3.1 Efectos de la estructura electrónica
Como elementos puros y a temperatura ambiente, únicamente el hierro, cobalto y níquel presentan carácter ferromagnético. También muestran comportamiento ferromagnético algunos elementos de las tierras raras, pero solo por debajo de la temperatura ambiente, por lo que tienen escasa aplicación.
En estos elementos, la fuerte magnetización se debe a la contribución de los electrones desapareados de las capas 3d internas, en el caso de las tierras raras, por los de la capa 4f, cuyos momentos magnéticos son capaces de alinearse con el campo exterior aplicado, reforzándolo.
El momento magnético que genera el movimiento de un electrón se conoce con el nombre de Magnetón de Bhor, de valor:

1 magnetón-Bhor = qh/4p·me = 9,27·10^-24 A·m²

donde: q es la carga del electrón
h es la constante de Planck
me es la masa del electrón
En la figura 10.2 se muestra la estructura electrónica de varios elementos de transición con orbitales 3d. Recordemos que el criterio de llenado de los orbitales 3d sigue la regla de Hund, según la cual los electrones desapareados tienden a presentar sus espines del mismo valor. De acuerdo con la estructura observada, cada átomo de hierro puede contribuir a la magnetización con el momento magnético de cuatro electrones, el níquel con dos y el cobalto con tres. En cambio, el cobre, al no tener electrones desapareados, no puede tener carácter ferromagnético.

Figura 10.2 Distribución de espines en las capas orbitales 3d.

¿Que ocurre, sin embargo, con el manganeso o el cromo? De acuerdo con su estructura, con cinco electrones desapareados, debería esperarse una magnetización incluso superior a la mostrada por el Fe. Así ocurre con un átomo aislado. Sin embargo, en una muestra sólida de Mn, los átomos se sitúan en la red de tal modo que los momentos magnéticos de cada átomo se oponen a los de su vecino, lo que, globalmente, anula la magnetización. Este fenómeno se denomina antiferromagnetismo.
Aunque su justificación física cae fuera del objetivo de este curso, podemos señalar que el fenómeno está asociado con la aparición de una energía de interacción o de cambio entre átomos vecinos. Sólo cuando la relación entre el espaciado atómico en la red cristalina a y el diámetro del orbital 3d se encuentra entre 1,4 y 2,7 como muestra la figura 10.3, la energía de cambio es positiva.

Figura 10.3. Energía de cambio en función de la relación entre el espaciado atómico y el diámetro del orbital 3d.

Esta distribución espacial contribuye a disminuir la energía interna y los momentos de todos los dipolos elementales son capaces de alinearse paralelamente. Por el contrario, fuera de este rango, la energía de cambio es negativa y se observa un comportamiento antiferromagnético.
Un cambio en la distancia interatómica puede conseguirse, como sabemos, mediante aleación con otros elementos o formando parte de estructuras cerámicas, combinado en forma de óxidos. Estas alternativas permiten industrialmente aprovechar la respuesta ferromagnética del manganeso o del cromo, no observable como metales puros.