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O paramagnetismo é a propriedade de alguns materiais em que, quando submetidos a um campo magnético, é gerada uma força que desaparece quando o campo é removido. Antes de explicar o paramagnetismo, vamos primeiro dar uma olhada em algumas ideias sobre magnetismo e campos magnéticos.
Magnetismo e campos magnéticos
O magnetismo é uma das três interações da matéria contempladas pela física clássica, ou seja, a física newtoniana, juntamente com a atração gravitacional e as interações elétricas. Em tempos passados já se havia observado que certos materiais atraíam o ferro, e é na Grécia antiga que se origina o termo “magnético”, associado a um mineral de ferro com propriedades ferromagnéticas. Foi então descoberta na China uma aplicação fundamental do magnetismo, a bússola, que alinha uma agulha magnetizada no campo magnético terrestre permitindo a orientação em qualquer ambiente geográfico. O magnetismo e a eletricidade estão relacionados, como Hans Christian Oersted demonstrou pela primeira vez em 1820, quando observou que uma corrente elétrica produzia uma força magnética. Uma carga elétrica em movimento gera um campo magnético, enquanto um campo magnético em movimento gera uma corrente elétrica. Esta última afirmação é o princípio de funcionamento dos geradores elétricos, que girando um campo magnético com um motor geram uma corrente elétrica. Essa associação entre cargas elétricas em movimento e campos magnéticos é essencial para entender o comportamento dos materiais magnéticos e do paramagnetismo.
Um elétron é uma carga elétrica negativa e mover-se em um átomo gera um campo magnético; esta é a origem das propriedades magnéticas dos materiais. São os elétrons e seu movimento que geram o magnetismo dos materiais. O campo magnético é entendido como a distribuição de forças em cada ponto ao redor da fonte do campo , que terá uma magnitude , uma direção e uma direção .; A figura de apresentação do artigo mostra o campo magnético de uma barra magnética, com seus dois polos de atração. Os elétrons e seu movimento geram campos magnéticos de duas formas, associadas aos tipos de movimento que desenvolvem no átomo: movimento orbital em torno do núcleo e rotação sobre si mesmo, seu spin. Este último, o momento magnético de spin, é o mais importante devido à sua magnitude. O momento magnético do átomo é a soma dos momentos magnéticos dos elétrons. Os elétrons ocupam orbitais atômicos em pares, com spins em direções opostas; o momento magnético de spin de pares de elétrons no mesmo orbital será zero. pois eles se cancelam quando têm direções opostas. Portanto, apenas átomos com orbitais que não são completos, que possuem apenas um elétron, eles terão um momento magnético líquido e a intensidade dependerá do número de orbitais com apenas um elétron. O ferro, por exemplo, tem 26 elétrons e 4 3 orbitais.d são ocupados por um único elétron; O cobalto, com 27 elétrons, tem 3 orbitais 3d ocupados por um único elétron.
Materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos
Em um material, os momentos magnéticos atômicos são desordenados, seguindo diferentes direções. Quando todos os momentos magnéticos atômicos de um material são ordenados na mesma direção e no mesmo sentido, eles se somam e geram a magnetização do material. Neste caso temos um material ferromagnético, que possui um campo magnético permanente. Essa ordenação dos momentos magnéticos atômicos é gerada espontaneamente em alguns materiais, mas não depende apenas do elemento, mas também de como ele se organiza microscopicamente e, em particular, da estrutura cristalina. Um material que gera magnetização permanente espontânea pode ser composto por setores microscópicos com diferentes direções de magnetização, como mostra a figura a seguir. Neste caso,
Ferro (Fe), cobalto e níquel são alguns elementos que, formando estruturas cristalinas como elementos ou como parte de moléculas, constituem materiais ferromagnéticos. Um composto ferromagnético formado por ferro é o óxido ferroso diférrico, Fe 3 O 4 , a chamada magnetita, que deu origem ao termo magnético.
Outra forma de orientação dos momentos magnéticos atômicos em um material pode ser na mesma direção, mas na direção oposta em linhas alternadas, conforme mostrado na figura a seguir. Como a magnitude do momento magnético é diferente para cada direção, o conjunto tem uma magnetização líquida. Esses materiais são chamados de ferrimagnéticos e, como os ferromagnéticos, são permanentemente magnetizados. As ferritas são os materiais ferrimagnéticos mais difundidos. As ferritas são um grupo de compostos de ferro ligados a bário, zinco, cobalto, estrôncio, manganês, molibdênio ou níquel, que formam estruturas cristalinas cúbicas centradas. A sua importância reside no facto de serem materiais com magnetização permanente mas não serem condutores de eletricidade, e possuírem propriedades mecânicas muito boas. Suas aplicações variam de ímãs em geladeiras a tinta em impressoras a laser. Eles formaram o núcleo de memória dos primeiros computadores e, em forma de pó, são usados em fitas e bandas de gravação de dados, em tintas e em muitas outras aplicações.
materiais paramagnéticos
Um material paramagnético é aquele cujos momentos magnéticos atômicos são ordenados em um campo magnético e que, portanto, estará sujeito a uma força quando colocado em um campo magnético, mas quando o campo magnético externo cessa, seus momentos magnéticos atômicos voltam a ficar desordenados e não não retém a magnetização. Alguns exemplos de materiais paramagnéticos são o óxido de ferro (FeO) e complexos de metais de transição: cromo, cobre, manganês, escândio, titânio e vanádio. Mas todos os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos tornam-se paramagnéticos quando aquecidos acima de uma certa temperatura, chamada de temperatura de Curie (T c ) . Por exemplo, a temperatura Curie do ferro é 770 o C, a do cobalto é 1127 oC e o da magnetita 585 o C.
Em materiais paramagnéticos, a temperatura afeta a força magnética que é gerada no material quando um campo magnético externo é aplicado, pois à medida que a temperatura aumenta, a ordenação dos momentos magnéticos atômicos diminui. Isso é expresso na lei de Curie. pela seguinte expressão:
χ = C/T
onde χ é a suscetibilidade magnética, T é a temperatura absoluta (em Kelvin) e C é um parâmetro dependente do material, a constante de Curie.
A magnetização M de um material paramagnético também depende da intensidade do campo magnético externo H. A expressão para a magnetização é:
M = χH = (C/T)H
Esta expressão é válida para altas temperaturas e para campos magnéticos externos fracos; porém, perde sua validade quando todos os momentos magnéticos atômicos estão próximos de estarem completamente alinhados. Nesse ponto, mesmo que o campo magnético externo seja aumentado ou a temperatura diminuída, não haverá efeito na magnetização do material, pois não haverá mudança na ordem dos momentos magnéticos atômicos. Este é um ponto de saturação magnética .
A ideia de saturação é claramente observada na extensão da lei de Curie para materiais ferromagnéticos na chamada lei de Curie-Weiss, introduzindo a temperatura de Curie T c que vimos antes:
χ = C/(TT c )
Essa expressão só faz sentido para valores de temperatura maiores que a temperatura de Curie, situação em que o material se comporta como paramagnético; para valores de temperatura menores ou iguais à temperatura de Curie, o material é ferromagnético e sua magnetização assume o valor máximo possível.
Fontes
Amikam Aharoni. Introdução à teoria do ferromagnetismo . Segunda edição. Oxford University Press, 2000.
Rolf E. Hummel. Propriedades Eletrônicas dos Materiais . Primavera, 2011.
WKH Panofski e M. Philips. Eletricidade e magnetismo clássicos . Nova York: Dover, 2005.
Curso de fundamentos de materiais, UPV. https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html
