Ferromagnetismo

3. Ferromagnetismo: fundamentos físicos

3.1 Orden ferromagnético.

3.2 Orden ferrimagnético

3.3 Orden antiferromagnético.

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Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos presentan un momento dipolar

magnético espontaneo en ausencia de campo magnético aplicado observándose este

fenómeno solo por debajo de una temperatura dada. Su comportamiento es, por ello,

distinto al de los materiales paramagnéticos, cuyos dipolos elementales han de ser

orientados por una campo magnético para exhibir momento magnético.

Los fenómenos que se tratarán en este capítulo son debidos a interacciones de

naturaleza cuántica entre iones magnéticos. Estas interacciones son lo suficientemente

fuertes como para producir el alineamiento mutuo de los momentos magnéticos. La

interacción alineadora entre iones magnéticos sólo será importante si es grande

comparada con los mecanismos que pueden alterar la ordenación, especialmente la

energía térmica vibracional que naturalmente tenderá a desordenar el material. Los

tipos de ordenaciones de spins electrónicos que dan lugar a un momento magnético

espontáneo (excepto en el caso del antiferromagnético simple) son los siguientes

Ferromagnetismo

sencillo

Antiferromagnetismo

sencillo

Ferrimagnetismo

Antiferromagnetismo Disposición helicoidal

de spin

Banda de energía

ferromagnética

3-2

3.1 Orden ferromagnético

3.1.1 Observaciones experimentales

Las principales observaciones experimentales asociadas a los materiales

ferromagnéticos son las siguientes:

a) En los materiales ferromagnéticos se observa una imanación espontanea Ms

en ausencia de campo magnético externo.

b) La imanación espontanea varía con la temperatura alcanzando un máximo

para T=0 K y presentando una disminución continua al aumentar la temperatura hasta

caer a 0 para una temperatura Tc denominada temperatura de Curie ferromagnética.

c) Para T>Tc el material experimenta una transición de fase ferromagnéticaparamagnética

con una susceptibilidad en la fase paramagnética dada por la relación

(T Tc)

C

-

c =

modificación de la ley de Curie para materiales paramagnéticos en la cual c no está

definida para T<Tc donde el material presenta imanación espontanea.

d) Un material ferromagnético no tiene una imanación espontanea en la misma

dirección a lo largo de todo su volumen sino que presenta regiones más pequeñas de

imanación de dirección uniforme llamadas dominios magnéticos con orientación al

azar unas respecto a otras.

e) Los únicos elementos ferromagnéticos son: hierro (Fe), cobalto (Co), Niquel

(Ni), gadolinio (Gd) y disprosio (Dy).

3.1.2 Aproximación del campo medio

Consideramos un material paramagnético con N iones de spin S donde

aceptamos el siguiente postulado: para que un material sea ferromagnético, es decir,

presente un momento dipolar magnético en ausencia de campo, ha de existir una

interacción interna que tienda a alinear paralelamente los momentos magnéticos. Esta

interacción se denomina campo de canje BE o campo de Weiss (el subíndice E

procede del inglés exchange). El movimiento térmico es contrario a la tendencia

alineadora del campo de canje y por ello a temperaturas elevadas se destruye el

ordenamiento de los spins y desaparece el ferromagnetismo.

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