Magnetismo y magnetización

Momento magnético atómico

Una corriente eléctrica que pasa a través de un alambre crea un campo magnético, es el danés Hans Christian Oersted (1777-1851) que descubre esta interacción entre la electricidad y el magnetismo. Por lo tanto, cualquier carga eléctrica que se mueve genera un campo magnético en el plano perpendicular al movimiento y esto se ve.
En un experimento con sus estudiantes, Oersted demostró que una corriente que pasa en un cable mueve la aguja de una brújula. Publicó en 1820 en Journal für Chemie und Physik "Experimentos sobre el efecto del conflicto eléctrico en la aguja magnética" traducción de "Experimenta circa effectum Conflictus electrici en acum magneticam".
Pero es el francés André-Marie Ampère (1775-1836) que construye los fundamentos teóricos del electromagnetismo. Ampere define la dirección del campo magnético que desplaza la aguja de una brújula en una regla llamada "regla de la mano derecha" o en francés "la regla del hombre de Ampere". El hombre está tumbado en el alambre, los flujos de corriente eléctrica circulan desde los pies a la cabeza, la aguja magnetizada está enfrentando a sus ojos, el polo norte de la aguja está a su izquierda.
Los electrones que se mueven es el magnetismo, pero a principios del siglo 19, no se conoce el electrón y no se puede explicar el magnetismo de la materia. Habrá que esperar a Niels Bohr (1885-1962) y la mecánica cuántica (teorema de Bohr-van Leeuwen en 1919) para obtener la primera explicación.

Es la rotación de los electrones alrededor del núcleo, lo que crea el campo magnético en el material, conocido campo magnético orbital. En la materia, la fuente global del campo magnético viene de los múltiples corrientes microscópicos asociados con la nube de electrones. Los orbitales atómicos se crean por el movimiento permanente de todos los electrones alrededor del núcleo, es alrededor de 10 000 veces más grande que su núcleo y llenó toda la extensión espacial del átomo.
Además del momento magnético orbital (concepto de la mecánica cuántica), cada electrón, hablando en sentido figurado "gira sobre sí misma", y todos los electrones llevan con ellos un momento angular y por lo tanto un momento magnético de espín.
El espín del núcleo, cuando no es cero, también crea un campo magnético nuclear que interactuará con el momento magnético del electrón.
En resumen, el momento magnético de la materia es la combinación de todos estos microscópicos momentos magnéticos atómicos.
La unidad de medición del campo magnético es el tesla (T). El campo magnético de la Tierra en Francia es de ≈47 µT. El de un imán decorativo de nevera es de ≈1000 µT.

N.B.: el momento magnético de un bucle de corriente como la órbita del electrón, que rodea un área como la superficie del átomo, es μ = i S.
μ = momento magnético
S = vector ortogonal a la superficie
i = amplitud de la corriente eléctrica igual a su área

Imagen: representación de una nube de electrones con diferentes orbitales posibles del átomo de hidrógeno de acuerdo con la energía y el momento angular del electrón. Crédito Imagen: GNU Free Documentation License.

Orden magnético

Todos los átomos de la materia llevan las propiedades magnéticas (momentos magnéticos permanentes más o menos ordenados), pero en la materia pocos elementos son magnéticos porque los electrones, que se mueven alrededor del núcleo del átomo, cada crean un pequeño campo magnético desordenado, que al nivel global, el del elemento, se cancela.
Esto se refiere a los átomos que tienen órbitas electrónicas "llenas" cuando los momentos magnéticos se compensan globalmente. En algunos casos vinculados a la existencia de subcapas incompletas, la compensación de los momentos no es total y el átomo es magnético.
Los elementos los más magnéticos son el cromo (Cr), el manganeso (Mn), el hierro (Fe), el cobalto (Co), el níquel (Ni) y las tierras raras Las tierras raras son un grupo de metales de propiedades vecinas incluyendo el escandio (Sc), el itrio (Y) y los quince elementos de la serie de los lantánidos de la tabla de Mendeleev, lantano (La), cerio (Ce), praseodimio (Pr), neodimio (Nd), prometio (Pm), samario (Sm), europio (Eu), gadolinio (Gd), terbio (Tb), disprosio (Dy), holmio (Ho), erbio (Er), Tulio (Tm), iterbio (Yb) y lutecio (Lu). Estos metales son, paradójicamente, muy común en la Tierra y que son maleables y dúctiles. (serie de los lantánidos de la tabla periódica). Estos elementos llevan momentos magnéticos fuertemente acoplados juntos (paralelos). Además, el hierro, el cobalto y el níquel son magnéticos a temperatura ambiente. La temperatura destruye la magnetización en un material ferromagnético, la temperatura de Curie es la temperatura a la cual el material pierde su magnetización, 354 °C para el níquel, 769 °C para el hierro, 1126 °C para el cobalto (véase la tabla adjunto).
Por encima de esta temperatura, el material se encuentra en un estado desordenado se dice paramagnético, en otras palabras, tiene más magnetización espontánea pero si la temperatura cae por debajo de la temperatura de Curie, puede una magnetización recuperar una magnetización bajo el efecto de un campo magnético externo.
Es el físico francés Pierre Curie (1859-1906), quien descubrió en 1895, esta propiedad de los artículos relacionada con la temperatura de Curie.
¿Por qué estos elementos llevan momentos magnéticos fuertemente acoplados entre ellos?
Para que un elemento sea fuertemente magnético es necesario que todos los momentos magnéticos microscópicos interactúan unos con otros, en otras palabras, que sean ordenados y paralelos entre sí.
Este orden magnético o este acoplamiento de los momentos magnéticos se llama el campo molecular (ver nota más abajo) que da esta propiedad a los materiales ferromagnéticos.

N.B.: El campo molecular fue inventado en 1907 por Pierre Weiss (1865-1940) para traducir las interacciones que deben existir entre los momentos magnéticos, para producir la saturación de la magnetización en los ferromagnéticos.

Tabla : la temperatura de Curie. Muchos materiales tales como el hierro, el cobalto o el níquel son magnéticos a temperatura ambiente. La temperatura destruye la magnetización en un material ferromagnético, la temperatura de Curie es la temperatura a la cual el material pierde su magnetización. En general, los imanes permanentes utilizados en la industria son de samario-cobalto o de neodimio-hierro-boro. La inducción magnética existente en estos materiales, en ausencia de corriente está de ≈1 T (0,5 tesla para el samario-cobalto y 1,3 Tesla para el neodimio-hierro-boro.

Imagen: modelo para un material tal como hierro, por un conjunto de dipolos magnéticos independientes en presencia o ausencia de una energía magnética. Esta energía magnética tiende a orientar los dipolos alineándolos de acuerdo con el campo magnético aplicado. Al contrario, la energía de agitación térmica promueve el trastorno.
1 = ausencia de campo magnético
2 = presencia de débil campo magnético
3 = presencia de un fuerte campo magnético
Crédito imagen astronoo.com

Relleno de las cajas cuánticas

Los electrones tienen cargas negativas que se repelen y utilizarán diferentes orbitales para evitar que reunirse. Esta característica ya fue cierto en la mecánica clásica. En la mecánica cuántica se dice que dos electrones en el mismo átomo no pueden estar en el mismo estado cuántico, este es el famoso principio de exclusión del físico austriaco Wolfgang Pauli (1900-1958).
Ellos deben diferir en uno de los cuatro parámetros cuánticos : n, l, m, s (ver nota adjunto).
¿Cuáles son estos parámetros?
Se utilizan para definir una caja cuántica.
Una caja cuántica sólo puede contener dos electrones al máximo y los dos electrones no debe tener el mismo parámetro s, es decir, el mismo espín. El espín puede tomar sólo dos valores +1/2 o -1/2. En la foto contra, el espín está representado por una flecha roja que ocupa una caja cuántica, sin violar el principio de exclusión de Pauli, cuando hay dos electrones, sus espines son antiparalelos.
Cuando se llena completamente las capas atómicas luego las orbitales tienen otros tantos electrones de espín +1/2 que electrones de espín -1/2 y no hay magnetismo, globalmente los momentos magnéticos se neutralizan.
Cuando no se llena completamente una capa, se crea un momento magnético debido a que la capa exterior tiene un desequilibrio magnético, el número de electrones de espín +1/2 es diferente del número de electrones de espín -1/2 (ver capa 3d en la imagen). El magnetismo es una propiedad de las capas de electrones incompletas.

El espín es un "imán" cuántico, no sólo el electrón es a la vez un cuerpo y una onda cuántica, pero además, lleva un mini-imán llamado espín. Este espín, como toda propiedad cuántica, sólo puede tomar ciertos valores.
Al origen del magnetismo, el espín también explicar los enlaces químicos entre los átomos en el material.

N.B.: El estado cuántico de un electrón se define por cuatro parámetros (n, l, m, s), llamados los números cuánticos atómicos :
 - El número cuántico principal n toma valores enteros (n = 1, 2, 3...) y corresponde al nivel de energía, a una capa electrónica, n es el número de capa cuántica a la de pertenece el electrón.
 - El número cuántico secundario ℓ puede tomar todos los valores entre 0 y n-1. Determina la subcapa electrónica pertinente. Las capas interiores se designan por las letras s (Sharp) para ℓ = 0, p (principal) para ℓ = 1, d (difusa) para ℓ = 2, f (Fundamental) para l = 3 a continuación (para los estados excitados) g, h, i para ℓ = 4,5,6...
 - El número cuántico magnético m puede tomar todos los valores entre -ℓ y +ℓ. Determina la orientación del orbital atómica.
 - El número cuántico de espín s puede tomar los valores +1/2 o -1/2 y determina el valor del momento de espín del electrón. Permite cuantificar el momento angular intrínseco del electrón, y define la orientación del electrón en un campo magnético.

Imagen: ejemplo de relleno de las cajas cuánticas asociadas a las diferentes capas y subcapas electrónicas de átomo de hierro (Z = 26).
Partidarios del menor esfuerzo, cada electrón comienza a ocupar las cajas cuánticas vacías de baja energía es decir las de capas de números n más pequeños (orbitales más cercanas del núcleo, a la izquierda en la foto). Entonces se pondrán dos por dos en las cajas de más baja energía como una caja cuántica sólo puede contener un máximo de dos electrones, además estos electrones deben tener espines opuestos para entrar en la caja.
Luego, dentro de una capa n, ocuparán las subcapas en el orden de las energías más bajas s, p, d, f... y se moverá a la siguiente capa n hasta todos los electrones ocupan un lugar.
La orientación de las flechas rojas indican el valor del número cuántico de espín.
En la imagen, se observa una anomalía, la subcapa 3d es incompleta, mientras que la caja cuántica de la capa 4s ya está llena. La capa 4s tiene un nivel de energía menor que la subcapa 3d, es por eso que los electrones llenan las cajas en el orden 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6.