Ferrimagnetismo - Ferrimagnetism

Ordenação ferrimagnética

Um material ferrimagnético é aquele que possui populações de átomos com momentos magnéticos opostos , como no antiferromagnetismo . Para materiais ferrimagnéticos, esses momentos são desiguais em magnitude, portanto, permanece uma magnetização espontânea . Isso pode acontecer, por exemplo, quando as populações consistem em diferentes átomos ou íons (como Fe ²⁺ e Fe ³⁺ ).

Ferrimagnetismo tem sido freqüentemente confundido com ferromagnetismo . O mais antigo conhecido substância magnética magnetite (Fe ₃ O ₄ ), foi classificada como um ferromagnete antes Louis Néel descoberto ferrimagnetismo em 1948. Desde a descoberta, numerosas utilizações têm sido encontrados para materiais ferrimagnéticos, tais como travessas de disco rígido e biomédicas aplicações.

História

Até o século XX, todas as substâncias naturalmente magnéticas eram chamadas de ferromagnetos. Em 1936, Louis Néel publicou um artigo propondo a existência de uma nova forma de magnetismo cooperativo que ele chamou de antiferromagnetismo. Enquanto trabalhava com o Mn ₂ Sb, o físico francês Charles Guillaud descobriu que as teorias atuais sobre magnetismo não eram adequadas para explicar o comportamento do material e fez um modelo para explicar o comportamento. Em 1948, Néel publicou um artigo sobre um terceiro tipo de magnetismo cooperativo, baseado nos pressupostos do modelo de Guillaud. Ele o chamou de ferrimagnetismo. Em 1970, Néels foi premiado por seu trabalho em magnetismo com o Prêmio Nobel de Física .

Origem física

➀ Abaixo do ponto de compensação de magnetização, o material ferrimagnético é magnético. ➁ No ponto de compensação, os componentes magnéticos se cancelam e o momento magnético total é zero. ➂ Acima da temperatura de Curie , o material perde magnetismo.

O ferrimagnetismo tem as mesmas origens físicas do ferromagnetismo e do antiferromagnetismo . Em materiais ferrimagnéticos, a magnetização também é causada por uma combinação de interações dipolo-dipolo e interações de troca resultantes do princípio de exclusão de Pauli . A principal diferença é que em materiais ferrimagnéticos existem diferentes tipos de átomos na célula unitária do material . Um exemplo disso pode ser visto na figura à direita. Aqui, os átomos com um momento magnético menor apontam na direção oposta dos momentos maiores. Este arranjo é semelhante ao presente em materiais antiferromagnéticos, mas em materiais ferrimagnéticos o momento líquido é diferente de zero porque os momentos opostos diferem em magnitude.

Os ferriímãs têm uma temperatura crítica acima da qual se tornam paramagnéticos, assim como os ferromagnetos. Nessa temperatura (chamada de temperatura de Curie ), há uma transição de fase de segunda ordem e o sistema não pode mais manter uma magnetização espontânea. Isso ocorre porque em temperaturas mais altas o movimento térmico é forte o suficiente para exceder a tendência dos dipolos para se alinharem.

Derivação

Existem várias maneiras de descrever ferriímãs, a mais simples das quais é com a teoria do campo médio . Na teoria do campo médio, o campo que atua sobre os átomos pode ser escrito como:

${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} = {\ overrightarrow {H}} _ {0} + {\ overrightarrow {H}} _ {m}}$

Onde está o campo magnético aplicado e é o campo causado pelas interações entre os átomos. A seguinte suposição é:${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {0}}$${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {m}}$${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {m} = \ gamma {\ overrightarrow {M}}}$

Aqui está a magnetização média da rede e é o coeficiente de campo molecular. Quando permitimos e somos dependentes da posição e orientação, podemos escrever na forma: ${\ textstyle {\ overrightarrow {M}}}$${\ displaystyle \ gamma}$${\ textstyle {\ overrightarrow {M}}}$${\ displaystyle \ gamma}$

${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {i} = {\ overrightarrow {H}} _ {0} + \ sum _ {k = 1} ^ {n} \ gamma _ {ik} {\ overrightarrow {M }} _ {k}}$

Aqui está o campo atuando na i- ^ésima subestrutura e é o coeficiente de campo molecular entre a i- ^ésima e k- ^ésima subestrutura. Para uma rede diatômica, podemos designar dois tipos de sítios, A e B. Podemos designar o número de íons magnéticos por unidade de volume, a fração dos íons magnéticos nos sítios A e a fração nos sítios B. Isso então dá: ${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {i}}$${\ displaystyle \ gamma _ {ik}}$${\ displaystyle N}$${\ displaystyle \ lambda}$${\ textstyle \ mu = 1- \ lambda}$

${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {aa} = \ gamma _ {aa} {\ overrightarrow {M}}; {\ overrightarrow {H}} _ {ab} = \ gamma _ {ab} {\ overrightarrow {M}} _ {b}; {\ overrightarrow {H}} _ {ba} = \ gamma _ {ba} {\ overrightarrow {M}} _ {a}; {\ overrightarrow {H}} _ {bb} = \ gamma _ {bb} {\ overrightarrow {M}} _ {b}}$

Pode-se mostrar isso e aquilo , a menos que as estruturas sejam idênticas. favorece um alinhamento paralelo de e , enquanto favorece um alinhamento antiparalelo. Para ferriímãs,, portanto, será conveniente tomar como uma quantidade positiva e escrever o sinal de menos explicitamente na frente dela. Para os campos totais em A e B, isso dá: ${\ displaystyle \ gamma _ {ab} = \ gamma _ {ba}}$${\ displaystyle \ gamma _ {aa} \ neq \ gamma _ {bb}}$${\ displaystyle \ gamma _ {ab}> 0}$${\ displaystyle {\ overrightarrow {M}} _ {a}}$${\ displaystyle {\ overrightarrow {M}} _ {b}}$${\ displaystyle \ gamma _ {ab} <0}$${\ displaystyle \ gamma _ {ab} <0}$${\ displaystyle \ gamma _ {ab}}$

${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {a} = {\ overrightarrow {H}} _ {0} + \ gamma _ {aa} {\ overrightarrow {M}} _ {a} - \ gamma _ {ab } {\ overrightarrow {M}} _ {b}}$

${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {b} = {\ overrightarrow {H}} _ {0} + \ gamma _ {bb} {\ overrightarrow {M}} _ {b} - \ gamma _ {ab } {\ overrightarrow {M}} _ {a}}$

Além disso, iremos introduzir os parâmetros e que fornecem a razão entre as intensidades das interações. Por fim, apresentaremos as magnetizações reduzidas: ${\ displaystyle \ alpha = {\ frac {\ gamma _ {aa}} {\ gamma _ {ab}}}}$${\ displaystyle \ beta = {\ frac {\ gamma _ {bb}} {\ gamma _ {ab}}}}$

${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ sigma}} _ {a} = {\ overrightarrow {M}} _ {a} / \ lambda Ng \ mu _ {B} S_ {a}}$

${\ displaystyle {\ overrightarrow {\ sigma}} _ {b} = {\ overrightarrow {M}} _ {b} / \ mu Ng \ mu _ {B} S_ {b}}$

com a rotação do i ^ésimo elemento. Isso então dá para os campos: ${\ displaystyle S_ {i}}$

${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {a} = {\ overrightarrow {H}} _ {0} + Ng \ mu _ {B} S_ {a} \ gamma _ {ab} (\ lambda \ alpha { \ overrightarrow {\ sigma}} _ {a} - \ mu {\ overrightarrow {\ sigma}} _ {b})}$ ${\ displaystyle {\ overrightarrow {H}} _ {b} = {\ overrightarrow {H}} _ {0} + Ng \ mu _ {B} S_ {b} \ gamma _ {ab} (- \ lambda {\ overrightarrow {\ sigma}} _ {a} + \ mu \ beta {\ overrightarrow {\ sigma}} _ {b})}$

As soluções para essas equações (omitidas aqui) são dadas por

${\ displaystyle \ sigma _ {a} = B_ {S_ {a}} (g \ mu _ {b} S_ {a} H_ {a} / k_ {B} T)}$

${\ displaystyle \ sigma _ {b} = B_ {S_ {b}} (g \ mu _ {b} S_ {b} H_ {b} / k_ {B} T)}$

onde está a função Brillouin . O caso mais simples de resolver agora é . Desde então . Isso então dá o seguinte par de equações: ${\ displaystyle B_ {J} (x)}$${\ displaystyle S_ {a} = S_ {b} = {\ frac {1} {2}}}$${\ displaystyle B _ {\ frac {1} {2}} (x) = \ tanh (x)}$

${\ displaystyle \ lambda \ sigma _ {a} = {\ frac {\ tau F (\ lambda, \ alpha, \ beta)} {\ alpha \ beta -1}} (\ beta \ tanh ^ {- 1} \ sigma _ {a} + \ tanh ^ {- 1} \ sigma _ {b})}$

${\ displaystyle \ mu \ sigma _ {b} = {\ frac {\ tau F (\ lambda, \ alpha, \ beta)} {\ alpha \ beta -1}} (\ tanh ^ {- 1} \ sigma _ {a} + \ alpha \ tanh ^ {- 1} \ sigma _ {b})}$

com e . Essas equações não têm uma solução analítica conhecida, portanto, devem ser resolvidas numericamente para encontrar a dependência de temperatura . ${\ displaystyle \ tau = T / T_ {c}}$${\ displaystyle F (\ lambda, \ alpha, \ beta) = {\ frac {1} {2}} (\ lambda \ alpha + \ mu \ beta + {\ sqrt {(\ lambda \ alpha - \ mu \ beta ) ^ {2} +4 \ lambda \ mu}})}$${\ displaystyle \ mu}$

Efeitos da temperatura

Ao contrário do ferromagnetismo, as formas das curvas de magnetização do ferrimagnetismo podem assumir muitas formas diferentes, dependendo da força das interações e da abundância relativa de átomos. Os exemplos mais notáveis ​​desta propriedade são que a direção da magnetização pode reverter enquanto aquece um material ferrimagnético de zero absoluto para sua temperatura crítica, e que a força de magnetização pode aumentar enquanto aquece um material ferrimagnético para a temperatura crítica, ambos os quais não podem ocorrer para materiais ferromagnéticos. Essas dependências de temperatura também foram observadas experimentalmente em NiFe _2/5 Cr _8/5 O ₄ e Li _1/2 Fe _5/4 Ce _5/4 O ₄ .

Uma temperatura mais baixa do que a temperatura de Curie , mas na qual os momentos magnéticos opostos são iguais (resultando em um momento magnético líquido de zero) é chamada de ponto de compensação de magnetização. Este ponto de compensação é facilmente observado em granadas e ligas de metais de transição de terras raras (RE-TM). Além disso, os ferriímãs também podem ter um ponto de compensação do momento angular , no qual o momento angular líquido desaparece. Este ponto de compensação é um ponto crucial para obter reversão de magnetização de alta velocidade em dispositivos de memória magnética.

Efeito de campos externos

Modelo teórico de magnetização m contra campo magnético h . Começando na origem, a curva ascendente é a curva de magnetização inicial . A curva descendente após a saturação, junto com a curva de retorno inferior, formam o loop principal . As interceptações h _c e m _rs são a coercividade e a remanência de saturação .

Quando os ferriímãs são expostos a um campo magnético externo, eles exibem o que é chamado de histerese magnética , em que o comportamento magnético depende da história do ímã. Eles também exibem uma magnetização de saturação ; essa magnetização é alcançada quando o campo externo é forte o suficiente para fazer todos os momentos se alinharem na mesma direção. Quando este ponto é alcançado, a magnetização não pode aumentar, pois não há mais momentos para alinhar. Quando o campo externo é removido, a magnetização do ferriímã não desaparecerá, mas uma magnetização diferente de zero permanecerá. Este efeito é freqüentemente usado em aplicações de ímãs. Se um campo externo na direção oposta for aplicado subsequentemente, o ímã se desmagnetizará ainda mais até que finalmente alcance a magnetização de . Esse comportamento resulta no que é chamado de ciclo de histerese . ${\ displaystyle M_ {rs}}$${\ displaystyle -M_ {rs}}$

Propriedades e usos

Os materiais ferrimagnéticos têm alta resistividade e propriedades anisotrópicas . A anisotropia é realmente induzida por um campo externo aplicado. Quando este campo aplicado se alinha com os dipolos magnéticos, ele causa um momento de dipolo magnético líquido e faz com que os dipolos magnéticos precessem a uma frequência controlada pelo campo aplicado, chamada de Larmor ou frequência de precessão . Como um exemplo particular, um sinal de microondas polarizado circularmente na mesma direção que esta precessão interage fortemente com os momentos dipolo magnéticos ; quando está polarizado na direção oposta, a interação é muito baixa. Quando a interação é forte, o sinal de microondas pode passar pelo material. Esta propriedade direcional é usada na construção de dispositivos de micro-ondas, como isoladores , circuladores e giradores . Materiais ferrimagnéticos também são usados ​​para produzir isoladores ópticos e circuladores . Minerais ferrimagnéticos em vários tipos de rochas são usados ​​para estudar propriedades geomagnéticas antigas da Terra e de outros planetas. Esse campo de estudo é conhecido como paleomagnetismo . Além disso, foi demonstrado que ferriímãs como a magnetita podem ser usados ​​para armazenamento de energia térmica .

Exemplos

O mais antigo material magnético conhecido, a magnetita , é uma substância ferrimagnética. Os sítios tetraédricos e octaédricos de sua estrutura cristalina exibem spin opostas. Outros materiais ferrimagnéticos conhecidos incluem granada ítrio-ferro (YIG); ferritas cúbicas compostas de óxidos de ferro com outros elementos como alumínio , cobalto , níquel , manganês e zinco ; e ferritas hexagonais, como PbFe ₁₂ O ₁₉ e BaFe ₁₂ O ₁₉ e pirrotita , Fe _{1 − x} S.

O ferrimagnetismo também pode ocorrer em ímãs de uma única molécula . Um exemplo clássico é uma molécula de manganês dodecanuclear com um spin S = 10 eficaz derivado da interação antiferromagnética em centros de metal Mn (IV) com centros de metal Mn (III) e Mn (II).

Veja também

• Energia de anisotropia
• Magnetização orbital

Referências

links externos

• Mídia relacionada ao ferrimagnetismo no Wikimedia Commons