Magnetização: momento orbital e spin magnético, exemplos

A magnetização é uma quantidade de vector que descreve o estado magnético de um material e é definida como a quantidade de dipolo momentos magnéticos por unidade de volume. Você pode considerar um material magnético – ferro ou níquel, por exemplo – como se fosse composto de muitos pequenos ímãs chamados dipolos.

Normalmente esses dipolos, que por sua vez têm pólos magnéticos norte e sul, são distribuídos com algum grau de desordem dentro do volume do material. O distúrbio ocorre menos em materiais com fortes propriedades magnéticas, como o ferro, e maior em outros com magnetismo menos óbvio.

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Figura 1. Dipolos magnéticos são dispostos aleatoriamente dentro de um material. Fonte: F. Zapata.

No entanto, ao colocar o material no meio de um campo magnético externo, como o produzido dentro de um solenóide, os dipolos são orientados de acordo com o campo e o material é capaz de se comportar como um ímã (Figura 2).

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Figura 2. Colocando um material como um pedaço de ferro, por exemplo, dentro de um solenóide através do qual uma corrente I passa, seu campo magnético alinha os dipolos no material. Fonte: F. Zapata.

Seja M o vetor de magnetização, definido como:

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No entanto, a intensidade da magnetização no material, produto de imersão no campo externo H , é proporcional a isso, portanto:

M H

A constante de proporcionalidade depende do material, é chamada suscetibilidade magnética e é denotada como χ:

M = χ . H

As unidades de M no Sistema Internacional são ampères / metro, assim como as de H , portanto χ é adimensional.

Momento magnético orbital e de rotação

O magnetismo surge das cargas elétricas em movimento; portanto, para determinar o magnetismo do átomo, os movimentos das partículas carregadas que o constituem devem ser levados em consideração.

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Figura 3. O movimento do elétron ao redor do núcleo contribui para o magnetismo com o momento magnético orbital. Fonte: F. Zapata.

Começando com o elétron, que é considerado orbitando o núcleo atômico, é como uma pequena espiral (circuito fechado ou circuito de corrente fechado). Esse movimento contribui para o magnetismo do átomo, graças ao vetor orbital do momento magnético m, cuja magnitude é:

m = IA

Onde I é a intensidade atual e A é a área delimitada pelo loop. Portanto, as unidades de m no Sistema Internacional (SI) são amplificadores por metro quadrado .

O vetor m é perpendicular ao plano do loop, como mostra a Figura 3 e é direcionado conforme indicado pela regra do polegar direito.

O polegar é orientado na direção da corrente e os quatro dedos restantes são enrolados em volta do loop, apontando para cima. Este pequeno circuito é equivalente a um ímã de barra, conforme indicado na Figura 3.

Momento de rotação magnética

À parte o momento magnético orbital, o elétron se comporta como se estivesse girando sobre si mesmo. Isso não acontece exatamente dessa maneira, mas o efeito resultante é o mesmo; portanto, é outra contribuição que deve ser levada em consideração para o momento magnético líquido de um átomo.

De fato, o momento de rotação magnética é mais intenso que o momento orbital e é o principal responsável pelo magnetismo líquido de uma substância.

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Figura 4. O momento de rotação magnética é o que mais contribui para a magnetização líquida de um material. Fonte: F. Zapata.

Os momentos de rotação são alinhados na presença de um campo magnético externo e criam um efeito em cascata, alinhando sucessivamente com os momentos vizinhos.

Nem todos os materiais exibem propriedades magnéticas. Isso ocorre porque os elétrons com pares opostos de rotação formam e cancelam seus respectivos momentos magnéticos de rotação.

Somente se estiver faltando, há uma contribuição para o momento magnético total. Portanto, apenas átomos com um número ímpar de elétrons têm a possibilidade de serem magnéticos.

Os prótons no núcleo atômico também dão uma pequena contribuição ao momento magnético total do átomo, porque eles também têm rotação e, portanto, um momento magnético associado.

Mas isso depende inversamente da massa, e a do próton é muito maior que a do elétron.

Exemplos

Dentro de uma bobina, através da qual uma corrente elétrica passa, um campo magnético uniforme é criado.

E, como descrito na Figura 2, ao colocar um material ali, os momentos magnéticos dele se alinham com o campo da bobina. O efeito líquido é produzir um campo magnético mais intenso.

Transformadores, dispositivos que aumentam ou diminuem tensões alternativas, são bons exemplos. Eles consistem em duas bobinas, a primária e a secundária, enroladas em um núcleo de ferro macio.

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Figura 5. Uma magnetização líquida ocorre no núcleo do transformador. Fonte: Wikimedia Commons.

Uma corrente variável é passada através da bobina primária que modifica alternadamente as linhas do campo magnético dentro do núcleo, o que, por sua vez, induz uma corrente na bobina secundária.

A frequência da oscilação é a mesma, mas a magnitude é diferente. Dessa maneira, tensões maiores ou menores podem ser obtidas.

Em vez de enrolar as bobinas para um núcleo de ferro sólido, é preferível colocar uma carga de folhas de metal revestidas com verniz.

O motivo é devido à presença de correntes de Foucault dentro do núcleo, que têm o efeito de superaquecê-lo bastante, mas as correntes induzidas nas chapas são menores e, portanto, o aquecimento do dispositivo é minimizado.

Carregadores sem fio

Um telefone celular ou uma escova de dentes elétrica podem ser carregados por indução magnética, conhecida como carregamento sem fio ou carregamento indutivo.

Funciona da seguinte forma: está disponível uma base ou estação de carregamento, que possui uma bobina solenóide ou principal, através da qual uma corrente variável é passada. Na alça da escova, outra bobina (secundária) é colocada.

A corrente na bobina primária, por sua vez, induz uma corrente na bobina do cabo quando a escova é colocada na estação de carregamento e é carregada com o carregamento da bateria que também está no cabo.

A magnitude da corrente induzida é aumentada quando um núcleo de material ferromagnético, que pode ser ferro, é colocado na bobina principal.

Para que a bobina primária detecte a proximidade da bobina secundária, o sistema emite um sinal intermitente. Depois que uma resposta é recebida, o mecanismo descrito é ativado e a corrente começa a ser induzida sem fios.

Ferrofluidos

Outra aplicação interessante das propriedades magnéticas da matéria são os ferrofluidos. Elas consistem em pequenas partículas magnéticas de um composto de ferrita, suspensas em meio líquido, que podem ser orgânicas ou até mesmo água.

As partículas são revestidas com uma substância que impede sua aglomeração e, assim, permanecem distribuídas no líquido.

A ideia é que a capacidade de escoar do líquido seja combinada com o magnetismo das partículas de ferrita, que por si só não são fortemente magnéticas, mas adquirem uma magnetização na presença de um campo externo, como descrito acima.

A magnetização adquirida desaparece assim que o campo externo é removido.

Os ferrofluidos foram originalmente desenvolvidos pela NASA para mobilizar combustível dentro de um navio sem gravidade, dando impulso com a ajuda de um campo magnético.

Atualmente, os ferrofluidos têm muitas aplicações, algumas ainda em fase experimental, como:

– Reduza o atrito na almofada dos alto-falantes e fones de ouvido (evite reverberação).

– Permitir a separação de materiais com densidade diferente.

– Agir como vedantes nos eixos do disco rígido e repelir a sujeira.

– Como tratamento contra o câncer (em fase experimental). O ferrofluido é injetado nas células cancerígenas e é aplicado um campo magnético que produz pequenas correntes elétricas. O calor gerado por esses ataques às células malignas e as destrói.

Referências

  1. Revista Brasileira de Física. Ferrofluidos: Propriedades e aplicações. Recuperado de: sbfisica.org.br
  2. Figueroa, D. (2005). Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 6. Eletromagnetismo. Editado por Douglas Figueroa (USB). 215-221.
  3. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6 ª .Ed Prentice Hall. 560-562.
  4. Kirkpatrick, L. 2007. Física: Um olhar sobre o mundo. 6 ta Abridged Edition. Cengage Learning 233
  5. Shipman, J. 2009. Introdução à Ciência Física. Cengage Learning 206-208.

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