MAGNETIZAÇÃO: MOMENTO MAGNÉTICO ORBITAL E DE SPIN, EXEMPLOS - FISICA - 2025

A magnetização é uma grandeza vetorial que descreve o estado magnético de um material e é definida como a quantidade de momentos magnéticos dipolares por unidade de volume. Um material magnético - ferro ou níquel, por exemplo - pode ser considerado feito de muitos pequenos ímãs chamados dipolos.

Normalmente, esses dipolos, que por sua vez possuem pólos magnéticos norte e sul, são distribuídos com certo grau de desordem no volume do material. A desordem é menor em materiais com fortes propriedades magnéticas, como o ferro, e maior em outros com magnetismo menos óbvio.

Figura 1. Dípolos magnéticos são arranjados aleatoriamente dentro de um material. Fonte: F. Zapata.

Porém, 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).

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

Seja M o vetor de magnetização, que é definido como:

Ora, a intensidade da magnetização no material, produto de estar imerso no campo externo H, é proporcional a esta, portanto:

M ∝ H

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

M = χ. H

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

Momento magnético orbital e de spin

O magnetismo surge do movimento de cargas elétricas, portanto, para determinar o magnetismo do átomo, devemos levar em conta os movimentos das partículas carregadas que o constituem.

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 um minúsculo loop (circuito fechado ou loop de corrente fechado). Este movimento contribui para o magnetismo do átomo graças ao vetor de momento magnético orbital m, cuja magnitude é:

Onde I é a intensidade da corrente e A é a área delimitada pelo loop. Portanto, as unidades de m no Sistema Internacional (SI) são amperes x metro quadrado.

O vetor m é perpendicular ao plano do loop, conforme mostrado na 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 ao redor do laço, apontando para cima. Este pequeno circuito é equivalente a uma barra magnética, conforme mostrado na Figura 3.

Momento magnético de rotação

Além do momento magnético orbital, o elétron se comporta como se estivesse girando sobre si mesmo. Não acontece exatamente assim, mas o efeito resultante é o mesmo, então essa é outra contribuição que precisa ser levada em consideração para o momento magnético líquido de um átomo.

Na verdade, o momento magnético de spin é mais intenso do que o momento orbital e é o principal responsável pelo magnetismo líquido de uma substância.

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

Os momentos de rotação se alinham na presença de um campo magnético externo e criam um efeito cascata, alinhando-se sucessivamente com os momentos vizinhos.

Nem todos os materiais apresentam propriedades magnéticas. Isso ocorre porque os elétrons com spin oposto formam pares e cancelam seus respectivos momentos magnéticos de spin.

Somente se algum for desemparelhado, há uma contribuição para o momento magnético total. Portanto, apenas átomos com um número ímpar de elétrons têm chance de ser magnéticos.

Os prótons no núcleo atômico também fazem uma pequena contribuição para o momento magnético total do átomo, porque eles também têm spin e, portanto, um momento magnético associado.

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

Exemplos

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

E conforme descrito na figura 2, ao colocar um material ali, os momentos magnéticos deste se alinham com o campo da bobina. O efeito líquido é produzir um campo magnético mais forte.

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

Figura 5. No núcleo do transformador ocorre uma magnetização líquida. Fonte: Wikimedia Commons.

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

A frequência da oscilação é a mesma, mas a magnitude é diferente. Desta forma, tensões mais altas ou mais baixas podem ser obtidas.

Em vez de enrolar as bobinas em um núcleo de ferro sólido, é preferível colocar um enchimento de folhas de metal coberto com verniz.

O motivo é devido à presença de correntes parasitas dentro do núcleo, que têm o efeito de superaquecê-lo excessivamente, 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, que é conhecida como carregamento sem fio ou carregamento indutivo.

Funciona da seguinte forma: existe uma base ou estação de carregamento, que tem um solenóide ou bobina principal, através da qual passa uma corrente variável. Outra bobina (secundária) é presa ao cabo da escova.

A corrente na bobina primária, por sua vez, induz uma corrente na bobina do cabo quando a escova é colocada na estação de carga, e isso cuida do 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. Uma vez recebida uma resposta, o mecanismo descrito é acionado e a corrente começa a ser induzida sem a necessidade de cabos.

Ferrofluidos

Outra aplicação interessante das propriedades magnéticas da matéria são os ferrofluidos. São minúsculas partículas magnéticas de um composto de ferrita, suspensas em um meio líquido, que pode ser orgânico ou mesmo água.

As partículas são revestidas por uma substância que impede sua aglomeração, ficando assim distribuídas no líquido.

A ideia é que a fluidez do líquido se combine com o magnetismo das partículas de ferrita, que por si só não são fortemente magnéticas, mas adquirem magnetização na presença de um campo externo, conforme descrito acima.

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

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

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

- Reduza a fricção nos silenciadores dos alto-falantes e fones de ouvido (evite reverberação).

- Permitir a separação de materiais com diferentes densidades.

- Atuam como vedantes nos eixos dos discos rígidos e repelem a sujeira.

- Como tratamento de câncer (em fase experimental). O ferrofluido é injetado nas células cancerosas e um campo magnético é aplicado que produz pequenas correntes elétricas. O calor gerado por eles ataca as 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. 6º Ed Prentice Hall. 560-562.
4. Kirkpatrick, L. 2007. Physics: A Look at the World. 6ª edição resumida. Cengage Learning. 233.
5. Shipman, J. 2009. Introdução à Ciência Física. Cengage Learning. 206-208.