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Tipos de Magnetismo

No artigo anterior apresentamos alguns conceitos básicos sobre magnetismo, como os conceitos de Campo Magnético, Linhas de Fluxo, Coercividade, Pólos Magnéticos e outros. Agora, vamos falar sobre os tipos de magnetismo, do ponto de vista do comportamento dos diversos materiais que podem ou não ser magnetizados.

Existem cinco tipos básicos de magnetismo, de acordo com o comportamento magnético dos materiais em resposta a um campo magnético (dependendo da temperatura). São eles:

• Diamagnetismo
• Paramagnetismo
• Ferromagnetismo
• Ferrimagnetismo
• Antiferromagnetismo

Vamos entender cada um deles agora.

Paramagnetismo

Em muitas substâncias os átomos possuem um momento dipolo magnético. Podemos imaginar seus átomos como pequenos ímãs (dipolos magnéticos). Neste tipo de material, os momentos orbital magnético e momento de spin dos átomos estão orientados de tal forma que cada átomo possui um momento dipolo magnético permanente.

Porém, sem a presença de um campo magnético externo, esses pequenos dipolos se orientam de maneira caótica, de modo que o campo magnético resultante é zero.  E devido a fatores como a agitação térmica, a direção dos momentos magnéticos dos átomos possui orientação aleatória. Assim, o momento magnético resultante do átomo é igual a zero. 

Porém, se um desses materiais for exposto a um campo magnético externo, seus dipolos magnéticos internos tentarão se alinhar na mesma direção desse campo (norte com norte e sul com sul).
Desta forma, o material adquire um momento magnético resultante – ou seja, fica magnetizado.

O grau desse alinhamento depende de dois fatores: a intensidade do campo magnético (quanto maior o campo, mais fácil o alinhamento) e da temperatura (quanto menor a temperatura, mais fácil o alinhamento). Temperaturas mais altas causam maior agitação em nível atômico, o que amplia a aleatoriedade da orientação dos dipolos.

Se o campo magnético externo for removido, o caos retorna imediatamente aos dipolos do material, e não há magnetismo resultante – o material não se torna um ímã permanente, pois o alinhamento dos dipolos atômicos se perde devido à agitação térmica.

Materiais paramagnéticos são atraídos por um ímã, porém de forma extremamente fraca.

A seguir temos algumas das principais características de materiais paramagnéticos:

• Cada átomo no material é um dipolo magnético, que possui um momento magnético resultante.
• Quando colocada em um campo magnético externo, uma substância paramagnética é fracamente atraída e magnetizada na mesma direção do campo
• Em um campo magnético não-uniforme, esses materiais tem a tendência de se moverem da região mais fraca para a região mais forte do campo.
• Ao remover o campo magnético externo, a substância paramagnética perde seu magnetismo.
• Sua suscetibilidade magnética é bem pequena, porém positiva, e diminui com o aumento da temperatura

Exemplos de substâncias paramagnéticas: Alumínio, Platina, Tungstênio, Manganês, Cromo, Rutênio, Nióbio, Oxigênio.

Diamagnetismo

Todos os materiais, quando expostos a um campo magnético, reagem em algum grau a esse campo, gerando, em escala atômica, uma EMF (força eletromotriz) que se opõe a esse campo.

Substâncias diamagnéticas são fracamente magnetizadas quando colocadas em um campo magnético, porém em direção oposta ao campo aplicado.

Em uma substância diamagnética, os momentos orbital magnético e momento de spin estão orientados de tal forma que a soma vetorial do momento magnético do átomo é igual a zero.

Quando um material diamagnético é posicionado em um campo magnético, uma força eletromotriz induzida aumenta em cada átomo. Por conta disso, a velocidade dos elétrons que giram em uma direção aumenta, ao passo que elétrons que giram na direção oposta tem a sua velocidade reduzida.
Desta forma, o material acaba adquirindo um momento magnético resultante em uma direção oposta à do campo aplicado.

Podemos, assim, listar as seguintes características dos materiais diamagnéticos:

• Um material diamagnético é repelido por um campo magnético externo (são repelidos por um ímã)
• O momento magnético de cada átomo é igual a zero.
• Quando colocada em um campo magnético externo, uma substância diamagnética é fracamente magnetizada, porém na direção oposta à do campo.
• Em um campo magnético não-uniforme, esses materiais tem a tendência de se moverem da região mais forte para a região mais fraca do campo.
• Sua suscetibilidade magnética é negativa.
• Não possuem retentividade magnética – ao retirarmos o campo magnético externo, essas substâncias perdem seu magnetismo.

Exemplos de substâncias diamagnéticas: Cobre, Prata, Ouro, Zinco, Cádmio, Água, Bismuto, Antimônio, Mercúrio, Xenônio.

Ferromagnetismo

Uma substância ferromagnética é fortemente magnetizada quando inserida em um campo magnético, na mesma direção do campo aplicado. Além disso, esse tipo de substância tende a reter o momento magnético mesmo após a retirada do campo externo aplicado, tornado-se elas próprias ímãs.
Materiais ferromagnéticos são atraídos por um ímã, de forma muito mais intensa que os materiais paramagnéticos.

O ferromagnetismo é, na verdade, uma manifestação especial do paramagnetismo. Porém, em materiais ferromagnéticos, o momento dipolo magnético dos átomos resultante é altamente influenciado pelo momento magnético de spin.

Nos materiais ferromagnéticos, os átomos também possuem momentos dipolos magnéticos. Porém, nesses materiais os átomos se alinham em domínios magnéticos, que são regiões nas quais os dipolos magnéticos estão 100% alinhados em uma mesma direção. Essas regiões podem ter até décimos de milímetro de tamanho. Porém, esses domínios se orientam em direções aleatórias entre si no material, de modo que o efeito magnético resultante é zero.

Ao aplicarmos um campo magnético, os domínios de um material ferromagnético se alinham na direção do campo aplicado. Se o campo magnético for forte o suficiente, o material alcançará o que chamamos de Saturação Magnética, na qual todos os domínios estão alinhados na mesma direção. Neste caso, o magnetismo perdurará mesmo quando o campo magnético externo for retirado, e o material terá se transformado em um ímã permanente.

Para remover esse magnetismo permanente o material deve ser aquecido a uma temperatura suficiente (temperatura Curie) para provocar novamente desordem entre os domínios magnéticos (que continuam a existir), ou então provocar choques físicos fortes no material (por exemplo, martelando-o!).

Listamos a seguir algumas características dos materiais ferromagnéticos.

• Quando colocados em um campo magnético externo, se tornam fortemente magnetizados na mesma direção do campo.
• Não perdem o magnetismo quando o campo magnético externo aplicado é removido, se tornando ímãs permanentes.
• Se tornam paramagnéticas se aquecidas acima do ponto Curie.
• São formadas por um grande número de pequenos domínios magnéticos.
• São atraídos fortemente por campos magnéticos externos
• Sua suscetibilidade magnética é grande, e positiva.

Exemplos de substâncias diamagnéticas: Níquel, Cobalto, Ferro, Neodímio, Samário; Ou seja, os Metais de Transição e as Terras Raras (Lantanídeos).

Ferrimagnetismo

No ferrimagnetismo, os momentos magnéticos dos átomos do material se alinham de forma antiparalela (em direções opostas), porém de forma não igual, com um momento magnético resultante diferente de zero. Ou seja, temos uma orientação magnética antiparalela (acoplamento de troca negativo) entre momentos vizinhos.

Assim, uma magnetização espontânea permanece no material. Isso ocorre, geralmente, quando os conjuntos de átomos consistem em diferentes materiais ou ainda íons, como Fe²⁺ e Fe³⁺.

O ferromagnetismo é como uma espécie de combinação de ferromagnetismo com antiferromagnetismo, devido às similaridades entre suas propriedades.

Esse tipo de material encontra muitas utilidades em tecnologia, como na fabricação de discos rígidos de computadores, motores de potência e geradores de energia.

Se um material ferrimagnético for aquecido acima de seu ponto Curie, perderá sua magnetização, se comportando de forma paramagnética.

A magnetita, exemplo mais antigo conhecido de material magnético, apresenta ferrimagnetismo (e não ferromagnetismo).

Exemplos de materiais que apresentam ferrimagnetismo são as Ferrites Cerâmicas (óxidos cerâmicos) e algumas pedras como a Granadas de Ferro-Ítrio e a Pirrotita.

Uma ferrite é, no geral, um material cerâmico criado a partir do óxido de um metal de transição, isolante, com uma fórmula química geral do tipo MO.Fe₂.O₃, no qual M é um íon bivalente especial como Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ ou Fe²⁺, entre outros. Por exemplo, uma ferrite de níquel tem a fórmula NiO·Fe₂O₃.

Antiferromagnetismo

Materiais antiferromagnéticos são aqueles nos quais os momentos magnéticos dos átomos ou moléculas se alinham em direção oposta. Portanto, os momentos magnéticos são ordenados, mas de forma antiparalela.

Esse alinhamento ordenado de um material antiferromagnético desaparece a partir de uma temperatura chamada de Temperatura Néel, que recebe esse nome por conta do cientista Louis Néel, que descobriu o fenômeno. Acima da temperatura Néel, o material antiferromagnético se torna paramagnético.

O antiferromagnetismo tem um papel muito importante em um fenômeno quântico chamado de Magnetoresistência Gigante, que possui inúmeras aplicações, tais como na fabricação de discos rígidos de computadores, biosensores, sistemas microeletromecânicos (sensores MEMS), RAM magnetoresistiva (MRAM) e outros.

Exemplos de materiais antiferromagnéticos: Hematita, FeMn (Liga de Ferro-Manganês), NiO (óxido de níquel).

Na próxima lição falaremos sobre os tipos de ímãs, temporários e permanentes, com destaque para os ímãs permanentes.

Referências

• Gebreselasie, D. Electricity, Magnetism, Optics and Modern Physics 1ª Edição 2015 Ed. Bookboon
• Crowell, B. Electricity and Magnetism 2ª Edição 2002 Ed. Light and Matter
• Buschow, K.H.J.; De Boer, F.R. Physics of Magnetism and Magnetic Materials 1ª Edição 2004 Ed. Kluwer Academic Publishers

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