Aunque no es una experiencia cotidiana ver que un trozo de cerámica atraiga a un metal, lo cierto que es hay cerámicas que son buenos imanes. El ejemplo más patente es la magnetita, Fe3O4, pero otros muchos óxidos también tienen la propiedad del magnetismo, si bien de un tipo concreto: el ferrimagnetismo. Conviene empezar recordando en qué consiste el magnetismo y distinguir entre sus diferentes tipos, ya introducidos en el apartado 3.3.
El magnetismo de los materiales es un fenómeno que se puede explicar desde el nivel atómico, ya que principalmente es debido a los electrones. Cada electrón de un átomo lleva asociado un pequeño momento magnético intrínseco. (El momento magnético es una propiedad vectorial que determina la fuerza que un imán puede ejercer sobre una corriente eléctrica). Al ser un vector, tiene dirección y sentido. Dos electrones apareados tienen momentos magnéticos de igual dirección y sentido opuesto. Por lo tanto, los vectores se cancelan mutuamente. Por ello, son los electrones desapareados los que, en principio, contribuyen al magnetismo de un material.
Ahora bien, no todo material que tenga electrones desapareados ha de ser magnético, ya que dentro del material los momentos magnéticos podrían anulararse entre sí. Esto es así porque, salvo que se trate de monocristales o muestras de pequeño tamaño, en los materiales se pueden distinguir pequeñas regiones desde el punto de vista magnético llamadas dominios magnéticos[1]. En cada dominio los momentos magnéticos están alineados, pero su alineación no tiene por qué coincide con la de otros dominios. Unos de otros están separados por paredes de dominio. La figura 5.13-izqda. ilustra esquemáticamente la existencia de estos dominios en un material.
Las características de los materiales en cuanto a su ordenación magnética sirven para clasificarlos en distintos tipos. El ejemplo de la figura 5.13 se refiere a un material ferromagnético, como el hierro, el cobalto o el níquel, sus aleaciones y algunos de sus compuestos. El hierro, de forma natural, normalmente no tiene magnetismo neto (o muy escaso) debido a la orientación al azar de sus dominios magnéticos. Pero, si se aplica un campo magnético externo , los dominios vecinos se pueden empezar a reorientar para que los momentos magnéticos tengan la misma dirección (figura 5.13-centro). Con un amplificador electrónico se pueden incluso llegar a oír los sonidos (“clics”) que emiten los dominios al reorientarse. Si el campo es suficientemente fuerte se puede conseguir una orientación completa (figura 5.13-dcha.). Cuando el campo externo cesa, la alineación se mantiene de forma metaestable (aunque puede persistir durante millones de años, como le sucede a la magnetita). Se dice que el material se ha imantado.
Un material ferromagnético puede perder su magnetismo de distintas formas. Una es por calentamiento. A medida que aumenta la temperatura, el movimiento térmico tiende a desordenar los momentos magnéticos, de modo que a cierta temperatura llamada punto de Curie el material deja de tener magnetismo permanente porque sus momentos magnéticos se orientan totalmente al azar (se explica más sobre esto en el apartado 3.3). No obstante, el material adquiere otra forma de magnetismo llamada paramagnetismo. Los materiales paramagnéticos tienen los momentos magnéticos ordenados al azar, pero un campo magnético externo puede alinearlos[3].
Guardan relación con los materiales ferromagnéticos los ferrimagnéticos. En estos, los momentos magnéticos dentro de cada dominio tienen la misma dirección, pero unos apuntan en un sentido y otros en el contrario. Esto puede suceder si el material está compuesto de átomos diferentes que tienen distinto comportamiento magnético (véanse las figura 5.14-izqda. y 5.15-b); es el caso de las cerámicas ferrimagnéticas, objeto de este apartado. Ahora bien, en este tipo de materiales los momentos magnéticos en un sentido superan a los del sentido contrario, por lo que existe una magnetización resultante permanente no nula, aunque no tan fuerte como la de los materiales ferromagnéticos. Al igual que estos, los ferrimagnéticos pierden la magnetización por encima de la temperatura de Curie, volviéndose paramagnéticos.
A las cerámicas que tienen propiedades magnéticas se les llama ferritas. El nombre no se debe confundir con el que se da en metalurgia a una de las formas cristalinas del hierro, el Fe-a (apartado 2.1). En cerámicas el término se refiere, en general, a óxidos de hierro que contienen otro metal M, con fórmula general MFexOy.
Existen tres tipos básicos de ferritas según su estructura cristalina: las espinelas, las hexagonales y los granates. Estas estructuras se recogen en las figuras 5.14 y 5.15.
Una estructura de espinela normal responde a la fórmula química AB2O4. En las ferritas, B = Fe3+ y A suele ser un catión divalente como Mn2+, Ni2+, Co2+, Zn2+, Cu2+ o Mg2+ (aunque estos compuestos también pueden contener iones monovalentes como Li+ o incluso vacantes en algunos puntos de la red siempre que estas ausencias de carga positiva se compensen con cationes trivalentes adicionales). Un ejemplo de espinela normal es la de ZnIIFeIII2O4. Existen también las espinelas inversas, en las que algunos iones di y trivalentes intercambian posiciones, como en FeIII(NiII0,5FeIII0,5)2O4. En realidad, las espinelas naturales suelen ser mixtas (mezcla de normal e inversa), con fórmula general [M2+1−δFe3+δ][M2+δF3+2−δ]O4, representando δ el grado de inversión.
La magnetita, FeIII(FeII0,5FeIII0,5)2O4, o simplificadamente Fe3O4, es un ejemplo de espinela inversa. En ella, los iones de Fe se rodean de aniones O2− tanto en coordinación tetraédrica como octaédrica. Existen momentos magnéticos antiparalelos de distinta magnitud (ver los vectores en la figura 5.14-izqda.), por lo que no se cancelan y eso hace que el material sea ferrimagnético. Por otro lado, como la estructura es isométrica (cúbica), es relativamente fácil cambiar la dirección de su magnetización mediante la aplicación de un campo magnético externo. Por eso, a las ferritas de espinela se les llama blandas (lo que no significa que el material tenga poca dureza; de hecho, la magnetita es relativamente dura, aunque quebradiza; se habla más sobre materiales magnéticos blandos y duros en el apartado 3.3).
No ocurre lo mismo con las ferritas hexagonales o hexaferritas, cuya celda unidad se muestra en la figura 5.15-izqda. La magnetización tiene una dirección preferente, la del eje vertical, y no es fácil cambiarla, razón por la que a estas ferritas se les llama duras. Su fórmula general es MO:6Fe2O3 o bien MFe12O19, donde M generalmente es Ba, Sr o Pb.
Finalmente, las ferritas de granate presentan también una geometría cúbica, como las espinelas, pero muy compleja, con coordinaciones tetraédrica, octaédrica y dodecaédrica. Se les da ese nombre porque su estructura es como la del silicato granate. La fórmula química de estas ferritas es M3Fe5O12, donde M es itrio o un ion de tierras raras. También se clasifican como duras[8].
El método tradicional para obtener una ferrita es mezclar óxido de hierro con otro óxido, ambos finamente pulverizados, compactarlos y calentarlos. Por ejemplo, la ferrita de Zn se podría sintetizar así:
ZnO + Fe2O3 ⟶ ZnFe2O4 [5.3]
El material obtenido suele ser poco magnético, pero se logra alinear sus momentos colocándolo dentro de un campo magnético intenso. Modernamente hay otros procedimientos. Para conseguir cristales se puede aplicar el método de Czochralski o la deposición química de vapor (apartados 4.6 y 4.1 respectivamente).
Las ferritas duras se utilizan en pequeños motores eléctricos (como el de un cepillo de dientes, un cuchillo, un limpiaparabrisas o una ventanilla), altavoces o imanes domésticos. Una aplicación muy útil es la cinta adhesiva magnética de ferrita de estroncio o bario (figura 5.16-izqda.), que es flexible y permite mantener puertas cerradas, como la de un refrigerador, entre otros usos. Se fabrican pegando polvo de ferrita a un material termoplástico para dar flexibilidad a la cinta. Esta cinta se adhiere muy bien a las superficies adecuadas, por ejemplo las de acero.
En cuanto a las ferritas blandas, dado que se pueden magnetizar y desmagnetizar con cierta facilidad, se empleaban en los antiguos equipos magnetofónicos, concretamente en los cabezales de grabación, y también en los primeros ordenadores, en los que se hacía uso de pequeños anillos de ferrita blanda para almacenar información. Una aplicación especialmente interesante y bastante común en la vida cotidiana es como filtro de interferencias en cables de equipos electrónicos (figura 5-16-dcha.). Estos cables pueden conducir corrientes alternas parásitas de alta frecuencia causadas por campos magnéticos que fluctúan rápidamente. Tales corrientes convierten al conductor en una antena indeseada que emite y capta radiofrecuencias. Pero si se hace pasar el cable por el eje hueco de una pieza de ferrita de forma cilíndrica, el magnetismo de la ferrita interacciona con las corrientes parásitas y las elimina, disipándose la energía en forma de calor (normalmente en cantidad insignificante, por lo que no se suele notar). Mientras tanto, la corriente continua que pasa por el cable no se ve afectada. En el campo de las telecomunicaciones es fundamental la eliminación de estas corrientes espurias porque suponen una componente de ruido de la señal. Hace años se usaban las ferritas como filtros en telefonía, aunque nuevos filtros de estado sólido y de fibra óptica están volviendo obsoleta esta aplicación. Las ferritas también se emplean mucho en varios componentes de los hornos de microondas, pues a las frecuencias de las microondas (de 1 a 300 gigahercios) pueden dirigir la energía en los dispositivos llamados circuladores. Se usan también en impresoras láser[10] y para purificar agua gracias a su capacidad de intercambio de metales pesados[11].
[1] “Magnetic domains”. En Ferromagnetism. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetism#Magnetic_domains.
[2] Imagen: Dominios.png. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Dominios.png&oldid=651862488.
[3] J. Espinosa de los Monteros. Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidrio 6 (1967) 587-608.
[4] Imagen: AB2O4 spinel.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:AB2O4_spinel.jpg&oldid=457081522.
[5] Imagen: Magnetite-278427.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Magnetite-278427.jpg&oldid=473750789.
[6] Imagen: V. Dixit et al. AIP Adv. 7 (2017) 115209. https://doi.org/10.1063/1.4995309.
[7] Imagen: Y₃Fe₅O₁₂. The Materials Project. https://materialsproject.org/materials/mp-19648.
[8] T. O. Mason. Magnetic ceramics. Encyclopædia Britannica (2016). https://www.britannica.com/technology/magnetic-ceramics.
[9] Imagen: Cable end.JPG. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Cable_end.JPG&oldid=622070184.
[10] Some Introduction of Laser Printer Magnetic Roller. SDM Magnetics. https://www.magnet-sdm.com/2020/06/01/printer-magnetic-roller/.
[11] V. L. Mikhailovsky y V. M. Radovenchik. Water and Wastewater Treatment Using Ferrites. En H. H. Hahn et al. (eds.). Chemical Water and Wastewater Treatment IV. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-642-61196-4_5. K. K. Kefeni et al. Sep. Purif. Technol. 188 (2017) 399-422. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.07.015.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
