¿Qué es un material paramagnético?
El magnetismo generalmente se debe al momento angular de giro de los electrones en el material. Algunos materiales magnéticos elegantes basados en metales de tierras raras también tienen propiedades magnéticas debido al momento angular orbital, pero por ahora: el magnetismo es causado por el espín.
Ahora, como probablemente sepa, el giro de un electrón en una determinada dirección solo puede tomar dos estados, arriba y abajo. Cuando los orbitales, los posibles estados para que los electrones en un átomo asuman, se están llenando, cada orbital puede tener dos electrones, uno con giro hacia arriba y otro con giro hacia abajo. Esto significa que todos los orbitales llenos tendrán un giro neto de cero. La excepción es si el número de electrones es desigual (entonces el orbital de mayor energía tendrá solo un electrón y, por lo tanto, un giro neto) o si hay múltiples orbitales con la misma energía (en este caso, todos estos orbitales obtienen primero un electrón y solo entonces se están llenando con un segundo electrón, de acuerdo con la regla de Hund que se indica a continuación).
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Si todos los orbitales en los átomos que forman el material tienen un giro neto de cero y, por lo tanto, todo el átomo tiene un giro neto de cero, entonces el material es diamagnético .
Si este no es el caso, y los átomos llevan un giro neto distinto de cero, entonces el material es paramagnético o ferromagnético (o anti-ferromagnético, pero voy a descuidar eso por ahora).
En materiales paramagnéticos , los giros en los diferentes átomos están orientados en una dirección aleatoria. Puede haber una pequeña interacción entre los giros, pero generalmente es tan pequeña que la energía térmica aleatoriza completamente los giros.
En materiales ferromagnéticos , la interacción entre giros es mucho más fuerte y capaz de superar este ruido térmico. Esto significa que la disminución de la energía al alinear los giros vecinos más que compensa la pérdida de entropía. Si se aumenta la temperatura, el ruido térmico aumentará y, por encima de la temperatura de Curie, el ferromagnet se convertirá en un paramagnet.
¿Qué es esta energía de interacción?
Esta energía de interacción se llama energía de intercambio y requiere algo de Mecánica Cuántica para entender. Hemos discutido cómo cada orbital solo puede tomar 2 electrones, uno con giro hacia arriba y otro con giro hacia abajo. Esto se debe al principio de exclusión de Pauli. Causa repulsión entre electrones en el mismo estado y el mismo giro. Los electrones con diferentes giros no sienten esta repulsión, por lo que pueden acercarse más fácilmente. Sin embargo, esto provoca un aumento en la energía coulombic. Entonces, los electrones con el mismo giro naturalmente se evitan entre sí debido al principio de exclusión de Pauli y tienen una energía más baja debido a las interacciones culombianas. Esto da lugar a la regla de Hund dentro de un átomo, y la interacción de intercambio en materiales magnéticos. La razón por la cual esta interacción de intercambio es más fuerte para algunos materiales tiene que ver con las diferencias de superposición entre los orbitales con un solo electrón.
Imágenes tomadas de google images.
Descargo de responsabilidad: como siempre en la mecánica cuántica, esta respuesta intenta dar una explicación intuitiva que se descompone fácilmente cuando la miras más de cerca, porque bueno … la mecánica cuántica es simplemente extraña. Sin embargo, eso es lo que lo hace hermoso.
