A magnetização é um fenômeno que ocorre quando um material se torna magnético devido à orientação dos seus momentos magnéticos. Esses momentos magnéticos podem ser de origem orbital, relacionados ao movimento dos elétrons ao redor do núcleo do átomo, ou de origem spin, relacionados ao próprio spin dos elétrons. A combinação desses momentos resulta na magnetização do material. Neste contexto, neste artigo exploraremos a influência do momento orbital e spin magnético na magnetização de materiais, além de apresentar exemplos de como esses fenômenos são observados na prática.
Exemplos de magnetismo: descubra quais são e como funcionam esses fenômenos naturais.
Magnetismo é um fenômeno natural que está presente em diversos aspectos do nosso cotidiano. Ele é responsável por atrair materiais ferromagnéticos, como o ferro, o níquel e o cobalto. Existem diferentes tipos de magnetismo, sendo dois deles muito importantes: o momento orbital e o spin magnético.
O momento orbital é relacionado ao movimento dos elétrons ao redor do núcleo de um átomo. Quando esses elétrons se movem em órbitas fechadas, criam um pequeno campo magnético. Já o spin magnético está relacionado à rotação dos elétrons em torno de seu próprio eixo. Esse movimento de rotação também gera um campo magnético.
Um exemplo clássico de magnetismo é o funcionamento de um ímã. Quando aproximamos um ímã de um material ferromagnético, como um prego de ferro, podemos observar a atração entre eles. Isso ocorre devido à interação dos campos magnéticos do ímã e do material ferromagnético.
Outro exemplo interessante de magnetismo é o funcionamento de um motor elétrico. Nele, a corrente elétrica que passa por uma bobina cria um campo magnético, que interage com o campo magnético de um ímã fixo, gerando um movimento rotacional.
Portanto, o magnetismo é um fenômeno natural que está presente em diversos aspectos de nossa vida, desde os ímãs de geladeira até os motores elétricos. Entender como funciona o momento orbital e o spin magnético nos ajuda a compreender melhor esses fenômenos e sua aplicação prática.
Tipos de magnetismo: descubra os três principais na física e suas características.
No estudo da física, o magnetismo é um fenômeno que envolve a interação entre certos materiais que possuem propriedades magnéticas. Existem diferentes tipos de magnetismo, sendo os três principais o ferromagnetismo, o paramagnetismo e o diamagnetismo.
O ferromagnetismo é o tipo mais forte de magnetismo e ocorre em materiais como o ferro, o níquel e o cobalto. Nestes materiais, os átomos possuem momentos magnéticos que se alinham de forma ordenada, resultando em uma magnetização permanente, mesmo na ausência de um campo magnético externo.
O paramagnetismo, por sua vez, ocorre em materiais como o alumínio, o ouro e o titânio. Neste caso, os momentos magnéticos dos átomos se alinham de forma aleatória na ausência de um campo magnético externo, mas podem se alinhar temporariamente quando submetidos a esse campo.
O diamagnetismo é o tipo mais fraco de magnetismo e está presente em todos os materiais. Nestes materiais, os momentos magnéticos dos átomos se opõem ao campo magnético externo, resultando em uma fraca repulsão. Um exemplo comum de diamagnetismo é a água.
Além desses tipos de magnetismo, é importante mencionar a relação entre a magnetização e o momento orbital e spin magnético dos elétrons em um átomo. O momento orbital é associado ao movimento orbital dos elétrons ao redor do núcleo, enquanto o spin magnético está relacionado à rotação própria dos elétrons em torno de seu próprio eixo.
Esses fenômenos são fundamentais para o entendimento de diversos processos na natureza e têm aplicações práticas em diversas áreas da ciência e da tecnologia.
Como ocorre o processo de magnetização de materiais ferromagnéticos e paramagnéticos?
A magnetização é um fenômeno físico que ocorre em materiais ferromagnéticos e paramagnéticos devido à interação dos momentos orbitais e spins magnéticos dos átomos que compõem esses materiais.
Nos materiais ferromagnéticos, como o ferro e o cobalto, os momentos magnéticos dos átomos tendem a se alinhar na mesma direção devido à interação entre seus spins magnéticos. Isso leva à formação de domínios magnéticos, regiões onde os momentos magnéticos estão alinhados. Quando um material ferromagnético é submetido a um campo magnético externo, os domínios magnéticos se alinham na direção do campo, resultando na magnetização do material.
Já nos materiais paramagnéticos, como o alumínio e o titânio, os momentos magnéticos dos átomos não estão alinhados naturalmente. No entanto, quando esses materiais são colocados em um campo magnético externo, os momentos magnéticos tendem a se alinhar na direção do campo, causando também a magnetização do material.
Representação dos momentos magnéticos: uma análise sobre as formas de representação.
Magnetização: momento orbital e spin magnético são fenômenos fundamentais que desempenham um papel crucial na física dos materiais. A forma como esses momentos magnéticos são representados é essencial para o entendimento e estudo das propriedades magnéticas dos materiais. Neste artigo, faremos uma análise detalhada sobre as diferentes formas de representação dos momentos magnéticos.
Existem diversas formas de representar os momentos magnéticos, sendo as mais comuns a representação vetorial e a representação matricial. Na representação vetorial, os momentos magnéticos são representados por setas, onde o comprimento e a direção da seta representam o valor e a orientação do momento magnético, respectivamente. Já na representação matricial, os momentos magnéticos são representados por tensores, que são matrizes que descrevem as relações entre os diferentes componentes do momento magnético.
Para exemplificar a representação dos momentos magnéticos, vamos analisar o momento orbital e o spin magnético de um elétron em um átomo de hidrogênio. O momento orbital do elétron é representado por uma seta que aponta na direção do movimento orbital do elétron, enquanto o spin magnético do elétron é representado por uma seta que indica a orientação do spin do elétron.
Através de diferentes formas de representação, como a representação vetorial e matricial, podemos compreender e analisar os momentos magnéticos de forma mais clara e precisa.
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.
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).
Seja M o vetor de magnetização, definido como:
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.
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.
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.
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
- Revista Brasileira de Física. Ferrofluidos: Propriedades e aplicações. Recuperado de: sbfisica.org.br
- Figueroa, D. (2005). Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 6. Eletromagnetismo. Editado por Douglas Figueroa (USB). 215-221.
- Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6 ª .Ed Prentice Hall. 560-562.
- Kirkpatrick, L. 2007. Física: Um olhar sobre o mundo. 6 ta Abridged Edition. Cengage Learning 233
- Shipman, J. 2009. Introdução à Ciência Física. Cengage Learning 206-208.