Imanes a altas y bajas temperaturas: un análisis exhaustivo de cómo la temperatura afecta al magnetismo

Los imanes están presentes en todos los aspectos de nuestra vida: desde los imanes de los refrigeradores hasta los motores de los coches eléctricos, desde las máquinas de resonancia magnética hasta las turbinas eólicas. Pero ¿sabías que una pequeña fluctuación de temperatura puede alterar significativamente las propiedades de un imán? La relación entre la temperatura y el magnetismo es una eterna batalla entre el orden y el caos en el mundo microscópico.

¿Por qué los imanes son tan sensibles a la temperatura?

Los imanes son magnéticos porque contienen electrones desapareados en su estructura atómica interna. Bajo ciertas condiciones, los momentos magnéticos de estos electrones se alinean para formar una estructura de dominio magnético ordenada, lo que hace que el imán presente magnetismo macroscópico. Cuando la temperatura cambia, estas estructuras microscópicas también cambian, lo que afecta el rendimiento del imán.

En primer lugar, la temperatura alta es un “disruptor” del magnetismo.

Cuando un imán se expone a altas temperaturas, su orden interno se desintegra gradualmente:

Desmagnetización gradual

El aumento de temperatura hace que los átomos del imán vibren violentamente, los dominios magnéticos empiezan a ordenarse desordenadamente y el magnetismo se debilita gradualmente12.

Los imanes de neodimio ordinarios comienzan a experimentar una pérdida magnética reversible cuando superan los 80 °C (se pierde aproximadamente un 0,11 % de fuerza por cada aumento de 1 °C).

Daños irreversibles

Si la temperatura está muy por encima de la temperatura de operación pero por debajo del punto de Curie, puede causar una pérdida irreversible (se requiere remagnetización para la recuperación).

Superar la temperatura de Curie provocará una desmagnetización permanente y el magnetismo no se podrá restaurar incluso si se enfría.

Por el contrario, la baja temperatura tiene un efecto más favorable sobre los imanes.

(i) Magnetismo mejorado

A diferencia de las altas temperaturas, los entornos de baja temperatura suelen potenciar el magnetismo de los imanes. Esto se debe a que el movimiento térmico de los átomos se debilita a baja temperatura, la estructura del dominio magnético es más estable y la disposición de los momentos magnéticos es más ordenada. Por ejemplo, en algunos equipos experimentales de baja temperatura, al utilizar imanes, se observa que su magnetismo es más intenso que a temperatura ambiente. Este fenómeno es particularmente evidente en algunos materiales magnéticos especiales, como algunos imanes permanentes de tierras raras, que pueden mantener altas propiedades magnéticas a bajas temperaturas.

(ii) Mayor fragilidad del material

Si bien las bajas temperaturas pueden aumentar el magnetismo de los imanes, también afectan negativamente sus propiedades físicas. A bajas temperaturas, el material del imán se vuelve más frágil y fácil de romper. Esto se debe a que las bajas temperaturas aumentan la fuerza intermolecular del material, mientras que el movimiento térmico de los átomos se debilita, lo que resulta en una disminución de la tenacidad del material.

(iii) Mayor estabilidad de la estructura del dominio magnético

En entornos de baja temperatura, la estructura del dominio magnético dentro del imán es más estable. Esto se debe a que el movimiento térmico de los átomos se debilita a baja temperatura, la disposición de los dominios magnéticos es más ordenada y la dirección de los momentos magnéticos es más consistente. Esta estructura estable del dominio magnético permite que el imán mantenga un magnetismo intenso a bajas temperaturas, a la vez que reduce los cambios desordenados en la estructura del dominio magnético.

Por último, los distintos materiales magnéticos responden a la temperatura de forma muy distinta debido a las diferencias en la composición y la estructura: