capitulo 5. propriedades magnÉticas das substancias

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  • Capitulo # 5 Propriedades magnticas das Substancias 116

    Capitulo 5. PROPRIEDADES MAGNTICAS DAS SUBSTANCIAS.

    5.1 Introduo

    sabido que todas s substancias da natureza apresentam uma dada

    sensibilidade magntica. O magnetismo das substncias se manifesta com maior

    intensidade nos slidos, devido proximidade entre os tomos. O ser humano por sua

    vez, apresenta mais de um 80% de material no-magntico. A matria viva desde o

    ponto de vista magntico, mais paramagntico e diamagntico. Desde o ponto de vista

    do eletromagnetismo os materiais magnticos dividem-se em fracos ou duros. Nos

    primeiros em ausncia de campos magnticos seus momentos magnticos esto

    randomicamente distribudos, sendo seu momento magntico total zero, no gerando

    campo magntico. Sob a ao de uma excitao magntica se induz momentos dipolares

    magnticos (se magnetiza) na mesma direo do campo aplicado adquirindo uma

    magnetizao proporcional intensidade do campo aplicado e susceptibilidade

    magntica do material. J nos materiais duros na ausncia de campo aplicado podem

    aparecer sinais de magnetizao residual, apresentando estruturas de domnios, os

    momentos magnticos dipolares dentro destes materiais tm direes desconhecidas,

    isso faz que com que a magnetizao no possa ser reconstruda em geral, atravs da

    medida do campo magntico univocamente1.

    Depsitos de minrio ferro magntico foram descobertos pelos gregos, numa

    regio da Turquia, h muitos sculos. A regio era ento conhecida como Magnsia e,

    assim, o minrio foi chamado magnetita. Outros depsitos de magnetita so encontrados

    em outras regies do mundo, e os pedaos de magnetita so conhecidos como ms

    naturais. Um desses pedaos, pendurado em um fio, se alinha com o campo magntico

    da Terra. Por volta do sculo XII, os homens comearam a usar esses ms naturais a

    que davam o nome de pedra-m, como as primeiras bssolas magnticas. Alguns

    materiais, notadamente o ferro e o ao, so fortemente atrados pelos ms; o cobalto e o

    nquel so atrados em grau menor. Diz-se que essas substncias tm propriedades

    ferromagnticas. Ligas especiais, como o permalloy e o alnico, tm extraordinrias

    propriedades ferromagnticas. Os fsicos tm demonstrado muito interesse pela

    estrutura dos materiais dotados da propriedade do ferromagnetismo.

  • Capitulo # 5 Propriedades magnticas das Substancias 117

    Atualmente, so fabricados ms artificiais muito fortes e versteis, com

    substncias ferromagnticas. Os ms de alnico (Al, Ni e Co) atuais suportam um peso

    de mais de 1 000 vezes o dos prprios ms. As substncias ferromagnticas so

    comumente chamadas substncias magnticas.

    5.2 Tipos de materiais magnticos.

    De acordo com a permeabilidade magntica podemos classificar os materiais em

    trs grandes grupos:

    a) Ferromagnticos: >> 1.

    So assim definidos os materiais que so fortemente atrados por um im.

    exemplo: ferro, cobalto e quase todos os tipos de ao. Isto quer dizer que estes tipos de

    substancias revelam propriedades magnticas intensas; o qual acontece quando

    domnios magnticos (regies como mnimo 1 mm de dimenses) ficam alinhados na

    ausncia de campo magntico, por embaixo da temperatura de Curie) temperatura acima

    da quais materiais ferromagnticos perdem sua magnetizao permanente). A

    magnetizao total depende da historia magntica (efeito de histerese). Acredita-se que

    o ferromagnetismo pode ser causado por campos magnticos gerados pelos momentos

    magnticos de spins nos eltrons em combinao com o mecanismo conhecido como

    acoplamento de troca, a qual alinha todos os spins em cada domnio magntico.

    b) Paramagnticos: = 1.

    So os materiais os quais alinhas os momentos dipolares na mesma direo do

    campo aplicado, uma vez que desligado os momentos magnticos se desordenam e

    perdem o magnetismo. Eles so levemente atrados por um im. Exemplo: platina,

    alumnio, cromo, estanho, potssio. O paramagnetismo est presente em materiais que

    apresentam eltrons desaparelhados.

    c) Diamagnticos: < 1.

  • Capitulo # 5 Propriedades magnticas das Substancias 118

    So os materiais que so levemente repelidos por um im. Exemplo: prata,

    zinco, chumbo, cobre, mercrio. O ensaio por partculas magnticas no aplicvel a

    estes materiais.

    Uma dbil repulso do campo magntico gerado pelo eltron orbital. Todos os

    materiais tm natureza diamagntica, apesar de o paramagnetismo estar presentes

    somente por substancias que apresentem eltrons desaparelhados.

    5.3 Susceptibilidade magntica

    A densidade de linhas de campo magntico se chama densidade de fluxo

    magntico Br

    . No vcuo, o campo magntico e a intensidade de fluxo esto

    relacionados segundo:

    Br = 0 H

    r (5.1)

    onde Hr

    = intensidade do campo magntico;

    0 = permeabilidade no vcuo.

    Os materiais diamagnticos reduzem a intensidade do campo magntico,

    enquanto que os paramagnticos a aumentam.

    A magnetizao Mr

    o campo produzido pela amostra resultante da aplicao

    de um campo magntico Hr

    ; ambos resultam em um campo total Br

    :

    Br

    = 0 ( Hr

    + Mr

    ) (5.2)

    A susceptibilidade magntica dada por M/H, positiva nos materiais

    paramagnticos e negativa para os diamagnticos.

    A lei de Curie estabelece que:

    = C / T (5.3) onde: T a temperatura (K) e C uma constante.

    Para o ferromagnetismo:

    = C / (T-TC) (5.4) onde TC a temperatura de Curie. Para temperaturas acima de TC, o material

    ferromagntico se torna paramagntico, pois a movimentao dos tomos to intensa

    que os eltrons nas ligaes no so capazes de manter os momentos de diplo

    alinhados.

  • Capitulo # 5 Propriedades magnticas das Substancias 119

    Para o antiferromagnetismo:

    = C (T + TN) (5) onde TN a temperatura de Nel.

    O ferrimagnetismo tem uma dependncia mais complexa com a temperatura. Sua

    curva de magnetizao de saturao Ms com a temperatura mostrada na Fig. 5.1.

    Ms

    TC T

    1

    Figura 5.1 Caracterstica do Ferrimagnetismo. (extrada de 2)

    5.4. Sobre os Domnios Ferromagnticos

    Os spins de um tomo ou de uma molcula tendem a alinhar-se paralelos s

    interaes de troca de curto alcance originadas pela repulso eltron- eltron, mas

    tambm existe uma interao de diplo magntico de longo alcance que tende a alinhar

    os spins antiparalelos.

    As foras de troca mantm os spins paralelos e as interaes de diplo

    magntico mantm os spins antiparalelos entre domnios. Ao aplicar-se um campo

    magntico, os domnios tendem a alinhar-se com o campo, o que pode ser conseguido

    por crescimento de um domnio com a mesma orientao movendo as paredes desse

    domnio e diminuindo o prximo domnio. Se a intensidade do campo aplicado

    suficientemente forte e supera a interao dipolar, todos os spins se alinham

    simultaneamente, girando os domnios.

    As paredes de domnio, tambm chamadas de parede de Bloch, so as estruturas

    de spins situadas nas regies de transio entre dois domnios diferentes. Um material

    magntico se quebra em domnios para fins de reduo de energia. Criar uma parede de

    Bloch custa energia, mas numa situao de mono-domnio, haver muito campo

    magntico no espao livre e isto tambm custa energia, balanceando a situao.

  • Capitulo # 5 Propriedades magnticas das Substancias 120

    5.5 Histerese Magntica A intensidade do campo magntico, H, atua sobre o material como fora

    imantadora, na induo magntica. medida que um material ferromagntico sujeito

    a uma fora imantadora cada vez maior, a densidade do fluxo, B, aumenta at que o

    material fica saturado (veja a curva ab na Fig. 5.2 embaixo). Se a fora imantadora for

    ento reduzida a zero, a imantao no retorna ao zero, mas fica atrasada em relao

    fora imantadora, segmento bc. O retardamento da imantao atrs da fora imantadora

    conhecido como histerese. Quanto maior o retardamento, maior o magnetismo

    residual conservado pelo material, ordenada Oc (O a origem dos eixos).

    Figura 5.2. Curva de histerese magntica.

    A densidade do fluxo, e, portanto a imantao, s pode ser reduzida a zero

    invertendo-se o campo magntico e aumentando a fora imantadora no sentido oposto,

    segmento cd. A fora imantadora inversa, se suficientemente aumentada, faz com que o

    material torne a atingir a saturao, mas com os seus plos invertidos, segmento de.

    Reduzindo a fora imantadora a zero e ento lha elevando no sentido original,

    novamente, s se faz completar o segmento efb. Este processo pode ser repetido e a

    imantao do material acompanha o arco fechado bcdefb, uma curva chamada curva de

    histerese3-4.

    O ao temperado tem caracterstica de histerese de 'arco denso', porquanto o

    magnetismo residual elevado; o ferro doce tem caracterstica de 'arco fino'. A rea

    dentro de uma curva de histerese d uma indicao da quantidade de energia dissipada,

    ao se levar uma substncia ferromagntica atravs de um ciclo completo de imantao.

    No funcionamento de muitos dispositivos eltricos, essa energia desperdiada, e

    aparece como calor: a caracterstica de histerese de um material ferromagntico.

  • Capitulo # 5 Propriedades magnticas das Substancias 121

    Os materiais macios ou materiais de alta permeabilidade so utilizados para

    produzir um alto fluxo magntico gerado por uma corrente eltrica ou uma