Ferromagnetismo - Ferromagnetism

Um ímã feito de alnico , uma liga de ferro ferromagnética, com seu protetor .

Ferromagnetismo é o mecanismo básico pelo qual certos materiais (como o ferro ) formam ímãs permanentes ou são atraídos por ímãs . Na física , vários tipos diferentes de magnetismo são distinguidos. Ferromagnetismo (junto com o ferrimagnetismo de efeito semelhante ) é o tipo mais forte e é responsável pelo fenômeno comum de magnetismo em ímãs encontrados na vida cotidiana . As substâncias respondem fracamente a campos magnéticos com três outros tipos de magnetismo - paramagnetismo , diamagnetismo e antiferromagnetismo - mas as forças são geralmente tão fracas que só podem ser detectadas por instrumentos sensíveis em um laboratório. Um exemplo comum de ferromagnetismo é um ímã de geladeira usado para segurar notas na porta de uma geladeira. A atração entre um ímã e o material ferromagnético é "a qualidade do magnetismo primeiro aparente para o mundo antigo e para nós hoje".

Os ímãs permanentes (materiais que podem ser magnetizados por um campo magnético externo e permanecem magnetizados após a remoção do campo externo) são ferromagnéticos ou ferrimagnéticos, assim como os materiais que são visivelmente atraídos por eles. Apenas algumas substâncias são ferromagnéticas. Os mais comuns são ferro , cobalto , níquel e a maioria de suas ligas, além de alguns compostos de metais de terras raras . Ferromagnetismo é muito importante na indústria e na tecnologia moderna, e é a base para muitos dispositivos elétricos e eletromecânicos, como eletroímãs , motores elétricos , geradores , transformadores e armazenamento magnético , como gravadores e discos rígidos , e testes não destrutivos de materiais ferrosos.

Os materiais ferromagnéticos podem ser divididos em materiais magneticamente "macios" como o ferro recozido , que pode ser magnetizado, mas não tende a permanecer magnetizado, e materiais magneticamente "duros", que ficam. Os ímãs permanentes são feitos de materiais ferromagnéticos "duros", como o alnico , e materiais ferrimagnéticos, como a ferrita, que são submetidos a um processamento especial em um campo magnético forte durante a fabricação para alinhar sua estrutura microcristalina interna , tornando-os muito difíceis de desmagnetizar. Para desmagnetizar um ímã saturado, um determinado campo magnético deve ser aplicado, e este limite depende da coercividade do respectivo material. Materiais "duros" têm alta coercividade, enquanto materiais "moles" têm baixa coercividade. A força total de um ímã é medida por seu momento magnético ou, alternativamente, pelo fluxo magnético total que ele produz. A força local do magnetismo em um material é medida por sua magnetização .

História e distinção do ferrimagnetismo

Material ferromagnético: todos os dipolos magnéticos moleculares são apontados na mesma direção
Material ferrimagnético: alguns dos dipolos apontam na direção oposta, mas sua menor contribuição é superada pelos demais

Historicamente, o termo ferromagnetismo era usado para qualquer material que pudesse exibir magnetização espontânea : um momento magnético líquido na ausência de um campo magnético externo; isto é, qualquer material que possa se tornar um ímã . Esta definição geral ainda é de uso comum.

No entanto, em um artigo de referência em 1948, Louis Néel mostrou que existem dois níveis de alinhamento magnético que resultam nesse comportamento. Um é o ferromagnetismo em sentido estrito, onde todos os momentos magnéticos estão alinhados. O outro é o ferrimagnetismo , onde alguns momentos magnéticos apontam na direção oposta, mas têm uma contribuição menor, então ainda há uma magnetização espontânea.

No caso especial em que os momentos opostos se equilibram completamente, o alinhamento é conhecido como antiferromagnetismo . Portanto, os antiferromagnetos não têm magnetização espontânea.

Materiais ferromagnéticos

Temperaturas de Curie para alguns materiais ferromagnéticos cristalinos
Material Curie
temp. (K)
Co 1388
Fe 1043
Fe 2 O 3 948
FeOFe 2 O 3 858
NiOFe 2 O 3 858
Cu OFe 2 O 3 728
MgOFe 2 O 3 713
Mn Bi 630
Ni 627
Nd 2 Fe 14 B 593
Mn Sb 587
MnOFe 2 O 3 573
Y 3 Fe 5 O 12 560
CrO 2 386
Mn As 318
D'us 292
Tb 219
Dy 88
Eu O 69

Ferromagnetismo é uma propriedade incomum que ocorre em apenas algumas substâncias. Os mais comuns são os metais de transição ferro , níquel , cobalto e suas ligas, e ligas de metais de terras raras . É uma propriedade não apenas da composição química de um material, mas de sua estrutura e microestrutura cristalina. Existem ligas metálicas ferromagnéticas cujos constituintes não são ferromagnéticos, chamadas ligas de Heusler , em homenagem a Fritz Heusler . Por outro lado, existem ligas não magnéticas, como os tipos de aço inoxidável , compostas quase exclusivamente por metais ferromagnéticos.

Ligas metálicas ferromagnéticas amorfas (não cristalinas) podem ser feitas por têmpera muito rápida (resfriamento) de uma liga líquida. Eles têm a vantagem de que suas propriedades são quase isotrópicas (não alinhadas ao longo do eixo do cristal); isso resulta em baixa coercividade , baixa perda de histerese , alta permeabilidade e alta resistividade elétrica. Um desses materiais típicos é uma liga de metal de transição-metalóide, feita de cerca de 80% de metal de transição (geralmente Fe, Co ou Ni) e um componente metalóide ( B , C , Si , P ou Al ) que reduz o ponto de fusão.

Uma classe relativamente nova de materiais ferromagnéticos excepcionalmente fortes são os ímãs de terras raras . Eles contêm elementos lantanídeos que são conhecidos por sua capacidade de transportar grandes momentos magnéticos em orbitais f bem localizados.

A tabela lista uma seleção de compostos ferromagnéticos e ferrimagnéticos, junto com a temperatura acima da qual eles deixam de exibir magnetização espontânea (ver temperatura de Curie ).

Materiais incomuns

A maioria dos materiais ferromagnéticos são metais, uma vez que os elétrons condutores são frequentemente responsáveis ​​por mediar as interações ferromagnéticas. É, portanto, um desafio desenvolver isoladores ferromagnéticos, especialmente materiais multiferróicos , que são tanto ferromagnéticos quanto ferroelétricos .

Vários compostos actinídeos são ferromagnetos à temperatura ambiente ou exibem ferromagnetismo após resfriamento. Pu P é um paramagneto com simetria cúbica à temperatura ambiente , mas que sofre uma transição estrutural para um estado tetragonal com ordem ferromagnética quando resfriado abaixo de seu T C  = 125 K. Em seu estado ferromagnético, o eixo fácil do PuP está na direção <100> .

Em Np Fe 2, o eixo fácil é <111>. Acima de T C ≈ 500 K , NpFe 2 também é paramagnético e cúbico. O resfriamento abaixo da temperatura de Curie produz uma distorção romboédrica em que o ângulo romboédrico muda de 60 ° (fase cúbica) para 60,53 °. Uma descrição alternativa dessa distorção é considerar o comprimento c ao longo do eixo trigonal único (após o início da distorção) e a como a distância no plano perpendicular a c . Na fase cúbica, isso se reduz a c/uma= 1,00 . Abaixo da temperatura de Curie

que é a maior cepa em qualquer composto actinídeo . NpNi 2 sofre uma distorção de rede semelhante abaixo de T C = 32 K , com uma deformação de (43 ± 5) × 10 −4 . NpCo 2 é um ferriímã abaixo de 15 K.

Em 2009, uma equipe de físicos do MIT demonstrou que um gás de lítio resfriado a menos de um kelvin pode exibir ferromagnetismo. A equipe resfriou o lítio-6 fermiônico a menos de 150 nK (150 bilionésimos de um kelvin) usando o resfriamento a laser infravermelho . Esta demonstração é a primeira vez que o ferromagnetismo foi demonstrado em um gás.

Em 2018, uma equipe de físicos da Universidade de Minnesota demonstrou que o rutênio tetragonal centrado no corpo exibe ferromagnetismo à temperatura ambiente.

Ferromagnetismo induzido eletricamente

Pesquisas recentes mostraram evidências de que o ferromagnetismo pode ser induzido em alguns materiais por uma corrente elétrica ou voltagem. LaMnO3 antiferromagnético e SrCoO foi alterado para ferromagnético por uma corrente. Em julho de 2020, cientistas relataram a indução de ferromagnetismo no abundante material diamagnético de pirita de ferro ("ouro de tolo") por uma voltagem aplicada. Nestes experimentos, o ferromagnetismo foi limitado a uma fina camada superficial.

Explicação

O teorema de Bohr-Van Leeuwen , descoberto na década de 1910, mostrou que as teorias da física clássica são incapazes de explicar qualquer forma de magnetismo, incluindo o ferromagnetismo. O magnetismo é agora considerado um efeito puramente mecânico quântico . O ferromagnetismo surge devido a dois efeitos da mecânica quântica: o spin e o princípio de exclusão de Pauli .

Origem do magnetismo

Uma das propriedades fundamentais de um elétron (além de carregar carga) é que ele possui um momento de dipolo magnético , ou seja, se comporta como um minúsculo ímã, produzindo um campo magnético . Este momento de dipolo vem da propriedade mais fundamental do elétron de ter spin mecânico quântico . Devido à sua natureza quântica, o spin do elétron pode estar em um de apenas dois estados; com o campo magnético apontando "para cima" ou "para baixo" (para qualquer escolha de para cima e para baixo). O spin dos elétrons nos átomos é a principal fonte do ferromagnetismo, embora também haja uma contribuição do momento angular orbital do elétron em torno do núcleo . Quando esses dipolos magnéticos em um pedaço de matéria estão alinhados (apontam na mesma direção), seus minúsculos campos magnéticos individuais se juntam para criar um campo macroscópico muito maior.

No entanto, materiais feitos de átomos com camadas de elétrons preenchidas têm um momento de dipolo total igual a zero: como todos os elétrons existem em pares com spin oposto, o momento magnético de cada elétron é cancelado pelo momento oposto do segundo elétron do par. Apenas átomos com camadas parcialmente preenchidas (isto é, spins desemparelhados ) podem ter um momento magnético líquido, então o ferromagnetismo ocorre apenas em materiais com camadas parcialmente preenchidas. Por causa das regras de Hund , os primeiros elétrons em uma camada tendem a ter o mesmo spin, aumentando assim o momento de dipolo total.

Esses dipolos desemparelhados (muitas vezes chamados simplesmente de "spins", embora também geralmente incluam o momento angular orbital) tendem a se alinhar em paralelo a um campo magnético externo, um efeito chamado paramagnetismo . O ferromagnetismo envolve um fenômeno adicional, entretanto: em algumas substâncias os dipolos tendem a se alinhar espontaneamente, dando origem a uma magnetização espontânea , mesmo quando não há campo aplicado.

Interação de troca

Quando dois átomos próximos têm elétrons desemparelhados, se os spins do elétron são paralelos ou antiparalelos afeta se os elétrons podem compartilhar a mesma órbita como resultado do efeito mecânico quântico chamado de interação de troca . Isso, por sua vez, afeta a localização do elétron e a interação Coulomb (eletrostática) e, portanto, a diferença de energia entre esses estados.

A interação de troca está relacionada ao princípio de exclusão de Pauli , que diz que dois elétrons com o mesmo spin não podem estar no mesmo estado espacial (orbital). Isso é uma consequência do teorema da estatística de spin e que os elétrons são férmions . Portanto, sob certas condições, quando os orbitais dos elétrons de valência externa desemparelhados de átomos adjacentes se sobrepõem, as distribuições de sua carga elétrica no espaço são mais distantes quando os elétrons têm spins paralelos do que quando têm spins opostos. Isso reduz a energia eletrostática dos elétrons quando seus spins são paralelos em comparação com sua energia quando os spins são antiparalelos, de modo que o estado de spin paralelo é mais estável. Essa diferença de energia é chamada de energia de troca . Em termos simples, os elétrons externos dos átomos adjacentes, que se repelem, podem se afastar ainda mais alinhando seus spins em paralelo, de modo que os spins desses elétrons tendem a se alinhar.

Esta diferença de energia pode ser ordens de magnitude maiores do que as diferenças de energia associadas à interação dipolo-dipolo magnético devido à orientação do dipolo, que tende a alinhar os dipolos antiparalelos. Em certos óxidos semicondutores dopados, as interações RKKY mostraram produzir interações magnéticas periódicas de longo alcance, um fenômeno significativo no estudo de materiais spintrônicos .

Os materiais nos quais a interação de troca é muito mais forte do que a interação dipolo-dipolo concorrente são freqüentemente chamados de materiais magnéticos . Por exemplo, no ferro (Fe) a força de troca é cerca de 1000 vezes mais forte do que a interação dipolo. Portanto, abaixo da temperatura de Curie, virtualmente todos os dipolos em um material ferromagnético estarão alinhados. Além do ferromagnetismo, a interação de troca também é responsável pelos outros tipos de ordenação espontânea de momentos magnéticos atômicos que ocorrem em sólidos magnéticos, antiferromagnetismo e ferrimagnetismo . Existem diferentes mecanismos de interação de troca que criam o magnetismo em diferentes substâncias ferromagnéticas, ferrimagnéticas e antiferromagnéticas. Estes mecanismos incluem a troca direta , troca RKKY , dupla troca , e supertroca .

Anisotropia magnética

Embora a interação de troca mantenha os spins alinhados, ela não os alinha em uma direção específica. Sem anisotropia magnética , os giros em um ímã mudam de direção aleatoriamente em resposta às flutuações térmicas e o ímã é superparamagnético . Existem vários tipos de anisotropia magnética, sendo a mais comum a anisotropia magnetocristalina . Esta é uma dependência da energia na direção da magnetização em relação à rede cristalográfica . Outra fonte comum de anisotropia, a magnetostrição inversa , é induzida por tensões internas . Os ímãs de domínio único também podem ter uma anisotropia de forma devido aos efeitos magnetostáticos da forma da partícula. À medida que a temperatura de um ímã aumenta, a anisotropia tende a diminuir e, frequentemente, há uma temperatura de bloqueio na qual ocorre uma transição para o superparamagnetismo.

Domínios Magnéticos

Movimento eletromagnético dinâmico no domínio magnético do aço silício elétrico de grão orientado.
Micrografia Kerr da superfície do metal mostrando domínios magnéticos, com listras vermelhas e verdes denotando direções opostas de magnetização.

O que foi dito acima parece sugerir que cada pedaço de material ferromagnético deve ter um campo magnético forte, uma vez que todos os spins estão alinhados, embora o ferro e outros ferromagnetos sejam freqüentemente encontrados em um estado "não magnetizado". A razão para isso é que um grande pedaço de material ferromagnético é dividido em pequenas regiões chamadas domínios magnéticos (também conhecidos como domínios de Weiss ). Dentro de cada domínio, os spins estão alinhados, mas (se o material a granel estiver em sua configuração de energia mais baixa; ou seja, não magnetizado ), os spins de domínios separados apontam em diferentes direções e seus campos magnéticos se cancelam, então o objeto não tem rede de grande escala campo magnético.

Os materiais ferromagnéticos se dividem espontaneamente em domínios magnéticos porque a interação de troca é uma força de curto alcance; portanto, em longas distâncias de muitos átomos, a tendência dos dipolos magnéticos de reduzir sua energia orientando-se em direções opostas prevalece. Se todos os dipolos em um pedaço de material ferromagnético estiverem alinhados paralelamente, ele cria um grande campo magnético que se estende para o espaço ao seu redor. Ele contém muita energia magnetostática . O material pode reduzir essa energia ao se dividir em vários domínios apontando em diferentes direções, de modo que o campo magnético é confinado a pequenos campos locais no material, reduzindo o volume do campo. Os domínios são separados por finas paredes de domínio com várias moléculas de espessura, nas quais a direção de magnetização dos dipolos gira suavemente de um domínio para o outro.

Materiais magnetizados

Paredes de domínio em movimento em um grão de aço silício causado por um campo magnético externo crescente na direção "para baixo", observado em um microscópio Kerr. As áreas brancas são domínios com magnetização direcionada para cima, áreas escuras são domínios com magnetização direcionada para baixo.

Assim, um pedaço de ferro em seu estado de energia mais baixo ("não magnetizado") geralmente tem pouco ou nenhum campo magnético líquido. No entanto, os domínios magnéticos em um material não são fixos no lugar; são simplesmente regiões onde os spins dos elétrons se alinham espontaneamente devido aos seus campos magnéticos e, portanto, podem ser alterados por um campo magnético externo. Se um campo magnético externo forte o suficiente for aplicado ao material, as paredes do domínio se moverão pelo processo dos spins dos elétrons nos átomos próximos à parede em um domínio girando sob a influência do campo externo para ficar na mesma direção que os elétrons no outro domínio, reorientando assim os domínios para que mais dipolos fiquem alinhados com o campo externo. Os domínios permanecerão alinhados quando o campo externo for removido, criando um campo magnético próprio se estendendo para o espaço ao redor do material, criando assim um ímã "permanente". Os domínios não voltam à sua configuração original de energia mínima quando o campo é removido porque as paredes do domínio tendem a ficar 'presas' ou 'presas' em defeitos na rede cristalina, preservando sua orientação paralela. Isso é mostrado pelo efeito Barkhausen : conforme o campo magnetizante é alterado, a magnetização muda em milhares de minúsculos saltos descontínuos conforme as paredes do domínio de repente "quebram" os defeitos passados.

Esta magnetização em função do campo externo é descrita por uma curva de histerese . Embora este estado de domínios alinhados encontrados em um pedaço de material ferromagnético magnetizado não seja uma configuração de energia mínima, é metaestável e pode persistir por longos períodos, como mostrado por amostras de magnetita do fundo do mar que mantiveram sua magnetização por milhões de anos.

O aquecimento e, em seguida, o resfriamento ( recozimento ) de um material magnetizado, submetendo-o a vibração martelando-o ou aplicando um campo magnético de oscilação rápida de uma bobina de desmagnetização tende a liberar as paredes do domínio de seu estado fixado e os limites do domínio tendem a voltar para uma configuração de menor energia com menos campo magnético externo, desmagnetizando o material.

Os ímãs comerciais são feitos de materiais ferromagnéticos ou ferrimagnéticos "duros" com anisotropia magnética muito grande , como alnico e ferritas , que têm uma tendência muito forte para a magnetização ser apontada ao longo de um eixo do cristal, o "eixo fácil". Durante a fabricação, os materiais são submetidos a vários processos metalúrgicos em um poderoso campo magnético, que alinha os grãos do cristal de forma que seus eixos "fáceis" de magnetização apontem todos na mesma direção. Assim, a magnetização e o campo magnético resultante são "embutidos" na estrutura cristalina do material, tornando-a muito difícil de desmagnetizar.

Temperatura curie

À medida que a temperatura aumenta, o movimento térmico, ou entropia , compete com a tendência ferromagnética dos dipolos se alinharem. Quando a temperatura sobe além de um certo ponto, chamado de temperatura de Curie , há uma transição de fase de segunda ordem e o sistema não consegue mais manter uma magnetização espontânea, então sua capacidade de ser magnetizado ou atraído por um ímã desaparece, embora ainda responda paramagneticamente a um campo externo. Abaixo dessa temperatura, ocorre uma quebra espontânea de simetria e os momentos magnéticos ficam alinhados com seus vizinhos. A temperatura de Curie em si é um ponto crítico , onde a suscetibilidade magnética é teoricamente infinita e, embora não haja magnetização líquida, as correlações de spin tipo domínio flutuam em todas as escalas de comprimento.

O estudo das transições de fase ferromagnéticas, especialmente por meio do modelo simplificado de spin de Ising , teve um impacto importante no desenvolvimento da física estatística. Lá, foi primeiro mostrado claramente que as abordagens da teoria do campo médio falharam em prever o comportamento correto no ponto crítico (que foi encontrado para se enquadrar em uma classe de universalidade que inclui muitos outros sistemas, como transições líquido-gás), e tinha que ser substituída pela teoria do grupo de renormalização .

Veja também

Referências

links externos