Fundamentos
Los electrones, debido al espín, tienen un momento magnético intrínseco. Como se trata de una propiedad vectorial, los momentos magnéticos de los electrones de un átomo, dependiendo de su dirección, pueden resultar sumativos o cancelarse. Así, si todos los electrones de un átomo están apareados (es decir, agrupados por parejas con espines antiparalelos), sus momentos magnéticos se cancelarán. Pero si el átomo tiene electrones desapareados, podrá tener un momento magnético no nulo. La configuración electrónica del Ni es [Ar] 3d⁸ 4s², lo que significa (por aplicación del principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund) que tiene 2 electrones desapareados en orbitales d.
El momento magnético de cada átomo que forma parte de un material tendrá una dirección y sentido determinados. Los materiales en los que los momentos magnéticos de sus átomos pueden alinearse y tener el mismo sentido vectorial se dice que son ferromagnéticos (apartado 5.5 del libro). Son materiales ferromagnéticos el hierro, el cobalto, el níquel, sus aleaciones y muchos de sus compuestos.
Ahora bien, salvo que un material sea monocristalino, normalmente está formado por pequeñas partes o dominios caracterizados por la orientación de los momentos magnéticos. En particular, en los materiales ferromagnéticos, en cada dominio los momentos magnéticos están alineados, pero la dirección de la alineación no coincide con la de los dominios vecinos. Si todos los dominios tienen orientaciones al azar, el momento magnético total puede ser nulo y el material en conjunto no actuaría como un imán. No obstante, si el material tiene la propiedad del ferromagnetismo, esta se manifestará en que, al someterlo a un campo magnético externo, , los dominios vecinos se empezarán a reorientar para que los momentos magnéticos tengan la misma dirección. Si este campo magnético es suficientemente intenso se pueden alinear los momentos en todo el material. Este proceso se observa en la siguiente figura:
Un material ferromagnético con sus momentos magnéticos más o menos alineados se dice que está magnetizado, o que es un imán permanente. Ahora bien, si se aumenta su temperatura, el movimiento térmico tenderá a desordenar de nuevo los momentos magnéticos, hasta tal punto que a cierta temperatura llamada punto de Curie el material perderá su magnetismo permanente porque sus momentos magnéticos se habrán orientado totalmente al azar. En esa situación el material se dice que es paramagnético. Pero un campo magnético podría volver a alinear sus momentos, especialmente si se disminuye su temperatura para que el movimiento térmico no compita con la ordenación.
El níquel metálico se organiza en una red cristalina cuya celda unidad es como la de la figura de la izquierda. Se dice que esta celda es cúbica centrada en las caras. La temperatura de Curie del níquel es de 358 °C, lo que significa que cuando alcanza esa temperatura pierde completamente su magnetismo.
El experimento
Con una simple pieza de níquel, una llama y un imán de neodimio se pueden probar el ferromagnetismo y el paramagnetismo de este metal. Además, se habrá construido un motor termomagnético o motor de Curie, que convierte el calor de la llama en energía cinética de la pieza de níquel. Estos sistemas operan en forma inversa a los llamados refrigeradores magnetocalóricos (apartado 3.3).
El experimento consiste en colgar la pieza de níquel de manera que se pueda balancearse libremente (puede ser una lámina de níquel o un alambre de nicromo, que es una aleación deNi –80%– y Cr –20%–, o bien una moneda de un euro, que contiene mucho níquel). A un lado se coloca la llama de un mechero o una vela y más allá de la llama un imán, a ser posible de neodimio, que son muy potentes (apartado 3.2). El montaje es como se observa a la derecha.
Cuando la pieza de níquel se cuelgue verticalmente del soporte, sus dominios magnéticos (que normalmente está desordenados) se ordenarán inmediatamente por la influencia del campo magnético del imán que está cerca (a la izquierda de la llama). Es decir, el níquel se magnetizará. Por eso, será atraído por el imán y se colocará sobre la llama. El metal se calentará, de modo que sus momentos magnéticos empezarán a orientarse al azar debido a la agitación térmica. Finalmente, el metal quedará desmagnetizado y volverá a su posición vertical. Al enfriarse, el campo magnético lo magnetizará de nuevo.
La secuencia resumida de los fenómenos que se producen es esta[1]:
Variantes
El experimento se puede hacer también con una pieza de acero, ya que el hierro que contiene es muy ferromagnético. Ahora bien, el punto de Curie del Fe es 770 oC, por lo que se necesita calentar más. También es posible usar cobalto, pero es bastante más difícil de conseguir y su punto de Curie es 1127 oC.
Por otro lado, se pueden crear máquinas de otros tipos. Son muy atractivos los rotores continuos, como el que se ve en la imagen, extraída de este video: Curie Motor,Curie point engine 2 – YouTube. Si el sistema tuviera una simetría perfecta el armazón en forma de sombrilla no debería rotar. Pero la propia oscilación de la llama rompe esa simetría. Por eso, un sector del armazón (el que queda a la izquierda o el que queda a la derecha del imán) quedará más frio en un momento dado y, por lo tanto, será atraído con más fuerza. Eso determinará la dirección de giro.
Existen muchas variantes de este tipo de máquinas. Se pueden encontrar en internet buscando motor de Curie o motor termomagnético).
Utilidad didáctica
Este experimento sirve para ilustrar conceptos básicos de estructura atómica, tipos de magnetismo y estructura de materiales y el magnetismo. Concretamente:
- Estructura cristalina centrada en las caras
- Composición química de las monedas de un euro (níquel, cuproníquel y níquel-latón)
- Aleaciones
- Configuración electrónica
- Principio de exclusión de Pauli
- Regla de Hund
- Imanes
- Campo magnético
- Paramagnetismo, ferromagnetismo
- Conservación de la energía
- Transformación de la energía térmica en mecánica
- Historia de la ciencia: Pierre Curie
[1] Rimstar.org. Curie temperature experiment with ferromagnetism.
Este experimento pertenece al libro:
José M.ª Gavira Vallejo: Experimentos de Ciencia de Materiales. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/ecm/ .
