Orden magnético

Principales características del orden magnético

En la actualidad se conoce una extensísima y variada gama de substancias magnéticas. Esto ha sucedido como consecuencia de la creación de potentes y variadas técnicas experimentales que han hecho aflorar el magnetismo en un elevadísimo número de sólidos iónicos, metales, compuestos intermetálicos, aleaciones y vidrios metálicos. Así hemos conseguido hallar el tipo de ordenación en sistemas antes considerados como anómalos.

Repasemos brevemente los diversos tipos de medios magnéticos desde un punto de vista casuístico, con ejemplos sobresalientes de cada tipo y reseñando muy brevemente las propiedades más notables.

La intensa imanación en respuesta a la aplicación de un campo magnético en \(Fe\), \(Co\) y \(Ni\) y en muchas de sus aleaciones se denomina ferromagnetismo. Esta propiedad se presenta también a bajas temperaturas en un extenso número de materiales cuyo número no para de crecer: \(Gd\), \(Dy\) y otras tierras raras metálicas, en combinación con intermetálicos y con otros metales; también en sólidos aislantes como por ejemplo el \(EuO \) y el \(CrBr_{3} \). En algunos casos, la naturaleza es ferrimagnética, pero su idéntico comportamiento merece que aquí los tratemos conjuntamente.

Las principales caracterísiticas del orden magnético:

•  La principal es la existencia de un orden espontáneo de largo alcance de las direcciones de los momentos magnéticos atómicos o iónicos, que en el caso de un cristal perfecto  sería infinito (longitud de correlación infinita). Como consecuencia de este orden espontáneo de largo alcance lo que sucede es que al quitar el campo magnético  sigue existiendo una imanación remanente y que además, en los denominados materiales magnéticamente blandos, la presencia de un débil campo sature la imanación.
• En los cristales se observa la existencia de una dirección cristalográfica de fácil imanación, en la que espontáneamente está orientada la imanación, costando poco campo imanar en esa dirección. Igualmente el cristal también está imanado en las otras direcciones equivalentes, lo que hace que se encuentre dividido en dominios magnéticos, cada uno de ellos imanados a saturación y dirigida la imanación en direcciones diferentes ( por ejemplo, los seis ejes de un cristal cúbico).

La facilidad con la que se imana a saturación un ferromagnético blando consiste en la facilidad de mover las paredes  que separan los dominios, pudiendo hacer que la muestra conste de un único dominio cuya imanación sólo crece por variación de la magnitud de la imanación espontánea \(\left | \vec{M_{S}} \right |\). Si ahora aplicáramos un campo en la dirección no fácil la imanación se produciría como consecuencia de la rotación de \( \vec{M_{S}} \).
Es decir, en el ferromagnetismo hay dos características importantes, la existencia e importancia por su magnitud de una imanación espontánea en el sólido y la distribución de la misma en dominios magnéticos con distinta dirección.

Muchas técnicas se conocen para visualizar los dominios y no es motivo de este post, aunque ya llegará el momento en el que hablemos de estas técnicas en el blog.

Repito, todo lo dicho para los ferromagnéticos, aplica a los ferrimagnéticos. La diferencia estriba en que en los ferrimagnéticos la distribución de momentos es a nivel microscópico, pero ya digo, hay orden espontáneo, existen dominios, los mecanismos de imanación son idénticos, etc...

El orden magnético, para los materiales con imanación espontánea, se pone de manifiesto midiendo directamente la imanación o indirectamente a través de las anomalías que presentan el calor específico y la susceptibilidad inicial cuando se produce la transición de  ferromagnético a paramagnético debido a que la agitación térmica destruye el orden de largo alcance produciendo fluctuaciones muy intensas en las direcciones de los momentos. Esto son técnicas macroscópicas.
Para ejemplificar esto último veamos como varía la susceptibilidad de un cristal de \(Gd\) a lo largo de su eje [0001] conforme variamos la temperatura. Más o menos a 300 K observamos una anomalía de la susceptibilidad y como el material pasa a no ser ferromagnético. Observemos también, como la susceptibilidad resulta ser reversible. 

Annual Physics review 70-104 (1974)

Evidentemente, en los antiferromagnéticos, en los que la imanación espontánea es cero, habrá que utilizar técnicas más potentes como la difracción de neutrones. (Aquí enlazaremos con un post en el que de manera superficial enumeraremos y explicaremos algunas técnicas para determinar la estructura de los antiferromagnéticos.)

A continuación mostramos diferentes imágenes de estructuras magnéticas.

Magnetismo de la materia: visión elemental y tipos

Substancias que se imanan, más o menos fácilmente, es decir, que adquieren un momento magnético mediante la aplicación de un campo magnético, se denominan de un modo genérico, substancias magnéticas. Existen diversos tipos de comportamiento magnético; los caracterizados por la estructura magnética, los caracterizados frente al campo, así como por el comportamiento o variación de la imanación con la temperatura. Antes de entrar aquí en un estudio somero y elemental de los diversos tipos de magnetismo introduzcamos algunos conceptos de utilidad.

Se denomina imanación al momento magnético por unidad de volumen de un medio y se representa por \(\vec{\textbf{M }}\), estando el vector \(\vec{\textbf{M }}\) dirigido de polos negativos (Sur) a los polos positivos (Norte) en el medio.

Consideremos a \(\vec{\textbf{M }}\) homogénea con la intensidad de campo magnético, \(\vec{\textbf{H }}\), existiendo la siguiente relación general entre \(\vec{\textbf{M }}\), \(\vec{\textbf{H }}\) y la inducción magnética, \(\vec{\textbf{B}}\).

$$\vec{\textbf{B}} = \mu_{0}\left ( \vec{\textbf{H }} +\vec{\textbf{M }} \right ) \mathit{donde }\ \mu _{0}=4\pi 10^{-7} \mathit{ Hm^{-1} es \ la \ permeabilidad \ magn\acute{e}tica \ del \ vac\acute{i}o} \ \left [ 1 \right ] $$

La relación para muchas substancias entre \(\vec{\textbf{M }}\) y \(\vec{\textbf{H }}\) es
$$\vec{\textbf{M}} = \chi \vec{\textbf{H }} donde \ \chi \ es \ la \ susceptibilidad\ magn\acute{e}tica \left [ 2 \right ]$$ La susceptibilidad magnética es característica de la substancia pudiendo ser independiente o no del campo aplicado. Combinando las ecuaciones \(\left [ 1 \right ] \) y (\left [ 2 \right ] \) tenemos que: $$\vec{\textbf{B }} = \mu _{0}\left (\vec{\textbf{H }} + \chi \vec{\textbf{H }} \right )=\mu _{0}\left (1 + \chi\right ) \vec{\textbf{H }} =\mu _{0}\mu _{r} \vec{\textbf{H}} = \mu\vec{\textbf{H }} \left [ 3 \right ] , donde \ \mu \ es \ la \ permeabilidad \ magn\acute{e}tica \ del \ medio$$
Los valores de la susceptibilidad magnética pueden oscilar entre \(10^{-8} \) para magnetismo muy débil y \(10^{6} \) para magnetismo intenso; pudiendo incluso ser negativa .
Puede ocurrir también que la relación entre M y H no sea lineal, siendo la susceptibilidad magnética dependiente de H.
La susceptibilidad y la imanación son las "respuestas" del medio al campo y caracterizan a aquel, pudiendo ser explicados en función de la estructura magnética del medio ( bien sea microscópica o a nivel macroscópico).
Sin entrar en matizaciones excesivas podemos distinguir los siguientes tipos de comportamiento magnético de la materia:

• Diagmagnetismo.
• Paramagnetismo.
• Ferromagnetismo.
• Antiferromagnetismo.
• Ferrimagnetismo.
• Vidrios de spin o magnetismo desordenado.

Prefacio

Una única pretensión; recordar todas aquellas cosas que estudié hace ya mil años. Ninguna otra pretensión especial, sin embargo, espero que este blog que ahora comienzo, sirva de ayuda a nuevos estudiantes de física y a todos aquellos que tengan interés en el estudio de las propiedades magnéticas de los materiales. La intención es ir glosando conocimientos de materia condensada. Allí donde yo mismo me atasque o no recuerde bien los conceptos que voy a ir escribiendo, bien porque me falte algún conocimiento o porque sea necesario refrescar otros de materias relacionadas, entraremos posts que sean aclaratorios o que recuerden esa teoría que no es propiamente de materia condensada pero que sí que utiliza como herramienta. 

Estoy muy excitado. Empiezo un viaje muy largo hacia el pasado. 

Quiero realizar ahora una mención especial a mi profesor Agustín del Moral Gámiz.