Un material ferrimagnético es un material que tiene poblaciones de átomos con momentos magnéticos opuestos , como en el antiferromagnetismo . Para los materiales ferrimagnéticos, estos momentos son desiguales en magnitud, por lo que permanece una magnetización espontánea . [1] Esto puede suceder, por ejemplo, cuando las poblaciones constan de diferentes átomos o iones (como Fe 2+ y Fe 3+ ).
El ferrimagnetismo se ha confundido a menudo con el ferromagnetismo . La magnetita de sustancia magnética más antigua conocida (Fe 3 O 4 ) se clasificó como ferromagnet antes de que Louis Néel descubriera el ferrimagnetismo en 1948. [2] Desde el descubrimiento, se han encontrado numerosos usos para materiales ferrimagnéticos, como discos duros y aplicaciones biomédicas .
Historia
Hasta el siglo XX, todas las sustancias naturalmente magnéticas se llamaban ferromagnetos. En 1936 Louis Néel publicó un artículo proponiendo la existencia de una nueva forma de magnetismo cooperativo que llamó antiferromagnetismo. [3] Mientras trabajaba con Mn 2 Sb, el físico francés Charles Guillaud descubrió que las teorías actuales sobre el magnetismo no eran adecuadas para explicar el comportamiento del material, e hizo un modelo para explicar el comportamiento. [4] En 1948, Néel publicó un artículo sobre un tercer tipo de magnetismo cooperativo, basado en los supuestos del modelo de Guillaud. Lo llamó ferrimagnetismo. En 1970, Néels fue galardonado por su trabajo en magnetismo con el Premio Nobel de Física . [5]
Origen fisico
El ferrimagnetismo tiene los mismos orígenes físicos que el ferromagnetismo y el antiferromagnetismo . En los materiales ferrimagnéticos, la magnetización también es causada por una combinación de interacciones dipolo-dipolo e interacciones de intercambio que resultan del principio de exclusión de Pauli . La principal diferencia es que en los materiales ferrimagnéticos hay diferentes tipos de átomos en la celda unitaria del material . Un ejemplo de esto se puede ver en la figura de la derecha. Aquí, los átomos con un momento magnético más pequeño apuntan en la dirección opuesta a los momentos más grandes. Esta disposición es similar a la presente en materiales antiferromagnéticos, pero en materiales ferrimagnéticos el momento neto es distinto de cero porque los momentos opuestos difieren en magnitud.
Los ferrimagnetos tienen una temperatura crítica por encima de la cual se vuelven paramagnéticos al igual que los ferromagnetos. [6] A esta temperatura (llamada temperatura de Curie ) hay una transición de fase de segundo orden [7] y el sistema ya no puede mantener una magnetización espontánea. Esto se debe a que a temperaturas más altas, el movimiento térmico es lo suficientemente fuerte como para exceder la tendencia de los dipolos a alinearse.
Derivación
Hay varias formas de describir los ferrimagnetos, la más simple de las cuales es con la teoría del campo medio . En la teoría del campo medio, el campo que actúa sobre los átomos se puede escribir como:
Dónde es el campo de campo magnético aplicado yes un campo causado por las interacciones entre los átomos. Entonces, la siguiente suposición es:
Aquí es la magnetización media de la red y es el coeficiente de campo molecular. Cuando permitimos y para depender de la posición y la orientación, podemos escribirlo en la forma:
Aquí es el campo que actúa sobre la i- ésima subestructura yes el coeficiente de campo molecular entre la i- ésima y la k- ésima subestructura. Para una red diatómica podemos designar dos tipos de sitios, A y B. Podemos designar el número de iones magnéticos por unidad de volumen, la fracción de iones magnéticos en los sitios A, y la fracción en los sitios B. Esto entonces da:
Se puede demostrar que y eso a menos que las estructuras sean idénticas. favorece una alineación paralela de y , tiempo favorece una alineación antiparalela. Para ferrimagnetos,, por lo que será conveniente llevar como una cantidad positiva y escriba el signo menos explícitamente delante de él. Para los campos totales en A y B, esto da:
Además introduciremos los parámetros y que dan la relación entre las fuerzas de las interacciones. Por fin presentaremos las magnetizaciones reducidas:
con el giro del i- ésimo elemento. Esto luego da para los campos:
Las soluciones a estas ecuaciones (omitidas aquí) vienen dadas por
dónde es la función de Brillouin . El caso más simple de resolver ahora es. Desde. Esto luego da el siguiente par de ecuaciones:
con y . Estas ecuaciones no tienen una solución analítica conocida, por lo que deben resolverse numéricamente para encontrar la dependencia de la temperatura de.
Efectos de la temperatura
A diferencia del ferromagnetismo, las formas de las curvas de magnetización del ferrimagnetismo pueden adoptar muchas formas diferentes dependiendo de la fuerza de las interacciones y la abundancia relativa de átomos. Los casos más notables de esta propiedad son que la dirección de magnetización puede revertirse mientras se calienta un material ferrimagnético desde el cero absoluto hasta su temperatura crítica, y que la fuerza de magnetización puede aumentar mientras se calienta un material ferrimagnético a la temperatura crítica, lo cual no puede ocurrir. para materiales ferromagnéticos. Estas dependencias de la temperatura también se han observado experimentalmente en NiFe 2/5 Cr 8/5 O 4 [8] y Li 1/2 Fe 5/4 Ce 5/4 O 4 . [9]
Una temperatura más baja que la temperatura de Curie , pero en la que los momentos magnéticos opuestos son iguales (lo que resulta en un momento magnético neto de cero) se denomina punto de compensación de magnetización. Este punto de compensación se observa fácilmente en granates y aleaciones de metales de transición de tierras raras (RE-TM). Además, los ferrimagnetos también pueden tener un punto de compensación del momento angular , en el que el momento angular neto desaparece. Este punto de compensación es un punto crucial para lograr una inversión de magnetización de alta velocidad en dispositivos de memoria magnética.
Efecto de campos externos
Cuando los ferrimagnetos se exponen a un campo magnético externo, muestran lo que se llama histéresis magnética , donde el comportamiento magnético depende de la historia del imán. También exhiben una magnetización de saturación.; esta magnetización se alcanza cuando el campo externo es lo suficientemente fuerte como para hacer que todos los momentos se alineen en la misma dirección. Cuando se alcanza este punto, la magnetización no puede aumentar ya que no hay más momentos para alinear. Cuando se elimina el campo externo, la magnetización del ferrimagnet no desaparecerá, pero permanecerá una magnetización distinta de cero. Este efecto se utiliza a menudo en aplicaciones de imanes. Si posteriormente se aplica un campo externo en la dirección opuesta, el imán se desmagnetizará aún más hasta que finalmente alcance una magnetización de. Este comportamiento da como resultado lo que se llama un bucle de histéresis . [10]
Propiedades y usos
Los materiales ferrimagnéticos tienen alta resistividad y propiedades anisotrópicas . La anisotropía en realidad es inducida por un campo aplicado externo. Cuando este campo aplicado se alinea con los dipolos magnéticos, causa un momento dipolar magnético neto y hace que los dipolos magnéticos precesen a una frecuencia controlada por el campo aplicado, llamado Larmor o frecuencia de precesión . Como ejemplo particular, una señal de microondas polarizada circularmente en la misma dirección que esta precesión interactúa fuertemente con los momentos dipolares magnéticos ; cuando está polarizado en la dirección opuesta, la interacción es muy baja. Cuando la interacción es fuerte, la señal de microondas puede atravesar el material. Esta propiedad direccional se utiliza en la construcción de dispositivos de microondas como aisladores , circuladores y giradores . Los materiales ferrimagnéticos también se utilizan para producir aisladores ópticos y circuladores . Los minerales ferrimagnéticos en varios tipos de rocas se utilizan para estudiar las propiedades geomagnéticas antiguas de la Tierra y otros planetas. Ese campo de estudio se conoce como paleomagnetismo . Además, se ha demostrado que los ferrimagnetos como la magnetita se pueden utilizar para el almacenamiento de energía térmica . [11]
Ejemplos de
El material magnético más antiguo conocido, la magnetita , es una sustancia ferrimagnética. Los sitios tetraédricos y octaédricos de su estructura cristalina exhiben espines opuestos. Otros materiales ferrimagnéticos conocidos incluyen granate de hierro e itrio (YIG); ferritas cúbicas compuestas por óxidos de hierro con otros elementos como aluminio , cobalto , níquel , manganeso y zinc ; y ferritas hexagonales como PbFe 12 O 19 y BaFe 12 O 19 y pirrotita , Fe 1 − x S. [12]
El ferrimagnetismo también puede ocurrir en imanes de una sola molécula . Un ejemplo clásico es una molécula de manganeso dodecanuclear con un espín efectivo S = 10 derivado de la interacción antiferromagnética en centros metálicos Mn (IV) con centros metálicos Mn (III) y Mn (II). [13]
Ver también
- Energía de anisotropía
- Magnetización orbital
Referencias
- ^ Spaldin, Nicola A. (2011). Materiales magnéticos: fundamentos y aplicaciones (2ª ed.). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-88669-7. OCLC 607986416 .
- ^ Néel, M. Louis (1948). "Propriétés magnétiques des ferrites; ferrimagnétisme et antiferromagnétisme" (PDF) . Annales de Physique . 12 (3): 137-198. doi : 10.1051 / anphys / 194812030137 . ISSN 0003-4169 .
- ^ Néel, Louis (1936). "Propriétés magnétiques de l'état métallique et énergie d'interaction entre atomes magnétiques" . Annales de physique . 11 (5): 232-279. doi : 10.1051 / anphys / 193611050232 . ISSN 0003-4169 .
- ^ Smart, J. Samuel (septiembre de 1955). "La teoría de Néel del ferrimagnetismo" . Revista estadounidense de física . 23 (6): 356–370. doi : 10.1119 / 1.1934006 . ISSN 0002-9505 .
- ^ "El Premio Nobel de Física 1970" . NobelPrize.org . Consultado el 26 de enero de 2021 .
- ^ Simon, Steven H. (21 de junio de 2013). The Oxford Solid State Basics (Primera ed.). Oxford. ISBN 978-0-19-150210-1. OCLC 851099021 .
- ^ Blundell, Stephen; Blundell, Katherine M. (2010). Conceptos de física térmica (2ª ed.). Oxford: Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-956209-1. OCLC 607907330 .
- ^ Tsushima, Tachiro (agosto de 1963). "Propiedades magnéticas de la serie de ferrita-cromita de níquel y cobalto" . Revista de la Sociedad de Física de Japón . 18 (8): 1162-1166. doi : 10.1143 / jpsj.18.1162 . ISSN 0031-9015 .
- ^ Gorter, EW; Schulkes, JA (1 de mayo de 1953). "Reversión de la magnetización espontánea en función de la temperatura en espinelas de LiFeCr" . Revisión física . 90 (3): 487–488. doi : 10.1103 / physrev.90.487.2 . ISSN 0031-899X .
- ^ Soler, MAG; Paterno, LG (1 de enero de 2017), Da Róz, Alessandra L .; Ferreira, Marystela; de Lima Leite, Fábio; Oliveira, Osvaldo N. (eds.), "6 - Nanomateriales magnéticos" , Nanoestructuras , William Andrew Publishing, págs. 147–186, doi : 10.1016 / b978-0-323-49782-4.00006-1 , ISBN 978-0-323-49782-4, consultado el 25 de enero de 2021
- ^ Grosu, Yaroslav; Faik, Abdessamad; Ortega-Fernández, Iñigo; D'Aguanno, Bruno (marzo de 2017). "Magnetita natural para almacenamiento de energía térmica: Excelentes propiedades termofísicas, transición de calor latente reversible y conductividad térmica controlada" . Materiales de energía solar y células solares . 161 : 170-176. doi : 10.1016 / j.solmat.2016.12.006 .
- ^ Klein, C. y Dutrow, B., Mineral Science, 23ª ed., Wiley, p. 243.
- ^ Sessoli, Roberta; Tsai, Hui Lien; Schake, Ann R .; Wang, Sheyi; Vincent, John B .; Folting, Kirsten; Gatteschi, Dante; Christou, George; Hendrickson, David N. (1993). "Moléculas de alto giro: [Mn 12 O 12 (O 2 CR) 16 (H 2 O) 4 ]". Mermelada. Chem. Soc . 115 (5): 1804–1816. doi : 10.1021 / ja00058a027 .
enlaces externos
- Medios relacionados con el ferrimagnetismo en Wikimedia Commons