sobre la susceptibilidad diamagnética, por lo que calentar un material no afectará su susceptibilidad diamagnética.
Problema 5: Dé algunos ejemplos de sustancias diamagnéticas.
Solución:
Cobre, zinc, bismuto, plata, oro, antimonio, mármol, agua, vidrio, NACL y otros compuestos diamagnéticos son solo algunos ejemplos.