O magnetismo há muito fascina as pessoas.
Há mais de 3.000 anos, os chineses descobriram na natureza ímãs naturais 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 por seu filho.
Isto foi registrado em “Lushi Chunqiu – Jiqiuji”: “Pedras gentis pedem ferro e são atraídas”.
A bússola, uma das quatro grandes invenções antigas da China, é um exemplo de como os antigos chineses faziam uso do magnetismo.
Como sabemos, uma pedra magnética é na verdade minério de ferro (geralmente magnetita Fe3O4). Sabemos também que o ferro pode ser atraído e magnetizado por um íman.
Mas por que eles têm magnetismo ou ficam 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.
1. A origem do magnetismo
“A estrutura determina as propriedades”. É claro que o magnetismo também é determinado pela estrutura interna dos átomos materiais.
A relação entre estrutura atômica e 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 vazios dentro do átomo é uma condição necessária para que o material tenha magnetismo.
(3) A “interação de troca” entre elétrons é a razão fundamental pela qual os átomos têm magnetismo.
1. Geração de Momento Magnético Eletrônico
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 movimento rotacional em torno do núcleo atômico e movimento de spin intrínseco.
Portanto, o momento magnético eletrônico 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 de spin só pode ser paralelo ou antiparalelo ao momento magnético orbital.
Em muitos materiais magnéticos, o momento magnético de spin do elétron é maior 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 referido como “extinção” ou “congelamento” do momento angular orbital e do momento magnético orbital.
Portanto, o magnetismo de muitos materiais no estado sólido não surge 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 geralmente é muito menor que o momento magnético de spin do elétron (em três ordens de grandeza), portanto pode ser ignorado.
2. Momento Magnético Atômico
Num 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 serão cancelados porque eles devem ter spins opostos.
Para fazer o átomo formar um momento magnético externamente, deve haver uma órbita de elétrons vazia.
Claro, como podemos ver nos exemplos, esta é apenas uma condição necessária. Metais como Cu, Cr, V e muitos lantanídeos têm órbitas de elétrons vazias, mas não apresentam magnetismo (especificamente ferromagnetismo).
3. Classificação do Magnetismo
Antes de discutir a interação de troca de elétrons, vejamos primeiro a manifestação macroscópica do magnetismo material.
De acordo com as diferentes propriedades magnéticas apresentadas 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
Diamagnetismo refere-se ao fato de que quando não há campo magnético, o momento magnético dos átomos com camadas eletrônicas totalmente preenchidas é igual a zero, ou o momento magnético total de algumas moléculas é zero, e não exibe magnetismo macroscópico.
Mas sob a acção de um campo magnético, o movimento orbital dos electrões produzirá um movimento adicional, resultando num momento magnético induzido oposto à direcção do campo magnético externo, mas com um valor muito pequeno.
Este fenômeno é chamado de diamagnetismo.
Materiais diamagnéticos comuns incluem Na+, K+, Ca2+, F-, Cl, etc.
(2) Paramagnetismo
Paramagnetismo refere-se ao fato de que os átomos possuem momentos magnéticos que não são completamente anulados e, portanto, possuem um momento magnético total.
Porém, como a direção dos momentos magnéticos atômicos é caótica, os efeitos externos se cancelam e não exibem magnetismo macroscópico.
Mas sob a ação de um campo magnético externo, cada momento magnético atômico é alinhado mais frequentemente com a direção do campo magnético e menos frequentemente contra ele, o que pode se manifestar como magnetismo fraco no nível macroscópico. Na verdade, o material é magnetizado desta forma.
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 maior 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
Ferromagnetismo refere-se ao fenômeno no qual átomos adjacentes podem ser alinhados ordenadamente na direção de um campo magnético externo devido a interações mútuas.
Geralmente, os materiais ferromagnéticos podem atingir alta magnetização mesmo em campos magnéticos fracos; depois que o campo magnético externo é removido, eles ainda podem reter 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 dentro de 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 anulam os efeitos uns dos outros externamente, de modo que todo o material não exibe magnetismo macroscópico.
Em outras palavras, os materiais ferromagnéticos são compostos de pequenos “ímãs” dispostos irregularmente e não apresentam magnetismo externamente sob regularidades estatísticas.
No entanto, quando uma força externa (campo magnético externo) organiza a polaridade de cada “pequeno ímã” na mesma direção, ele exibe forte magnetismo externamente.
A magnetização espontânea dos domínios magnéticos dentro dos materiais ferromagnéticos é uma razão importante para o seu ferromagnetismo.
Isto explica por que “átomos com camadas de elétrons vazias” são apenas uma condição necessária para o magnetismo material.
Em sentido estrito, o que normalmente chamamos de magnetismo deveria na verdade ser ferromagnetismo.
Portanto, elementos como Mn e Cr, embora também possuam momentos magnéticos atômicos, não possuem magnetismo (ferromagnetismo) internamente.
(4) Antiferromagnetismo
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 anulem, tornando-os semelhantes a materiais paramagnéticos e não exibindo magnetismo. .
(5) Ferrimagnetismo
O ferrimagnetismo é essencialmente antiferromagnetismo onde os momentos magnéticos reversos em duas sub-redes não se cancelam completamente.
É semelhante ao ferromagnetismo porque exibe forte magnetismo, mas diferente do ferromagnetismo porque seu magnetismo vem da diferença entre dois momentos magnéticos de direções opostas e desiguais.
Atualmente, muitas ferritas (óxidos compostos de ferro e um ou mais metais) que têm sido estudadas pertencem a materiais ferrimagnéticos.
O ferrimagnetismo e o antiferromagnetismo estão intimamente relacionados. Partindo de uma estrutura antiferromagnética conhecida, ela pode ser reconfigurada através de substituições de elementos em um material ferrimagnético que mantém a estrutura magnética original, mas possui duas sub-redes com momentos magnéticos desiguais.
Os materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos são coletivamente chamados de materiais magnéticos fortes e representam a principal direção de desenvolvimento de materiais magnéticos.
4. Troca
Interação A seguir, vamos dar uma olhada em 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 considerarmos o elétron 1 movendo-se em torno do núcleo 1 e o elétron 2 movendo-se em torno do núcleo 2, uma vez que os elétrons são indistinguíveis, devemos também considerar a possibilidade de troca de posições dos dois elétrons, de modo que o elétron 1 parece estar se movendo em torno do núcleo 2, e o elétron 2 parece estar se movendo em torno do núcleo 1.
Por exemplo, num átomo de hidrogénio, este tipo de troca de electrões ocorre a uma frequência de cerca de 1018 vezes por segundo. A mudança de energia causada por esta 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 no 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 referido como constante de energia de troca.
A depende do grau de proximidade das camadas eletrônicas 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, 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 está aa 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 possível faixa de variação 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 multieletrônicos. 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 são dispostos antiparalelos, e Eex(180)=+2ASaSb; se 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 sim separadas por um ângulo φ, e sua energia de troca Eex fica entre os dois, ou seja, Eex(0°)
Quando as direções dos momentos magnéticos de spin adjacentes dos dois elétrons são iguais, os momentos magnéticos de spin do elétron são necessariamente dispostos em paralelo, dando origem à magnetização espontânea e levando à existência de 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 é organizada de forma antiparalela, o que é antiferromagnetismo.
(3) Quando A é muito pequena, a interação de troca entre esses dois átomos adjacentes é fraca e a energia de troca Eex é muito pequeno. Quando φ está em torno de 90o, a energia é baixa, então a direção do momento magnético é caótica e o material é paramagnético.
Em resumo, as propriedades específicas do magnetismo material dependem de A, isto é, do grau em que as camadas eletrônicas 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 tornam os materiais magnéticos cruciais para o desenvolvimento das indústrias de alta tecnologia e são um pilar importante para o avanço da ciência e da tecnologia. Eles também são uma área de pesquisa altamente ativa em tecnologia moderna.
Dado o papel proeminente dos materiais magnéticos na sociedade da informação actual, o nível de desenvolvimento tecnológico de um país pode ser reflectido pelos seus materiais magnéticos, e a procura deste tipo de material pode ser usada para avaliar os padrões de vida económicos e médios de um país.
A seguir, descreveremos brevemente alguns materiais magnéticos comuns na vida cotidiana.
2. Aplicações de materiais magnéticos comuns
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.
(1) Magnético Suave
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) Através 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 uma certa intensidade, os próprios materiais magnéticos macios podem ter uma intensidade de indução magnética mais alta;
(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, radiodifusão, televisão, instrumentação e tecnologia eletrônica moderna. Eles são comumente usados como núcleos para geradores e transformadores de distribuição.
Nestes 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. Materiais ferrimagnéticos macios são ideais para esses fins.
Portanto, os materiais ferrimagnéticos macios estão entre os materiais magnéticos mais antigos desenvolvidos, mais diversos, de maior rendimento e mais amplamente utilizados.
(2) Materiais Magnéticos Duros
Materiais magnéticos duros, também conhecidos como ímãs permanentes, podem manter forte magnetização após serem magnetizados e podem fornecer um campo magnético constante a um determinado espaço por um longo tempo sem consumir energia elétrica.
Geralmente são materiais ferromagnéticos. Materiais magnéticos duros são amplamente utilizados em motores elétricos, geradores, alto-falantes, rolamentos, fixadores e dispositivos de transmissão.
O magnetismo permanente de materiais magnéticos duros é precisamente o que estes campos exigem.
Por exemplo, motores e geradores elétricos requerem um corpo magnético com campo magnético constante para funcionar, 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 duros, embora ofereçam alta estabilidade, sua gama de utilização é limitada.
(3) Materiais Magnéticos Semi-Duros
Os materiais magnéticos semiduros têm propriedades que ficam 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 certo valor (semelhante a materiais magnéticos duros), mas também têm uma tendência a mudar sua direção de magnetização sob campos magnéticos reversos maiores que um certo limite, semelhante a materiais magnéticos macios.
Portanto, materiais magnéticos semiduros são utilizados como materiais dinâmicos e, com a sociedade cada vez mais inteligente, há uma demanda crescente por materiais dinâmicos, tornando os materiais magnéticos semiduros um campo promissor de desenvolvimento.
As aplicações incluem relés, dispositivos de armazenamento semifixos 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 vital nessas aplicações devido às suas propriedades dinâmicas.
Tomando como exemplo as unidades de disco rígido, o material magnético semiduro é usado principalmente na parte do disco.
Quando o disco gira, se a cabeça permanecer na mesma posição, cada cabeça 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 a informação em corrente elétrica e a envia para a bobina ao redor da cabeça.
A corrente na bobina magnetiza a cabeça e o campo magnético gerado pela cabeça magnetizada magnetiza o meio na pista.
Como o tamanho da corrente é diferente, o campo magnético da cabeça muda, o que por sua vez altera a magnetização do meio magnético e registra dados diferentes.
À medida que a cabeça e o disco se movem, grandes quantidades de informações são gravadas no disco.
O processo de leitura ocorre na direção oposta ao processo de gravação, utilizando o campo magnético do meio magnético para produzir uma mudança no fluxo magnético na cabeça, gerando corrente variável na bobina, que serve como um sinal elétrico que pode ser usado por o computador.
Os materiais magnéticos desempenham um papel significativo em nossas vidas diárias e sua importância é evidente. Acreditamos que com uma compreensão mais profunda do magnetismo e avanços na tecnologia de materiais magnéticos, ele terá aplicações ainda mais amplas nas nossas vidas.
A análise acima é relativamente geral e simples.
Compreender 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.
