[Magnetismo na matéria] Explique as principais diferenças entre materiais diamagéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos e ferrimagnéticos com base em suas propriedades microscópicas e macroscópicas. Em sua resposta, inclua:
- O comportamento dos dipolos magnéticos em presença e ausência de campo externo;
- A relação entre a suscetibilidade magnética
e o tipo de material;
- Exemplos típicos de cada classe de material;
- Aplicações tecnológicas relevantes para ao menos dois desses tipos.
Passo 1
O enunciado pede para distinguir quatro classes de materiais magnéticos (diamagéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos e ferrimagnéticos) segundo seu comportamento microscópico (como os dipolos atômicos reagem à presença/ausência de campo) e macroscópico (suscetibilidade magnética
), além de dar exemplos típicos e citar aplicações tecnológicas. Macroscopicamente, a magnetização
do material relaciona-se ao campo aplicado
por
Passo 2
Materiais diamagnéticos
Microscopicamente não possuem momentos magnéticos permanentes: em cada átomo o emparelhamento de elétrons faz com que não haja dipolo estável. Quando aplicamos , surgem correntes induzidas (efeito de Lenz) que geram dipolos opostos a
. Em ausência de campo, os dipolos induzidos se anulam e não há magnetização residual.
Macroscopicamente apresentam suscetibilidade negativa e muito pequena, (tipicamente da ordem de
).
Exemplos típicos: grafite, cobre, ouro, água.
Microscopicamente não possuem momentos magnéticos permanentes: em cada átomo o emparelhamento de elétrons faz com que não haja dipolo estável. Quando aplicamos
Macroscopicamente apresentam suscetibilidade negativa e muito pequena,
Exemplos típicos: grafite, cobre, ouro, água.
Passo 3
Materiais paramagnéticos
Microscopicamente têm momentos magnéticos permanentes vindos de elétrons desemparelhados, mas sem interação forte entre si. Em ausência de campo, a agitação térmica mantém os dipolos orientados aleatoriamente, dando magnetização nula. Sob , há alinhamento parcial dos dipolos no sentido do campo.
Macroscopicamente apresentam suscetibilidade positiva e pequena, (ordem de
a
), e dependem da temperatura segundo a lei de Curie:
Microscopicamente têm momentos magnéticos permanentes vindos de elétrons desemparelhados, mas sem interação forte entre si. Em ausência de campo, a agitação térmica mantém os dipolos orientados aleatoriamente, dando magnetização nula. Sob
Macroscopicamente apresentam suscetibilidade positiva e pequena,
onde
é a constante de Curie e
a temperatura absoluta.
Exemplos típicos: alumínio, platina, oxigênio gasoso.
Exemplos típicos: alumínio, platina, oxigênio gasoso.
Passo 4
Materiais ferromagnéticos
Microscopicamente, elétrons desemparelhados em átomos vizinhos interagem via energia de troca, fazendo com que seus momentos se alinhem espontaneamente em regiões chamadas domínios magnéticos. Em ausência de campo externo ainda existe magnetização remanescente devido à ordem desses domínios. Sob , domínios a favor do campo crescem, até ocorrer saturação. Quando
varia, há histerese (laço de magnetização).
Macroscopicamente têm suscetibilidade positiva muito grande e não linear: , saturam em altos
e exibem coercitividade e remanência.
Exemplos típicos: ferro, níquel, cobalto e suas ligas.
Aplicações tecnológicas: fabricação de ímãs permanentes (alto-falantes, motores elétricos), núcleos de transformadores e bobinas de corrente contínua, dispositivos de armazenamento magnético.
Microscopicamente, elétrons desemparelhados em átomos vizinhos interagem via energia de troca, fazendo com que seus momentos se alinhem espontaneamente em regiões chamadas domínios magnéticos. Em ausência de campo externo ainda existe magnetização remanescente devido à ordem desses domínios. Sob
Macroscopicamente têm suscetibilidade positiva muito grande e não linear:
Exemplos típicos: ferro, níquel, cobalto e suas ligas.
Aplicações tecnológicas: fabricação de ímãs permanentes (alto-falantes, motores elétricos), núcleos de transformadores e bobinas de corrente contínua, dispositivos de armazenamento magnético.
Passo 5
Materiais ferrimagnéticos
Microscopicamente parecem ferromagnéticos, mas têm sub-redes diferentes de átomos cujos dipolos se alinham em sentidos opostos (antiparalelos) com magnitudes distintas, resultando em magnetização espontânea não nula. Também formam domínios e apresentam histerese.
Macroscopicamente exibem moderada a alta, saturação e comportamento de histerese semelhante ao ferromagnético, porém com tamanhos de coercitividade e remanência variáveis.
Exemplos típicos: magnetita ( ), ferritas de M-feita (Fe-Zn, Mn-Zn).
Aplicações tecnológicas: núcleos de indutores e transformadores em alta frequência, isoladores magnéticos em eletrônica de potência, cabeças de leitura de fita magnética e sensores de posição.
Microscopicamente parecem ferromagnéticos, mas têm sub-redes diferentes de átomos cujos dipolos se alinham em sentidos opostos (antiparalelos) com magnitudes distintas, resultando em magnetização espontânea não nula. Também formam domínios e apresentam histerese.
Macroscopicamente exibem
Exemplos típicos: magnetita (
Aplicações tecnológicas: núcleos de indutores e transformadores em alta frequência, isoladores magnéticos em eletrônica de potência, cabeças de leitura de fita magnética e sensores de posição.
Resposta
Diamagnéticos:
muito pequeno; dipolos induzidos se opõem a
, sem magnetização residual; ex.: cobre, água.
Paramagnéticos: pequeno (
); dipolos permanentes alinham-se parcialmente em
; ex.: alumínio, oxigênio.
Ferromagnéticos: não linear, histerese e remanência; domínios alinhados espontaneamente; ex.: Fe, Ni, Co; aplic.: ímãs permanentes, transformadores.
Ferrimagnéticos: moderada, histerese e remanência; sub-redes antiparalelas com momentos diferentes; ex.:
, ferritas; aplic.: núcleos de alta frequência, sensores.
Paramagnéticos:
Ferromagnéticos:
Ferrimagnéticos: