(a) Quais características de um material ferromagnético o distinguem de outro paramagnético? (b) Que tipo de interação deve ocorrer no sólido para realizar o comportamento ferromagnético? (c) Uma substância deve conter ferro para ser ferromagnética? Justifique sua resposta.
(a) Materiais ferromagnéticos podem formar ímãs “permanentes”, enquanto materiais paramagnéticos não podem.
(b) Para que uma substância seja ferromagnética, os momentos magnéticos nos sítios através da rede devem interagir uns com os outros. Ou seja, os sítios devem estar fisicamente próximos e a sobreposição dos orbitais deve permitir que os sítios magnéticos individuais se acoplem, formando um momento magnético muito maior em todo o sólido. Devido a essas interações, a existência sustentada do momento magnético não requer a aplicação de um campo magnético externo.
(c) Não. Outros metais (como Co e Ni), ligas e alguns óxidos ( \mathrm{CrO}_{2} ) também são ferromagnéticos.

Passo 1

O enunciado pede para compararmos materiais ferromagnéticos e paramagnéticos, explicarmos qual interação no sólido leva ao ferromagnetismo e discutirmos se é preciso ter ferro \mathrm{Fe} para um material ser ferromagnético. O conteúdo envolve magnetismo em sólidos, magnetização espontânea e interação de troca.

Passo 2

Um material ferromagnético diferencia-se de um paramagnético pelos seguintes pontos principais:
  1. Magnetização espontânea: abaixo da temperatura de Curie T_C, o ferromagneto mantém um momento magnético líquido não nulo mesmo sem campo externo.
  2. Domínios magnéticos: os momentos atômicos alinham-se em regiões (domínios) de magnetização uniforme, reduzindo energia de dipolo.
  3. Histerese: ao variar o campo aplicado, a curva de magnetização (M vs. H) exibe laço de histerese, com remanência M_r e coerção H_c.
  4. Alta suscetibilidade e saturação: a suscetibilidade inicial é grande e a magnetização atinge um valor de saturação M_s.
    Já no paramagnetismo, a magnetização é induzida apenas em presença de campo, é pequena, linear em H e satisfaz aproximadamente a lei de Curie
\chi = \frac{C}{T}\,,
não havendo remanência nem histerese.

Passo 3

O comportamento ferromagnético requer a interação de troca quântica entre spins vizinhos. No modelo de Heisenberg, o hamiltoniano de troca é
\mathcal{H} = -2J \sum_{\langle i,j\rangle} \mathbf{S}_i \cdot \mathbf{S}_j\,,
onde J>0 favorece alinhamento paralelo de spins \mathbf{S}_i. Essa interação surge da sobreposição de orbitais e do princípio de exclusão de Pauli, reduzindo a energia total do sólido quando os momentos atômicos se alinham.

Passo 4

Não é preciso conter ferro para um material ser ferromagnético. O requisito essencial é ter elétrons desemparelhados e forte troca quântica. Por exemplo, o cobalto \mathrm{Co}, o níquel \mathrm{Ni}, algumas ligas como Alnico e certos óxidos (p. ex. \mathrm{CrO}_{2}) exibem ferromagnetismo graças à mesma interação de troca, apesar de não conterem \mathrm{Fe}.

Resposta

(a) Materiais ferromagnéticos apresentam magnetização espontânea abaixo de T_C, formação de domínios, curva de histerese com remanência e coerção, alta suscetibilidade e saturação; materiais paramagnéticos só se magnetizam em presença de campo, linearmente, sem remanência nem histerese.
(b) É necessária a interação de troca (Heisenberg exchange) com constante J>0, que alinha paralelamente os spins vizinhos, mantendo magnetização sem campo externo.
(c) Não. Basta haver elétrons desemparelhados e forte interação de troca; assim, \mathrm{Co}, \mathrm{Ni}, ligas e certos óxidos podem ser ferromagnéticos mesmo sem conter \mathrm{Fe}.

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