Magnetización

Cuando la materia se expone a un campo magnético, siempre se genera una magnetización. Esta crea un campo magnético adicional dentro de la materia, que se solapa con el campo magnético externo. Los materiales se clasifican en diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos según sus propiedades.

Si la magnetización está alineada con el campo magnético externo, se habla de «paramagnetismo». En los objetos ferromagnéticos, la magnetización también está alineada con el campo magnético externo, pero es mucho más estable que en los paramagnéticos debido a una interacción especial conocida como «interacción de intercambio».

En los materiales diamagnéticos, la magnetización se orienta en sentido opuesto al campo magnético externo. La magnetización es especialmente notable en los materiales ferromagnéticos (como el hierro), donde la intensidad de la magnetización es mucho mayor. Este fenómeno puede demostrarse fácilmente mediante un experimento.

Experimento para la magnetización de materiales ferromagnéticos

Cuando un objeto de hierro (por ejemplo, unas tijeras) se expone a un campo magnético potente de un imán, se observa que las tijeras pueden atraer alfileres que contengan hierro, incluso después de que el imán haya sido retirado. Esta magnetización restante se denomina «remanencia».

Cuantificación de la magnetización mediante la permeabilidad magnética

La magnetización M que se establece bajo un determinado campo magnético externo se cuantifica a través de la permeabilidad magnética μ.

De forma simplificada, podemos imaginarnos que la permeabilidad μ indica en qué medida el campo magnético H se ve modificado por la influencia de la materia cuando existe un campo magnético externo H₀. Se cumple: H=μ•H₀. El campo magnético H es, a su vez, la suma del campo magnético externo aplicado H₀ y la magnetización del cuerpo M: H=H₀+M. Por tanto, para la magnetización se cumple:

M=H-H₀=μ•H₀-H₀=(μ-1)•H₀
La permeabilidad del vacío es μ=1. Por tanto, el vacío no se puede magnetizar. La magnetización M del vacío es M=0.

Las sustancias paramagnéticas presentan una permeabilidad ligeramente mayor que 1. La permeabilidad de las sustancias diamagnéticas es ligeramente menor que 1. Por ello, la magnetización es negativa. Esto significa que está orientada en sentido opuesto al campo externo incidente H₀. En un superconductor la permeabilidad es μ=0. Por tanto, la magnetización de un superconductor está orientada en sentido opuesto al campo externo y su magnitud es igual a la del campo externo. De este modo, el interior del superconductor queda libre de campo y el superconductor flota en el campo magnético.

Los ferromagnetos pueden presentar valores de permeabilidad muy elevados. En el hierro, μ puede alcanzar valores de hasta 10 000, y ciertos metales ferromagnéticos especiales, denominados amorfos, alcanzan valores de μ = 150 000. Con permeabilidades tan elevadas, la magnetización en un campo magnético externo H₀ es aproximadamente M ≈ μ•H₀.

Causa física de la magnetización

Para comprender la causa física de la magnetización, podemos imaginarnos que toda sustancia está formada por átomos con núcleos atómicos y electrones. Estos últimos son los principales responsables de los efectos de magnetización.

Si se aplica un campo magnético externo, se inducen movimientos de los electrones, es decir, corrientes, bajo la influencia de este campo magnético. Esto provoca el diamagnetismo (véase figura). Según la regla de Lenz, estas corrientes se orientan de tal manera que contrarrestan su causa. La magnetización en el material se dirige, por tanto, en dirección opuesta al campo exterior. Sin embargo, es posible que al diamagnetismo del material se superpongan propiedades paramagnéticas o ferromagnéticas adicionales. Esto se debe a que los electrones poseen un espin electrónico que presenta propiedades magnéticas. Los espines de los electrones forman imanes elementales en el material. El espín presenta un momento magnético fijo. Si todos los espines de los electrones en cada átomo individual no están compensados por un electrón con espín opuesto (normalmente en materiales con un número par de electrones por átomo), entonces los momentos magnéticos de estos espines pueden alinearse en el campo magnético externo. En este caso, la propia muestra se comporta como un imán. La magnetización se alinea con el campo externo.

Hablamos de «ferromagneto» cuando la alineación de los espines atómicos se estabiliza. Esto se debe a la interacción de intercambio. Cada uno de los pequeños imanes elementales se estabiliza en su alineación. El cuerpo sigue siendo magnético en su conjunto cuando se desconecta el campo magnético externo y se observa remanencia. Por el contrario, la magnetización de los paramagnetos desaparece inmediatamente cuando se desconecta el campo externo.

La desmagnetización de un cuerpo ferromagnético magnetizado puede lograrse si los espines de los electrones alineados se desordenan de nuevo.

Esto se puede conseguir mediante calor (calentamiento por encima de la temperatura de Curie), golpes fuertes o un campo magnético con polarización invertida.