¿Por qué algunos materiales son más ferromagnéticos que otros?

Los imanes de neodimio son mucho más fuertes que el hierro, el cobre y el níquel. El neodimio es una mezcla de diferentes elementos químicos. ¿Cuál es la razón por la que este material crea mucha más fuerza de campo magnético que otros?

La forma en que responda a esta pregunta depende de qué quiere decir exactamente con "más fuerte". En el sentido coloquial de la palabra, existen algunas propiedades materiales importantes que determinan la fuerza de un imán permanente:

1. Cuando un material ferromagnético es magnetizado por un campo externo, los momentos magnéticos microscópicos presentes en el material tienden a alinearse con el campo. La magnetización de saturación ,$M_s$, es la magnetización del material cuando el campo externo es lo suficientemente fuerte como para alinear todos los momentos. Materiales magnéticos con alto$M_s$pueden producir fuertes campos magnéticos cuando todos sus momentos magnéticos están alineados .

2. la remanencia ,$M_r$, es la magnetización después de que un imán ha sido saturado por un campo externo y, posteriormente, el campo se ha reducido a cero. Materiales con alto$M_r$ conservan su magnetización cuando no están en un campo magnético . En otras palabras, los momentos magnéticos permanecerán alineados en la misma dirección cuando se elimine el campo de saturación.

3. la coercitividad ,$H_c$, es el campo magnético requerido para cambiar la mitad de los momentos magnéticos en un imán. Materiales con alto$H_c$son resistentes a la desmagnetización (y la magnetización) no deseada por campos externos .

Aquí hay una curva de histéresis típica con las cantidades anteriores etiquetadas:

Los imanes de tierras raras son fuertes en el sentido de que tienen un gran equilibrio de estas tres propiedades. Sin embargo, estos materiales no son los más fuertes en términos de$M_s$ $(\sim 1300 \; \mathrm{emu/cm^3}$para NdFeB). Fe elemental tiene una magnetización de saturación más alta$(\sim 1700 \; \mathrm{emu/cm^3})$. NdFeB tampoco tiene la coercitividad registrada más alta (SmCo es más alta). Y muchos sistemas tienen$M_r = M_s$, que es muy deseable para los imanes permanentes.

¿Existe una justificación por un modelo o ecuación matemática que describa por qué el ferromagnetismo es en algunos metales mucho más fuerte que en otros metales? ¿Quizás hay una explicación con el modelo de Ising o tengo que considerar modelos más avanzados para describir cómo el ferromganetismo depende de la composición de los metales?

Esta es una pregunta realmente difícil que mucha gente está tratando de responder, porque la capacidad de predecir materiales magnéticos fuertes sería realmente útil para aplicaciones de dispositivos. En general$M_s$está influenciado por la estructura electrónica, como ya han mencionado otros.$H_c$y$M_r$tienden a depender de la anisotropía, los defectos, los sitios de fijación y otras propiedades. Si usted está interesado en$M_s$,$M_r$, o$H_c$, ¿tal vez sería mejor abordarlo en una pregunta separada?

El ferromagnetismo proviene de los átomos que tienen múltiples electrones de valencia con espines paralelos. Los metales suelen tener valencias en múltiples capas, lo que aumenta las interacciones eléctricas.

El neodimio tiene una cantidad absurdamente alta, 7 para ser exactos, de electrones desapareados, lo que le da sus propiedades magnéticas.