O que faz os ímãs atraírem objetos e por que alguns materiais são magnéticos e outros não? Este artigo explora as origens e as aplicações do magnetismo, investigando as estruturas atômicas e os diferentes tipos de materiais magnéticos. Descubra a ciência por trás do magnetismo e saiba mais sobre os vários usos dos materiais magnéticos na tecnologia moderna, desde itens domésticos cotidianos até aplicações industriais avançadas. Ao compreender esses princípios, você terá uma visão do papel fundamental que o magnetismo desempenha em nosso mundo.
Há muito tempo o magnetismo fascina as pessoas.
Há mais de 3.000 anos, os chineses descobriram ímãs naturais na natureza que podiam atrair uns aos outros ou pedaços de ferro. As pessoas usaram sua rica imaginação para comparar esse fenômeno ao cuidado amoroso de uma mãe com seu filho.
Isso foi registrado em "Lushi Chunqiu - Jiqiuji": "Pedras gentis chamam por ferro e são atraídas."
A bússola, uma das quatro grandes invenções antigas da China, é um exemplo de como os chineses antigos usavam o magnetismo.
Como sabemos, uma pedra magnética é, na verdade, minério de ferro (geralmente magnetita Fe3O4). Também sabemos que o ferro pode ser atraído e magnetizado por um ímã.
Mas por que eles têm magnetismo ou se tornam magnetizados?
Como o magnetismo é produzido?
Para explicar as propriedades macroscópicas do magnetismo nos materiais, precisamos começar com os átomos e investigar a origem do magnetismo.
"A estrutura determina as propriedades". Obviamente, o magnetismo também é determinado pela estrutura interna dos átomos materiais.
A relação entre a estrutura atômica e o magnetismo pode ser resumida da seguinte forma:
(1) A propriedade magnética de um átomo vem do spin e do movimento orbital dos elétrons.
(2) A presença de elétrons não preenchidos dentro do átomo é uma condição necessária para que o material tenha magnetismo.
(3) A "interação de troca" entre os elétrons é a razão fundamental pela qual os átomos têm magnetismo.
O magnetismo atômico é a base dos materiais magnéticos, e o magnetismo atômico vem do momento magnético do elétron.
O movimento dos elétrons é a fonte do momento magnético do elétron. Os elétrons têm tanto o movimento rotacional em torno do núcleo atômico quanto o movimento de rotação intrínseco.
Portanto, o momento magnético do elétron consiste em duas partes: momento magnético orbital e momento magnético de spin.
De acordo com a teoria da órbita atômica de Bohr, os elétrons dentro dos átomos se movem ao redor do núcleo atômico em uma determinada órbita.
O movimento dos elétrons ao longo da órbita corresponde a uma corrente circular, que produzirá um momento magnético orbital correspondente.
O plano do momento magnético orbital do elétron em um átomo pode tomar diferentes direções, mas em um campo magnético direcional, a direção da órbita do elétron só pode estar em várias direções fixas, ou seja, a direção da órbita é quantizada.
A origem do magnetismo decorre do spin da carga do elétron, que é conhecido como momento magnético do spin do elétron.
Sob a ação de um campo magnético externo, o momento magnético do spin só pode ser paralelo ou antiparalelo ao momento magnético orbital.
Em muitos materiais magnéticos, o momento magnético do spin do elétron é maior do que o momento magnético orbital do elétron.
Isso ocorre porque, em um cristal, a direção do momento magnético orbital do elétron é modificada pelo campo da rede cristalina e, portanto, ele não pode formar um momento magnético composto que se projete para fora do material, levando ao que é comumente chamado de "extinção" ou "congelamento" do momento angular orbital e do momento magnético orbital.
Portanto, o magnetismo de muitos materiais de estado sólido não decorre principalmente do momento magnético orbital do elétron, mas sim do momento magnético do spin do elétron.
É claro que também existe um momento magnético de spin nuclear, mas ele geralmente é muito menor do que o momento magnético de spin do elétron (em três ordens de magnitude), portanto, pode ser ignorado.
Em um átomo, devido ao princípio de exclusão de Pauli, não é possível que dois elétrons estejam no mesmo estado.
Apenas dois elétrons podem ser acomodados, no máximo, em uma órbita, portanto, quando uma órbita é preenchida com elétrons, seus momentos magnéticos de spin se cancelam porque eles devem ter spins opostos.
Para que o átomo forme um momento magnético externamente, deve haver uma órbita de elétrons não preenchida.
É claro que, como podemos ver nos exemplos, essa é apenas uma condição necessária. Metais como Cu, Cr, V e muitos lantanídeos têm órbitas de elétrons não preenchidas, mas não apresentam magnetismo (especificamente ferromagnetismo).
Antes de discutir a interação de troca de elétrons, vamos primeiro analisar a manifestação macroscópica do magnetismo material.
De acordo com as diferentes propriedades magnéticas mostradas em nível macroscópico pela sobreposição da ação dos momentos magnéticos atômicos, os materiais magnéticos podem ser classificados como diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, antiferromagnéticos e ferrimagnéticos.
(1) Diamagnetismo
O diamagnetismo se refere ao fato de que, quando não há campo magnético, o momento magnético dos átomos com camadas de elétrons totalmente preenchidas é igual a zero, ou o momento magnético total de algumas moléculas é zero, e não apresenta magnetismo macroscópico.
Porém, sob a ação de um campo magnético, o movimento orbital dos elétrons produzirá um movimento adicional, resultando em um momento magnético induzido oposto à direção do campo magnético externo, mas com um valor muito pequeno.
Esse fenômeno é chamado de diamagnetismo.
Os materiais diamagnéticos comuns incluem Na+, K+, Ca2+, F-, Cl, etc.
(2) Paramagnetismo
O paramagnetismo refere-se ao fato de que os átomos têm momentos magnéticos que não são completamente cancelados e, portanto, têm um momento magnético total.
No entanto, como a direção dos momentos magnéticos atômicos é caótica, os efeitos externos se cancelam mutuamente, e ele não apresenta magnetismo macroscópico.
Porém, sob a ação de um campo magnético externo, cada momento magnético atômico alinha-se mais frequentemente com a direção do campo magnético e menos frequentemente contra ele, o que pode se manifestar como magnetismo fraco em nível macroscópico. De fato, o material é magnetizado dessa forma.
Os experimentos mostram que quanto maior a temperatura, menor a magnetização dos materiais paramagnéticos. Isso ocorre porque o movimento térmico destrói a orientação regular dos momentos magnéticos atômicos.
Quanto mais alta a temperatura, maior a energia térmica dos átomos, dificultando o alinhamento dos momentos magnéticos atômicos com o campo magnético externo e, portanto, a magnetização é menor.
(3) Ferromagnetismo
O ferromagnetismo refere-se ao fenômeno no qual os átomos adjacentes podem ser alinhados ordenadamente na direção de um campo magnético externo devido a interações mútuas.
Em geral, os materiais ferromagnéticos podem atingir alta magnetização mesmo em campos magnéticos fracos; depois que o campo magnético externo é removido, eles ainda podem reter um forte magnetismo.
Por que os materiais ferromagnéticos podem ser magnetizados até a saturação mesmo em campos magnéticos fracos?
Isso ocorre porque os momentos magnéticos atômicos internos desses materiais já foram alinhados em uma determinada direção até certo ponto, sem a ação de um campo magnético externo, o que é comumente chamado de magnetização espontânea.
Essa magnetização espontânea é dividida em pequenas regiões e, em cada região, os momentos magnéticos atômicos são paralelos entre si. Essas pequenas regiões são chamadas de domínios magnéticos.
As orientações de magnetização espontânea dos vários domínios magnéticos dentro do material são diferentes entre si e cancelam os efeitos uns dos outros externamente, de modo que o material inteiro não apresenta magnetismo macroscópico.
Em outras palavras, os materiais ferromagnéticos são compostos de pequenos "ímãs" dispostos irregularmente e que não exibem magnetismo externamente sob regularidades estatísticas.
Entretanto, quando uma força externa (campo magnético externo) organiza a polaridade de cada "pequeno ímã" na mesma direção, ele exibe um forte magnetismo externamente.
A magnetização espontânea dos domínios magnéticos dentro dos materiais ferromagnéticos é uma razão importante para seu ferromagnetismo.
Isso explica por que "átomos com camadas de elétrons não preenchidas" são apenas uma condição necessária para o magnetismo material.
Em sentido estrito, o que normalmente chamamos de magnetismo deveria ser, na verdade, ferromagnetismo.
Portanto, elementos como o Mn e o Cr, embora também tenham momentos magnéticos atômicos, não têm magnetismo (ferromagnetismo) internamente.
(4) Antiferromagnetismo
O antiferromagnetismo refere-se ao fenômeno no qual, sob a ação de um campo magnético, átomos ou íons adjacentes com o mesmo spin se organizam em direções opostas, fazendo com que seus momentos magnéticos se cancelem mutuamente, tornando-os semelhantes a materiais paramagnéticos e não exibindo magnetismo.
(5) Ferrimagnetismo
O ferrimagnetismo é essencialmente um antiferromagnetismo em que os momentos magnéticos reversos em duas subestruturas não se cancelam completamente.
É semelhante ao ferromagnetismo por exibir forte magnetismo, mas diferente do ferromagnetismo por seu magnetismo vir da diferença entre dois momentos magnéticos desiguais e de direção oposta.
Atualmente, muitos ferrites (óxidos compostos de ferro e um ou mais metais) que foram estudados pertencem a materiais ferrimagnéticos.
O ferrimagnetismo e o antiferromagnetismo estão intimamente relacionados. A partir de uma estrutura antiferromagnética conhecida, ela pode ser reconfigurada por meio de substituições de elementos em um material ferrimagnético que mantém a estrutura magnética original, mas tem duas subestruturas com momentos magnéticos desiguais.
Os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos são chamados coletivamente de materiais magnéticos fortes e representam a principal direção do desenvolvimento de materiais magnéticos.
Interação A seguir, vamos ver como a interação de troca de elétrons afeta o momento magnético de spin dos elétrons e, portanto, afeta o magnetismo macroscópico dos materiais.
A interação de troca entre átomos geralmente se refere à interação eletrostática causada pela troca mútua de posições de elétrons em átomos adjacentes.
Especificamente, quando dois átomos estão próximos, além de considerar o elétron 1 movendo-se em torno do núcleo 1 e o elétron 2 movendo-se em torno do núcleo 2, já que os elétrons são indistinguíveis, também devemos considerar a possibilidade de trocar as posições dos dois elétrons, de modo que o elétron 1 pareça estar se movendo em torno do núcleo 2 e o elétron 2 pareça estar se movendo em torno do núcleo 1.
Por exemplo, em um átomo de hidrogênio, esse tipo de troca de elétrons ocorre a uma frequência de cerca de 1018 vezes por segundo. A mudança de energia causada por essa interação de troca é chamada de energia de troca, denotada como Eex.
Em geral, a energia de ligação atômica pode ser expressa como:
E=E0+E '=E0+(C+A)
Onde E0 é a energia total de cada átomo em seu estado fundamental;
C é o incremento de energia resultante da interação elétrica estática de Coulomb entre núcleos e elétrons;
A é o incremento de energia resultante da troca de elétrons, geralmente chamado de constante de energia de troca.
A depende do grau de proximidade das camadas de elétrons parcialmente preenchidas dos átomos vizinhos, e é uma energia que mede a magnitude da interação de troca.
Evidências experimentais mostram que a mudança de energia (ou seja, a energia de troca Eex) causada pela interação de troca de dois elétrons em uma molécula de hidrogênio pode ser expressa aproximadamente da seguinte forma:
Eex =ΔE=-2ASaSbcosφ
Onde Sa e Sb representam os números quânticos de spin dos dois elétrons. φ é o ângulo entre as direções dos momentos magnéticos de spin dos dois elétrons, e sua faixa de variação possível é de 0° a 180°.
Embora a equação acima seja obtida a partir da interação de troca entre átomos de hidrogênio com apenas um elétron, ela tem um significado geral para a análise qualitativa da interação de troca de átomos com vários elétrons. Uma análise mais aprofundada revela que:
(1) Quando A>0, se φ=180°, cosφ=-1, indicando que as direções dos momentos magnéticos de spin dos dois elétrons são opostas, ou seja, os momentos magnéticos de spin dos elétrons estão dispostos de forma antiparalela, e Eex(180)=+2ASaSbse φ=0°, indicando que as direções dos momentos magnéticos de spin dos dois elétrons são as mesmas, e os momentos magnéticos de spin dos elétrons estão dispostos paralelamente, Eex(0)=-2ASaSb.
Além disso, se 0°<φ<180°, então as direções de spin dos dois elétrons não são nem iguais nem opostas, mas separadas por um ângulo φ, e sua energia de troca Eex está entre os dois, ou seja, Eex(0°)<Eex<Eex(180°). De acordo com a lei básica de minimização de energia, sendo o estado mais estável, pode-se observar que a energia do sistema é minimizada somente quando φ=0°, momento em que o sistema está no estado mais estável.
Quando as direções dos momentos magnéticos de spin adjacentes dos dois elétrons são as mesmas, os momentos magnéticos de spin do elétron são necessariamente dispostos paralelamente, dando origem à magnetização espontânea e levando à existência do ferromagnetismo na matéria.
(2) Quando A < 0, somente quando φ = 180°, a energia de todo o sistema é minimizada, o que significa que a direção do spin do elétron está disposta de forma antiparalela, o que é antiferromagnetismo.
(3) Quando |A| é muito pequeno, a interação de troca entre esses dois átomos adjacentes é fraca, e a energia de troca Eex é muito pequena. Quando φ está em torno de 90o, a energia é baixa, portanto a direção do momento magnético é caótica e o material é paramagnético.
Em resumo, as propriedades específicas do magnetismo do material dependem de A, ou seja, o grau em que as camadas de elétrons não preenchidas dos átomos vizinhos estão próximas umas das outras.
Portanto, o magnetismo dos materiais é determinado pela distribuição dos elétrons nos átomos e pela estrutura cristalina do material.
As características do magnetismo fazem com que os materiais magnéticos sejam cruciais para o desenvolvimento dos setores de alta tecnologia, além de serem um importante pilar para o avanço da ciência e da tecnologia. Eles também são uma área de pesquisa altamente ativa na tecnologia moderna.
Dada a função proeminente dos materiais magnéticos na sociedade da informação atual, o nível de desenvolvimento tecnológico de um país pode ser refletido por seus materiais magnéticos, e a demanda por esse tipo de material pode ser usada para avaliar os padrões econômicos e de vida média de um país.
A seguir, descreveremos brevemente alguns materiais magnéticos comuns na vida cotidiana.
O termo "materiais magnéticos" refere-se principalmente a materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos.
Com base em sua distribuição magnética, eles podem ser divididos em materiais magnéticos duros (permanentes), materiais magnéticos semiduros e materiais magnéticos macios.
Materiais Materiais magnéticos macios referem-se a materiais que são facilmente magnetizados e desmagnetizados por corrente alternada, geralmente com propriedades ferrimagnéticas.
Eles têm algumas propriedades especiais:
(1) Por meio da magnetização do campo magnético externo, eles podem ter uma alta intensidade máxima de indução magnética;
(2) Sob a magnetização de um campo magnético externo de certa intensidade, os próprios materiais magnéticos macios podem ter uma intensidade de indução magnética maior;
(3) A resistência ao movimento do domínio magnético em materiais magnéticos macios é pequena.
Devido a essas propriedades, os materiais magnéticos macios são amplamente utilizados em comunicação, transmissão, televisão, instrumentação e tecnologia eletrônica moderna. Eles são comumente usados como núcleos para geradores e transformadores de distribuição.
Nesses campos, é necessário que os materiais magnéticos tenham uma alta sensibilidade às mudanças nos campos magnéticos externos.
Se o material for difícil de magnetizar ou se as propriedades magnéticas não forem facilmente liberadas após a magnetização, ele não poderá atender aos requisitos dessas aplicações. Os materiais ferrimagnéticos macios são ideais para essas finalidades.
Portanto, os materiais ferrimagnéticos macios estão entre os primeiros materiais magnéticos desenvolvidos, os mais diversos, os de maior rendimento e os mais amplamente utilizados.
Os materiais magnéticos rígidos, também conhecidos como ímãs permanentes, podem manter uma forte magnetização após serem magnetizados e podem fornecer um campo magnético constante a um determinado espaço por um longo período sem consumir energia elétrica.
Geralmente são materiais ferromagnéticos. Os materiais magnéticos rígidos são amplamente utilizados em motores elétricos, geradores, alto-falantes, rolamentos, fixadores e dispositivos de transmissão.
O magnetismo permanente dos materiais magnéticos rígidos é exatamente o que esses campos exigem.
Por exemplo, os motores e geradores elétricos exigem um corpo magnético com um campo magnético constante para operar, e os ímãs permanentes são ideais porque não consomem energia elétrica para manter suas propriedades magnéticas.
No entanto, devido à baixa variabilidade dos materiais magnéticos rígidos, embora eles ofereçam alta estabilidade, sua faixa de uso é limitada.
Os materiais magnéticos semiduros têm propriedades que se situam entre os materiais magnéticos macios e os materiais magnéticos duros.
Eles são caracterizados por uma intensidade de indução magnética residual estável sob campos magnéticos externos menores que um determinado valor (semelhante aos materiais magnéticos duros), mas também têm uma tendência a mudar a direção da magnetização sob campos magnéticos reversos maiores que um determinado limite, semelhante aos materiais magnéticos macios.
Portanto, os materiais magnéticos semiduros são usados como materiais dinâmicos e, com a sociedade cada vez mais inteligente, há uma demanda crescente por materiais dinâmicos, o que torna os materiais magnéticos semiduros um campo de desenvolvimento promissor.
As aplicações incluem relés, dispositivos de armazenamento semi-fixos e dispositivos de alarme.
A mídia de gravação magnética é um tipo importante de material magnético semiduro, amplamente utilizado em dispositivos de armazenamento de informações, como discos rígidos, fitas magnéticas e cartões de crédito.
Os materiais magnéticos semiduros desempenham um papel fundamental nessas aplicações devido às suas propriedades dinâmicas.
Tomando as unidades de disco rígido como exemplo, o material magnético semiduro é usado principalmente na parte do disco.
Quando o disco gira, se o cabeçote permanecer em uma posição, cada cabeçote criará uma trilha circular na superfície do disco.
Essas trilhas circulares são chamadas de trilhas, que são basicamente circuitos magnéticos com lacunas.
Durante o processo de escrita, o computador converte as informações em corrente elétrica e as envia para a bobina ao redor da cabeça.
A corrente na bobina magnetiza o cabeçote, e o campo magnético gerado pelo cabeçote magnetizado magnetiza o meio no trilho.
Como o tamanho da corrente é diferente, o campo magnético do cabeçote muda, o que, por sua vez, altera a magnetização do meio magnético e registra dados diferentes.
À medida que o cabeçote e o disco se movem, grandes quantidades de informações são gravadas no disco.
O processo de leitura é executado na direção oposta ao processo de gravação, usando o campo magnético do meio magnético para produzir uma alteração no fluxo magnético no cabeçote, gerando uma corrente variável na bobina, que serve como um sinal elétrico que pode ser usado pelo computador.
Os materiais magnéticos desempenham um papel significativo em nossa vida cotidiana, e sua importância é evidente. Acreditamos que, com uma compreensão mais profunda do magnetismo e avanços na tecnologia de materiais magnéticos, eles terão aplicações ainda mais amplas em nossas vidas.
A análise acima é relativamente geral e simples.
Entender os princípios mais profundos e como controlar as propriedades magnéticas dos materiais magnéticos para nosso uso será a direção que precisamos para continuar avançando no futuro.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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