Bônus (1p): Descreva as principais caracteristicas dos materiais diamagnéticos, paramagnéticos e ferromagnéticos. Importante: não é necessário detalhar os modelos fisicos que descrevem a origem de cada um desses fenômenos.
Passo 1
O enunciado pede que eu descreva as principais características dos materiais diamagnéticos, paramagnéticos e ferromagnéticos. Ele também fornece diversas constantes e fórmulas; das informações dadas vou explicitar aqui as que são relevantes para entender as diferenças entre esses materiais:
-
(constante do vácuo). - A relação fornecida entre campo total e campo externo:
. (Aqui é a susceptibilidade magnética do material.) - Fórmulas úteis para interpretar comportamento de dipolos magnéticos num campo:
(torque sobre um dipolo magnético) e (energia potencial de um dipolo magnético no campo). - A definição usual que vamos usar implicitamente: permeabilidade relativa
e permeabilidade absoluta .
Não vou deduzir modelos microscopicos complexos (o enunciado pediu isso), mas vou explicar o comportamento observável e como usar as fórmulas acima para interpretar esse comportamento.
Passo 2
O que significam
,
e
? Vou explicar passo a passo, sem pular etapas.
-
(susceptibilidade magnética) é um número que mede o quanto o material se magnetiza quando submetido a um campo magnético externo. Se , o material se magnetiza no mesmo sentido do campo; se , ele se magnetiza no sentido oposto. -
(permeabilidade relativa) indica quanto o meio modifica o campo magnético em relação ao vácuo. - A relação
significa que, ao aplicar um campo externo , o campo resultante no material é amplificado se ou reduzido se . - A energia de um dipolo magnético
num campo é . Isso nos diz que o dipolo tende a se orientar para minimizar . O torque faz o alinhamento quando não está mínimo.
Passo 3
Diamagnetismo — caracterização básica e interpretação prática.
- Sinal da susceptibilidade:
(negativa e pequena em módulo). - Consequência na relação campo total:
, logo fica um pouco menor que . - Comportamento frente ao campo: o material cria uma magnetização induzida oposta ao campo aplicado; em termos práticos, isso gera uma fraca repulsão por fontes de campo magnético.
- Intensidade: efeito fraco; valores típicos de
estão na ordem de a (ou seja, muito pequeno). - Efeito mecânico: em campo uniforme não há força líquida sobre um dipolo ideal (há torque para alinhar, mas para dipolos induzidos bem pequenos o importante é que em campos não uniformes ocorre repulsão para regiões de maior campo). A expressão
ainda vale: como induzido fica antiparalelo a , a energia é maior em regiões de campo forte, levando à tendência de ser expulso da região de campo mais intenso. - Exemplos e aplicações: materiais diamagnéticos incluem grafite (algumas formas), água, cobre, ouro; demonstração clássica é a levitação de pequenos objetos diamagnéticos em campos muito intensos ou a levitação de grafite/pyrolytic graphite sobre imãs fortes.
Passo 4
Paramagnetismo — caracterização básica e interpretação prática.
- Sinal da susceptibilidade:
(positiva, mas pequena). - Consequência na relação campo total:
, logo é um pouco maior que . - Comportamento frente ao campo: as pequenas contribuições magnéticas (dipolos) do material tendem a se alinhar na direção do campo aplicado, produzindo uma fraca atração para campos intensos.
- Intensidade: efeito também fraco; valores típicos de
variam aproximadamente entre e (dependendo do material e da temperatura). - Dependência de temperatura: a magnetização paramagnética tende a diminuir quando a temperatura aumenta — isso pode ser descrito qualitativamente pela lei de Curie (magnetização proporcional a
em regime simples), ou seja, térmica bagunça os dipolos que o campo tentaria alinhar. - Exemplos: alumínio, platina, oxigênio gasoso (em condições normais) são paramagnéticos; o efeito é perceptível somente com aparelhos sensíveis.
Passo 5
Ferromagnetismo — caracterização básica e interpretação prática.
- Sinal da susceptibilidade:
efetiva muito grande e positiva; portanto e o campo interno pode ser muito maior que o campo externo. - Comportamento frente ao campo: além de forte magnetização na presença de campo externo, muitos ferromagnetos exibem magnetização espontânea (podem permanecer magnetizados mesmo quando o campo externo é retirado).
- Fenômenos essenciais observáveis:
- Saturação: existe um valor máximo de magnetização
que o material pode alcançar; aumentar ainda mais não aumenta indefinidamente a magnetização. - Remanência (remanent magnetization): após remover o campo, o material pode manter uma magnetização residual.
- Coercividade (coercive field): campo necessário para reduzir essa magnetização residual a zero; define se o material é “duro” (alta coercividade, bom para ímãs permanentes) ou “mole” (baixa coercividade, útil para núcleos de transformadores).
- Histerese: curva
versus (ou versus ) apresenta laço — o caminho de magnetização e desmagnetização é diferente, dependente do histórico magnético.
- Saturação: existe um valor máximo de magnetização
- Consequências práticas: atração forte por ímãs, uso em núcleos de transformadores, motores, ímãs permanentes; perdas por histerese em materiais moles se usadas ciclicamente.
- Temperatura crítica: existe uma temperatura (temperatura de Curie) acima da qual o comportamento ferromagnético some e o material torna-se paramagnético.
Passo 6
Usando as fórmulas dadas para interpretar comportamento qualitativo (aplicação direta).
- Energia mínima e orientação:
. Para dipolos que se alinham com o campo (paramagnéticos/ferromagnéticos), o produto é negativo (energia diminuída) quando aponta no mesmo sentido de . Para dipolos induzidos antiparalelos (diamagnéticos), o alinhamento aumenta a energia em certas orientações, produzindo repulsão em regiões de campo forte. - Campo total efetivo:
. Se é pequeno negativo, diminui um pouco; se grande e positivo, cresce muito. - Força em campos não uniformes: uma amostra magnetizada tende a mover-se para regiões de maior
se a magnetização está no mesmo sentido do campo (atração), e para regiões de menor se magnetização for oposta (repulsão). (Observação: num campo uniforme perfeito, a força líquida é zero; só torque atua.)
Passo 7
Comparação prática e como reconhecer um material na prova ou experimento (dicas rápidas e testáveis).
- Se uma amostra é levemente repelida por um ímã forte -> provavelmente diamagnética.
- Se é levemente atraída e o efeito diminui com aquecimento -> paramagnética.
- Se é fortemente atraída, pode ficar magnetizada e manter magnetização -> ferromagnética.
- Medida direta: determinar
(por exemplo medindo relação ou a magnetização ) distingue claramente os três regimes.
Passo 8
Resumo das propriedades-chave que costumam cair em prova (o que decorar e entender)
- Diamagnéticos:
, muito fraco, induz magnetização oposta, repulsão fraca por ímãs. - Paramagnéticos:
pequeno, magnetização no mesmo sentido do campo, efeito aumenta com campo e diminui com temperatura. - Ferromagnéticos:
efetivamente muito grande e positiva, magnetização espontânea, saturação, remanência, coerção, histerese; fortes efeitos macroscópicos (íman permanente).
E lembre: usare para justificar direção e intensidade da resposta magnética.
Resposta
Diamagnéticos:
; magnetização induzida antiparalela ao campo aplicado (repulsão fraca); efeito muito pequeno (
da ordem de
a
); não retêm magnetização remanente; exemplos: cobre, ouro, água.
Paramagnéticos:
pequeno; magnetização induzida paralela ao campo (atração fraca); efeito aumenta com campo e diminui com temperatura (lei de Curie qualitativa); não retêm magnetização remanente significativa; exemplos: alumínio, platina, oxigênio.
Ferromagnéticos:
muito grande e positiva (portanto
); apresentam magnetização espontânea, saturação, remanência, coercividade e histerese; resposta macroscópica forte (ímas permanentes, núcleos magnéticos); existe temperatura de Curie acima da qual perdem ferromagnetismo; exemplos: ferro, níquel, cobalto.