Paramagnetismo

A campos magnéticos bajos, la gran mayoría de materiales paramagnéticos exhiben una magnetización en la misma reacción del campo externo, y cuya magnitud se describe por la ley de Curie:

${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ={\frac {C}{T}}\mathbf {H} }$

En esta ecuación,

${\displaystyle \scriptstyle \chi }$ es la susceptibilidad magnética (${\displaystyle \chi =C/{T}}$),[1]

${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {M} }$ es la magnetización resultante,

${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {H} }$ es la densidad de flujo magnético del campo aplicado,

${\displaystyle \scriptstyle T}$ es la temperatura absoluta (en kelvin) y

${\displaystyle \scriptstyle C}$ es una constante específica de cada material (su constante de Curie).

Esta ley indica que los materiales paramagnéticos tienden a volverse cada vez más magnéticos al aumentar el campo aplicado, y cada vez menos magnéticos al elevarse la temperatura.

La ley de Curie sólo es aplicable a campos bajos o temperaturas elevadas, ya que falla en la descripción del fenómeno cuando la mayoría de los momentos magnéticos se hallan alineados (cuando nos acercamos a la saturación magnética). En este punto, la respuesta del campo magnético al campo aplicado deja de ser lineal. Llegado al punto de saturación, la magnetización es la máxima posible, y no crece más, independientemente de que se aumente el campo magnético o se reduzca la temperatura.

En algunos materiales la constante de Curie es nula. En ese caso, es posible que la susceptibilidad sea paramagnética e independiente de la temperatura, debido a perturbaciones de segundo orden en el campo magnético que acoplan el estado fundamental con estados excitados. Este caso se conoce como paramagnetismo de Van Vleck.

En física de estado sólido el comportamiento colectivo de los portadores de carga (con sus respectivos espines) tiene consecuencias cuando sobre dicho material cuando se aplica un campo magnético externo. Puesto que un espín alineado con el campo tienen menos energía que los antialineados y la energía conjunta de todos los portadores de carga debe sumar aproximadamente la energía de Fermi en un metal, mantener esa energía constante implica que algunos átomos antialineados deben alinearse con el campo. En ausencia de campo las poblaciones de espines alineados y antialineados es más o menos la misma, pero en presencia de campo debe aumentar el número de alineados y decrecer el número de desalineados. Como el número de momentos magnéticos alineados finalmente supera al de antialineados existe una magnetización neta que produce un campo magnético que se suma al campo magnético externo.