Ferromagnetismo: materiais, aplicações e exemplos

O ferromagnetismo é a propriedade que dá algumas substâncias resposta magnética intensa e permanente. Na natureza, existem cinco elementos com essa propriedade: ferro, cobalto, níquel, gadolínio e disprósio, as últimas terras raras.

Na presença de um campo magnético externo, como o produzido por um ímã natural ou um eletroímã, uma substância responde de maneira característica, de acordo com sua configuração interna. A magnitude que quantifica essa resposta é a permeabilidade magnética.

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Ímãs formando uma ponte. Fonte: Pixabay

Permeabilidade magnética é uma quantidade adimensional dada pela razão entre a intensidade do campo magnético gerado dentro do material e a do campo magnético aplicado externamente.

Quando essa resposta é muito maior que 1, o material é catalogado como ferromagnético. Por outro lado, se a permeabilidade não for muito maior que 1, a resposta magnética é considerada mais fraca, eles são os materiais paramagnéticos.

No ferro, a permeabilidade magnética é da ordem de 10 4 . Isso significa que o campo dentro do ferro é cerca de 10.000 vezes maior que o campo aplicado externamente. O que dá uma idéia de quão poderosa é a resposta magnética desse mineral.

Como a resposta magnética se origina nas substâncias?

Sabe-se que o magnetismo é um efeito associado ao movimento de cargas elétricas. Essa é exatamente a corrente elétrica. De onde vêm então as propriedades magnéticas do ímã de barra com as quais uma nota ficou presa no refrigerador?

O material do ímã e também qualquer outra substância contém dentro dele prótons e elétrons, que têm seu próprio movimento e geram correntes elétricas de várias maneiras.

Um modelo muito simplificado assume o elétron em uma órbita circular ao redor do núcleo formado por prótons e nêutrons, formando assim um pequeno loop de corrente. Cada loop é associado a uma magnitude vetorial chamada “momento magnético orbital”, cuja intensidade é dada pelo produto da corrente e pela área determinada pelo loop: o magneton de Bohr.

Obviamente, neste pequeno circuito, a corrente depende da carga do elétron. Como todas as substâncias contêm elétrons no seu interior, todas elas têm, em princípio, a possibilidade de expressar propriedades magnéticas. No entanto, nem todos fazem.

Isso ocorre porque seus momentos magnéticos não estão alinhados, mas dispostos aleatoriamente no interior, para que seus efeitos magnéticos no nível macroscópico sejam cancelados.

A história não termina aqui. O produto do momento magnético do movimento do elétron ao redor do núcleo não é a única fonte possível de magnetismo nessa escala.

O elétron tem um tipo de movimento rotacional em torno de seu eixo. É um efeito que resulta em um momento angular intrínseco. Essa propriedade é chamada rotação de elétrons.

Naturalmente, também possui um momento magnético associado e é muito mais intenso que o momento orbital. De fato, a maior contribuição para o momento magnético líquido do átomo é através do giro, no entanto, ambos os momentos magnéticos: o da tradução mais o do momento angular intrínseco contribuem para o momento magnético total do átomo.

Esses momentos magnéticos são aqueles que tendem a se alinhar na presença de um campo magnético externo. E eles também os fazem com os campos criados pelos momentos vizinhos no material.

Agora, os elétrons geralmente formam pares em átomos com muitos elétrons. Os pares são formados entre elétrons com rotação oposta, resultando no cancelamento do momento de rotação magnética.

A única maneira de o spin contribuir para o momento magnético total é que alguns estejam ausentes, ou seja, o átomo possui um número ímpar de elétrons.

Pode-se perguntar o que acontece com o momento magnético dos prótons no núcleo. Eles também têm momento de rotação, mas não é considerado que contribua significativamente para o magnetismo de um átomo. Isso ocorre porque o momento da rotação depende inversamente da massa e a massa do próton é muito maior que a do elétron.

Domínios magnéticos

Em ferro, cobalto e níquel, a tríade de elementos com grande resposta magnética, o momento de rotação líquida produzido pelos elétrons não é zero.Nesses metais, os elétrons no orbital 3d, os mais externos, são os que contribuem para o momento magnético líquido. É por isso que esses materiais são considerados ferromagnéticos.

No entanto, esse momento magnético individual de cada átomo não é suficiente para explicar o comportamento dos materiais ferromagnéticos.

Dentro dos materiais fortemente magnéticos, existem regiões chamadas domínios magnéticos , cujo comprimento pode variar entre 10 -4 e 10 -1 cm e que contém bilhões de átomos. Nessas regiões, os momentos de rotação líquida dos átomos vizinhos conseguem se envolver fortemente.

Quando um domínio magnético que possui material se aproxima de um ímã, os domínios se alinham, intensificando o efeito magnético.

Isso ocorre porque domínios, como ímãs de barra, têm pólos magnéticos, também denominados Norte e Sul, de modo que pólos iguais se repelem e se atraem opostos.

À medida que os domínios se alinham com o campo externo, o material emite flexões que podem ser ouvidas através de amplificação adequada.

Esse efeito pode ser observado quando um ímã atrai as unhas de ferro doce e estas se comportam como ímãs atraindo outras unhas.

Domínios magnéticos não são limites estáticos estabelecidos dentro do material. Seu tamanho pode ser modificado esfriando ou aquecendo o material, e também sujeitando-o à ação de campos magnéticos externos.

No entanto, o crescimento do domínio não é ilimitado. No momento em que não é mais possível alinhá-los, diz-se que o ponto de saturação do material foi atingido. Esse efeito é refletido nas curvas de histerese que aparecem abaixo.

O aquecimento do material causa a perda do alinhamento dos momentos magnéticos. A temperatura na qual a magnetização é completamente perdida varia de acordo com o tipo de material, para um ímã em barra geralmente é perdido a cerca de 770 º C.

Uma vez que o ímã é removido, a magnetização das unhas é perdida devido à agitação térmica presente em todos os momentos. Mas existem outros compostos que possuem magnetização permanente, porque possuem domínios espontaneamente alinhados.

Os domínios magnéticos podem ser observados quando uma área plana de material ferromagnético não magnetizado, como o ferro macio, é cortada e polida muito bem. Feito isso, polvilhe com pó ou limalha de ferro fino.

Sob o microscópio, observa-se que os cavacos estão agrupados nas regiões formadoras de minerais com uma orientação muito bem definida, seguindo os domínios magnéticos do material.

A diferença de comportamento entre vários materiais magnéticos é devida à maneira como os domínios no interior se comportam.

Histerese magnética

A histerese magnética é uma característica que apenas os materiais com alta permeabilidade magnética possuem. Não é apresentado por materiais paramagnéticos ou diamagnéticos.

Representa o efeito de um campo magnético externo aplicado, que é indicado como H na indução magnética B de um metal ferromagnético durante um ciclo de magnetização e desmagnetização. O gráfico mostrado tem o nome curva de histerese.

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Ciclo de histerese ferromagnética

Inicialmente no ponto O, não há campo aplicado H ou resposta magnética B , mas à medida que a intensidade de H aumenta , a indução B aumenta progressivamente até atingir a magnitude da saturação B s no ponto A, o que é esperado.

Agora a intensidade de H diminui gradualmente até chegar a 0, com esse ponto C, porém a resposta magnética do material não desaparece, mantendo uma magnetização restante indicada pelo valor B r . Isso significa que o processo não é reversível.

A partir daí, a intensidade de H aumenta, mas com a polaridade invertida (sinal negativo), de modo que a magnetização restante é anulada no ponto D. O valor necessário de H é indicado como H c e é chamado de campo coercitivo .

A magnitude de H aumenta até atingir o valor de saturação em E novamente e imediatamente a intensidade de H diminui até atingir 0, mas há uma magnetização restante com polaridade oposta à descrita acima, no ponto F.

Agora a polaridade de H é revertida novamente e sua magnitude é aumentada até que a resposta magnética do material no ponto G. seja cancelada. Seguindo o caminho GA, sua saturação é obtida novamente. Mas o interessante é que você não chegou lá pelo caminho original indicado pelas setas vermelhas.

Materiais magneticamente duros e macios: aplicações

O ferro doce é mais fácil de magnetizar do que o aço e a batida no material facilita ainda mais o alinhamento do domínio.

Quando um material é fácil de magnetizar e desmagnetizar, diz-se que ele é magneticamente macio e, é claro, se o contrário ocorre, é um material magneticamente duro . No segundo, os domínios magnéticos são pequenos, enquanto no primeiro são grandes, para que possam ser vistos através do microscópio, conforme detalhado acima.

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A área delimitada pela curva de histerese é uma medida da energia necessária para magnetizar – desmagnetizar o material. A figura mostra duas curvas de histerese para dois materiais diferentes. O da esquerda é magneticamente macio, enquanto o da direita é duro.

Um material ferromagnético macia tem um campo coercitivo H c pequena e estreita e alta curva de histerese. É um material apropriado para colocar no núcleo de um transformador elétrico. Exemplos disso são ferro doce e ligas de ferro-silício e ferro-níquel, úteis para equipamentos de comunicação.

Por outro lado, é difícil desmagnetizar materiais magneticamente duros uma vez magnetizados, como é o caso das ligas de alnico (alumínio-níquel-cobalto) e ligas de terras raras com as quais os ímãs permanentes são fabricados.

Referências

  1. Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa 557-577.
  2. Jovem, Hugh. 2016. Universidade Física de Sears-Zemansky com Física Moderna. 14th Ed. Pearson. 943
  3. Zapata, F. (2003). Estudo de mineralogias associado ao poço de petróleo Guafita 8x pertencente ao campo de Guafita (Estado Apure) por meio de medidas de Susceptibilidade Magnética e Espectroscopia Mossbauer . Trabalho em grau especial. Universidade Central da Venezuela.

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