Propriedades magnéticas de um material são uma classe de fenômenos físicos mediados por campos. As correntes elétricas e os momentos magnéticos das partículas elementares geram um campo que atua sobre outras correntes. Os efeitos mais familiares ocorrem em materiais ferromagnéticos, que são fortemente atraídos por campos magnéticos e podem ficar permanentemente magnetizados, criando os próprios campos carregados.
Apenas algumas substâncias são ferromagnéticas. Para determinar o nível de desenvolvimento desse fenômeno em uma determinada substância, existe uma classificação dos materiais de acordo com as propriedades magnéticas. Os mais comuns são ferro, níquel e cob alto e suas ligas. O prefixo ferro- refere-se ao ferro porque o magnetismo permanente foi observado pela primeira vez no ferro vazio, uma forma de minério de ferro natural chamada de propriedades magnéticas do material, Fe3O4.
Materiais paramagnéticos
Emborao ferromagnetismo é responsável pela maioria dos efeitos do magnetismo encontrados na vida cotidiana, todos os outros materiais são afetados pelo campo até certo ponto, assim como alguns outros tipos de magnetismo. Substâncias paramagnéticas como alumínio e oxigênio são fracamente atraídas por um campo magnético aplicado. Substâncias diamagnéticas como cobre e carbono repelem fracamente.
Enquanto materiais antiferromagnéticos como cromo e vidros de spin possuem uma relação mais complexa com o campo magnético. A força de um ímã em materiais paramagnéticos, diamagnéticos e antiferromagnéticos geralmente é muito fraca para ser sentida e só pode ser detectada por instrumentos de laboratório, portanto, essas substâncias não estão incluídas na lista de materiais que possuem propriedades magnéticas.
Condições
O estado magnético (ou fase) de um material depende da temperatura e outras variáveis como pressão e campo magnético aplicado. Um material pode exibir mais de uma forma de magnetismo à medida que essas variáveis mudam.
Histórico
As propriedades magnéticas de um material foram descobertas pela primeira vez no mundo antigo, quando as pessoas perceberam que os ímãs, pedaços de minerais naturalmente magnetizados, podiam atrair ferro. A palavra "ímã" vem do termo grego Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "pedra magnesiana, pedra de pé".
Na Grécia antiga, Aristóteles atribuiu a primeira do que poderia ser chamado de uma discussão científica sobre as propriedades magnéticas dos materiais,filósofo Tales de Mileto, que viveu a partir de 625 aC. e. antes de 545 aC e. O antigo texto médico indiano Sushruta Samhita descreve o uso de magnetita para remover flechas incrustadas no corpo humano.
China Antiga
Na China antiga, a mais antiga referência literária às propriedades elétricas e magnéticas dos materiais é encontrada em um livro do século 4 aC com o nome de seu autor, O Sábio do Vale dos Fantasmas. A primeira menção à atração da agulha está no trabalho do século I Lunheng (Pedidos Equilibrados): "O ímã atrai a agulha."
O cientista chinês do século 11 Shen Kuo foi a primeira pessoa a descrever - no Dream Pool Essay - uma bússola magnética com uma agulha e que melhorava a precisão da navegação através de métodos astronômicos. conceito de norte verdadeiro. No século 12, os chineses eram conhecidos por usar a bússola magnética para navegação. Eles moldaram a colher-guia de pedra para que o cabo da colher sempre aponte para o sul.
Idade Média
Alexander Neckam, em 1187, foi o primeiro na Europa a descrever a bússola e seu uso para navegação. Este pesquisador pela primeira vez na Europa estabeleceu completamente as propriedades dos materiais magnéticos. Em 1269, Peter Peregrine de Maricourt escreveu a Epistola de magnete, o primeiro tratado sobrevivente descrevendo as propriedades dos ímãs. Em 1282, as propriedades de bússolas e materiais com propriedades magnéticas especiais foram descritas por al-Ashraf, um físico, astrônomo e geógrafo iemenita.
Renascimento
Em 1600, William Gilbert publicouseu “Corpus Magnético” e “Telúrio Magnético” (“Sobre o Ímã e os Corpos Magnéticos, e também sobre o Grande Ímã da Terra”). Neste artigo, ele descreve muitos de seus experimentos com sua terra modelo, chamada de terrella, com a qual realizou pesquisas sobre as propriedades dos materiais magnéticos.
A partir de seus experimentos, ele chegou à conclusão de que a própria Terra é magnética e que é por isso que as bússolas apontavam para o norte (antes, alguns acreditavam que era a estrela polar (Polaris) ou uma grande ilha magnética no norte Pólo que atraiu a bússola).
Novo horário
A compreensão da relação entre eletricidade e materiais com propriedades magnéticas especiais surgiu em 1819 no trabalho de Hans Christian Oersted, professor da Universidade de Copenhague, que descobriu ao mover acidentalmente uma agulha de bússola perto de um fio que um corrente pode criar um campo magnético. Este experimento marcante é conhecido como o Experimento Oersted. Vários outros experimentos se seguiram com André-Marie Ampère, que descobriu em 1820 que um campo magnético circulando em um caminho fechado estava relacionado a uma corrente fluindo ao redor do perímetro do caminho.
Carl Friedrich Gauss estava envolvido no estudo do magnetismo. Jean-Baptiste Biot e Felix Savart em 1820 criaram a lei de Biot-Savart, que fornece a equação desejada. Michael Faraday, que descobriu em 1831 que um fluxo magnético variável no tempo através de um laço de fio causava uma tensão. E outros cientistas descobriram outras conexões entre magnetismo e eletricidade.
século XX e nossotempo
James Clerk Maxwell sintetizou e ampliou essa compreensão das equações de Maxwell unificando eletricidade, magnetismo e ótica no campo do eletromagnetismo. Em 1905, Einstein usou essas leis para motivar sua teoria da relatividade especial, exigindo que as leis fossem verdadeiras em todos os referenciais inerciais.
Eletromagnetismo continuou a evoluir no século 21, sendo incorporado nas teorias mais fundamentais da teoria de calibre, eletrodinâmica quântica, teoria eletrofraca e, finalmente, o modelo padrão. Hoje em dia, os cientistas já estão estudando as propriedades magnéticas de materiais nanoestruturados com força e força. Mas as maiores e mais surpreendentes descobertas neste campo provavelmente ainda estão por vir.
Essência
As propriedades magnéticas dos materiais se devem principalmente aos momentos magnéticos dos elétrons orbitais de seus átomos. Os momentos magnéticos dos núcleos atômicos são geralmente milhares de vezes menores que os dos elétrons e, portanto, são desprezíveis no contexto da magnetização dos materiais. Momentos magnéticos nucleares são, no entanto, muito importantes em outros contextos, especialmente em ressonância magnética nuclear (RMN) e ressonância magnética (MRI).
Geralmente, o grande número de elétrons em um material é organizado de tal forma que seus momentos magnéticos (orbital e interno) são anulados. Até certo ponto, isso se deve ao fato de que os elétrons se combinam em pares com momentos magnéticos intrínsecos opostos como resultado do princípio de Pauli (consulte Configuração eletrônica) e se combinam em subcamadas preenchidas com movimento orbital líquido zero.
BEm ambos os casos, os elétrons utilizam predominantemente circuitos nos quais o momento magnético de cada elétron é cancelado pelo momento oposto do outro elétron. Além disso, mesmo quando a configuração eletrônica é tal que há elétrons desemparelhados e/ou subcamadas não preenchidas, é comum que diferentes elétrons em um sólido contribuam com momentos magnéticos que apontam em direções diferentes e aleatórias, de modo que o material não será magnético.
Às vezes, espontaneamente ou devido a um campo magnético externo aplicado, cada um dos momentos magnéticos dos elétrons se alinha em média. O material certo pode então criar um forte campo magnético líquido.
O comportamento magnético de um material depende de sua estrutura, em particular de sua configuração eletrônica, pelas razões apresentadas acima, e também da temperatura. Em altas temperaturas, o movimento térmico aleatório dificulta o alinhamento dos elétrons.
Diamagnetismo
Diamagnetismo é encontrado em todos os materiais e é a tendência de um material resistir a um campo magnético aplicado e, portanto, repelir o campo magnético. No entanto, em um material com propriedades paramagnéticas (isto é, com tendência a fortalecer um campo magnético externo), o comportamento paramagnético domina. Assim, apesar da ocorrência universal, o comportamento diamagnético é observado apenas em um material puramente diamagnético. Não há elétrons desemparelhados em um material diamagnético, então os momentos magnéticos intrínsecos dos elétrons não podem criarqualquer efeito de volume.
Observe que esta descrição é apenas uma heurística. O teorema de Bohr-Van Leeuwen mostra que o diamagnetismo é impossível de acordo com a física clássica, e que um entendimento correto requer uma descrição da mecânica quântica.
Observe que todos os materiais passam por essa resposta orbital. No entanto, em substâncias paramagnéticas e ferromagnéticas, o efeito diamagnético é suprimido por efeitos muito mais fortes causados por elétrons desemparelhados.
Existem elétrons desemparelhados em um material paramagnético; isto é, orbitais atômicos ou moleculares com exatamente um elétron neles. Enquanto o princípio de exclusão de Pauli exige que os elétrons emparelhados tenham seus próprios momentos magnéticos ("spin") apontando em direções opostas, fazendo com que seus campos magnéticos se cancelem, um elétron desemparelhado pode alinhar seu momento magnético em qualquer direção. Quando um campo externo é aplicado, esses momentos tenderão a se alinhar na mesma direção do campo aplicado, fortalecendo-o.
Ferromagnets
Um ferroímã, como substância paramagnética, possui elétrons desemparelhados. No entanto, além da tendência do momento magnético intrínseco dos elétrons ser paralelo ao campo aplicado, nestes materiais também há uma tendência desses momentos magnéticos se orientarem paralelos entre si para manter um estado de energia. Assim, mesmo na ausência de um campo aplicadoos momentos magnéticos dos elétrons no material alinham-se espontaneamente em paralelo.
Cada substância ferromagnética tem sua própria temperatura individual, chamada de temperatura de Curie, ou ponto de Curie, acima da qual perde suas propriedades ferromagnéticas. Isso ocorre porque a tendência térmica à desordem supera a redução de energia devido à ordem ferromagnética.
Ferromagnetismo ocorre apenas em algumas substâncias; ferro, níquel, cob alto, suas ligas e algumas ligas de terras raras são comuns.
Os momentos magnéticos dos átomos em um material ferromagnético fazem com que eles se comportem como minúsculos ímãs permanentes. Eles se unem e se combinam em pequenas regiões de alinhamento mais ou menos uniforme chamadas domínios magnéticos ou domínios de Weiss. Os domínios magnéticos podem ser observados usando um microscópio de força magnética para revelar os limites do domínio magnético que se assemelham a linhas brancas em um esboço. Existem muitos experimentos científicos que podem mostrar campos magnéticos fisicamente.
Papel dos domínios
Quando um domínio contém muitas moléculas, ele se torna instável e se divide em dois domínios alinhados em direções opostas para ficarem juntos de forma mais estável, como mostrado à direita.
Quando expostos a um campo magnético, os limites do domínio se movem para que os domínios alinhados magneticamente cresçam e dominem a estrutura (área pontilhada em amarelo), conforme mostrado à esquerda. Quando o campo de magnetização é removido, os domínios podem não retornar a um estado não magnetizado. Isto leva apois o material ferromagnético é magnetizado, formando um imã permanente.
Quando a magnetização era forte o suficiente para que o domínio dominante se sobrepusesse a todos os outros, levando à formação de apenas um domínio separado, o material estava magneticamente saturado. Quando um material ferromagnético magnetizado é aquecido à temperatura do ponto de Curie, as moléculas se misturam até o ponto em que os domínios magnéticos perdem a organização e as propriedades magnéticas que eles causam cessam. Quando o material é resfriado, essa estrutura de alinhamento de domínio retorna espontaneamente, aproximadamente análoga a como um líquido pode congelar em um sólido cristalino.
Antiferromagnéticos
Em um antiferromagneto, diferentemente de um ferromagneto, os momentos magnéticos intrínsecos dos elétrons de valência vizinhos tendem a apontar em direções opostas. Quando todos os átomos estão dispostos em uma substância de modo que cada vizinho seja antiparalelo, a substância é antiferromagnética. Os antiferromagnetos têm um momento magnético líquido igual a zero, o que significa que eles não criam um campo.
Antiferromagnetos são mais raros que outros tipos de comportamento e são mais frequentemente observados em baixas temperaturas. Em diferentes temperaturas, os antiferromagnetos exibem propriedades diamagnéticas e ferromagnéticas.
Em alguns materiais, os elétrons vizinhos preferem apontar em direções opostas, mas não existe um arranjo geométrico em que cada par de vizinhos seja anti-alinhado. É chamado de vidro giratório eé um exemplo de frustração geométrica.
Propriedades magnéticas de materiais ferromagnéticos
Como ferromagnetismo, ferrimagnets retêm sua magnetização na ausência de um campo. No entanto, como antiferromagnetos, pares adjacentes de spins de elétrons tendem a apontar em direções opostas. Essas duas propriedades não se contradizem porque, em um arranjo geométrico ótimo, o momento magnético de uma sub-rede de elétrons que aponta na mesma direção é maior do que de uma sub-rede que aponta na direção oposta.
A maioria das ferritas são ferrimagnéticas. As propriedades magnéticas dos materiais ferromagnéticos hoje são consideradas inegáveis. A primeira substância magnética descoberta, a magnetita, é uma ferrita e foi originalmente pensada como um ferroímã. No entanto, Louis Neel refutou isso descobrindo o ferrimagnetismo.
Quando um ferromagneto ou ferrimagnet é pequeno o suficiente, ele age como um único spin magnético que está sujeito ao movimento browniano. Sua resposta a um campo magnético é qualitativamente semelhante à de um paraímã, mas muito mais.
Eletroímãs
Um eletroímã é um ímã no qual um campo magnético é criado por uma corrente elétrica. O campo magnético desaparece quando a corrente é desligada. Os eletroímãs geralmente consistem em um grande número de voltas de fio espaçadas que criam um campo magnético. As bobinas de fio são muitas vezes enroladas em torno de um núcleo magnético feito de material ferromagnético ou ferrimagnético.um material como ferro; o núcleo magnético concentra o fluxo magnético e cria um ímã mais forte.
A principal vantagem de um eletroímã sobre um ímã permanente é que o campo magnético pode ser alterado rapidamente controlando a quantidade de corrente elétrica no enrolamento. No entanto, ao contrário de um ímã permanente, que não requer energia, um eletroímã requer um fornecimento contínuo de corrente para manter o campo magnético.
Eletroímãs são amplamente utilizados como componentes de outros dispositivos elétricos, como motores, geradores, relés, solenóides, alto-falantes, discos rígidos, máquinas de ressonância magnética, instrumentos científicos e equipamentos de separação magnética. Os eletroímãs também são usados na indústria para segurar e mover objetos pesados de ferro, como sucata e aço. O eletromagnetismo foi descoberto em 1820. Ao mesmo tempo, foi publicada a primeira classificação de materiais de acordo com propriedades magnéticas.
