FERROMAGNETISMO: MATERIAIS, APLICAÇÕES E EXEMPLOS - FISICA - 2024

O ferromagnetismo é a propriedade que dá a algumas substâncias resposta magnética intensa e permanente. Na natureza existem cinco elementos com esta propriedade: ferro, cobalto, níquel, gadolínio e disprósio, sendo este último 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.

Ímãs formando uma ponte. Fonte: Pixabay

A permeabilidade magnética é uma quantidade adimensional dada pelo quociente entre a intensidade do campo magnético gerado no interior do material e a do campo magnético aplicado externamente.

Quando essa resposta for muito maior que 1, o material é classificado como ferromagnético. Por outro lado, se a permeabilidade não for muito maior que 1, a resposta magnética é considerada mais fraca, pois são 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 do que o campo aplicado externamente. O que dá uma ideia de quão poderosa é a resposta magnética deste mineral.

Como a resposta magnética se origina dentro das substâncias?

O magnetismo é conhecido por ser um efeito associado ao movimento de cargas elétricas. É exatamente disso que consiste a corrente elétrica. De onde vêm as propriedades magnéticas do ímã em barra com o qual uma nota foi colada na geladeira?

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

Um modelo muito simplificado assume o elétron em uma órbita circular em torno do núcleo composto de prótons e nêutrons, formando assim um minúsculo loop de corrente. Cada loop está associado a uma magnitude vetorial chamada "momento magnético orbital", cuja intensidade é dada pelo produto da corrente e a área determinada pelo loop: o magneto de Bohr.

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

Isso ocorre porque seus momentos magnéticos não estão alinhados, mas aleatoriamente dispostos internamente, de modo que seus efeitos magnéticos macroscópicos se cancelam.

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

O elétron tem uma espécie de movimento rotacional em torno de seu eixo. É um efeito que se traduz em um momento angular intrínseco. Essa propriedade é chamada de spin do elétron.

Naturalmente, ele também tem um momento magnético associado e é muito mais forte do que o momento orbital. Na verdade, a maior contribuição para o momento magnético líquido do átomo é através do spin, porém ambos os momentos magnéticos: o da translação 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 também o fazem com os campos criados por momentos vizinhos no material.

Agora, os elétrons geralmente formam pares em átomos com muitos elétrons. Pares são formados entre elétrons com spin oposto, resultando no cancelamento do momento magnético de spin.

A única forma de o spin contribuir para o momento magnético total é se um deles não for pareado, ou seja, o átomo possuir um número ímpar de elétrons.

E quanto ao momento magnético dos prótons no núcleo? Bem, eles também têm momento de spin, mas não se considera que contribua significativamente para o magnetismo de um átomo. Isso ocorre porque o momento de rotação é inversamente dependente da massa e a massa do próton é muito maior do que a do elétron.

Os domínios magnéticos

No ferro, cobalto e níquel, a tríade de elementos com grande resposta magnética, o momento líquido de spin produzido pelos elétrons não é zero. Nestes metais, os elétrons do 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 de materiais fortemente magnéticos existem regiões chamadas domínios magnéticos, cuja extensão pode variar entre 10 ^-4 e 10 ^-1 cm e que contêm bilhões de átomos. Nessas regiões, os momentos de rotação de átomos vizinhos tornam-se fortemente acoplados.

Quando um material com domínios magnéticos se aproxima de um ímã, os domínios se alinham, intensificando o efeito magnético.

É porque os domínios, como os ímãs em barra, têm pólos magnéticos, igualmente denominados Norte e Sul, de modo que pólos semelhantes se repelem e pólos opostos se atraem.

À medida que os domínios se alinham com o campo externo, o material emite sons de estalo que podem ser ouvidos por amplificação apropriada.

Este efeito pode ser visto quando um ímã atrai os pregos de ferro macio e estes, por sua vez, se comportam como ímãs atraindo outros pregos.

Os domínios magnéticos não são limites estáticos estabelecidos no material. Seu tamanho pode ser modificado pelo resfriamento ou aquecimento do 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. Este efeito é refletido nas curvas de histerese abaixo.

O aquecimento do material causa perda de alinhamento dos momentos magnéticos. A temperatura na qual a magnetização é completamente perdida difere dependendo do tipo de material, para um ímã em barra geralmente se perde por volta de 770ºC.

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

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

Ao microscópio observa-se que os chips se agrupam nas regiões de formação do mineral com uma orientação muito bem definida, seguindo os domínios magnéticos do material.

A diferença de comportamento entre diferentes materiais magnéticos se deve à maneira como os domínios se comportam dentro deles.

Histerese magnética

A histerese magnética é uma característica que apenas materiais com alta permeabilidade magnética possuem. Não está presente em materiais paramagnéticos ou diamagnéticos.

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

Ciclo de histerese ferromagnética

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

Agora a intensidade de H vai diminuindo progressivamente até chegar a 0, com isso atingimos o ponto C, porém a resposta magnética do material não desaparece, retendo uma magnetização remanente 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 remanescente é cancelada no ponto D. O valor necessário de H é denotado 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 permanece uma magnetização remanescente com polaridade oposta à descrita anteriormente, no ponto F.

Agora a polaridade de H é invertida novamente e sua magnitude é aumentada até que a resposta magnética do material no ponto G. 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 macio é mais fácil de magnetizar do que o aço, e bater no material facilita ainda mais o alinhamento dos domínios.

Quando um material é fácil de magnetizar e desmagnetizar, diz-se que é magneticamente macio e, claro, se acontecer o contrário, é um material magneticamente duro. Nestes últimos os domínios magnéticos são pequenos, enquanto nos primeiros são grandes, de modo que podem ser vistos ao microscópio, conforme detalhado acima.

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 macio tem um pequeno campo coercivo H _c e uma curva de histerese alta e estreita. É um material adequado para ser colocado no núcleo de um transformador elétrico. Exemplos deles são ferro macio e ligas de ferro-silício e ferro-níquel, úteis para equipamentos de comunicação.

Por outro lado, os materiais magneticamente duros são difíceis de desmagnetizar 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 feitos.

Referências

1. Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557 -577.
2. Jovem, Hugh. 2016. Sears-Zemansky's University Physics with Modern Physics. 14º Ed. Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Estudo das mineralogias associadas ao poço de petróleo Guafita 8x pertencente ao campo Guafita (Estado de Apure) usando medidas de sensibilidade magnética e espectroscopia Mossbauer. Tese de graduação. Universidade Central da Venezuela.