Magnetismo - Magnetism

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Um quadrupolo magnético

O magnetismo é uma classe de fenômenos físicos mediados por campos magnéticos . As correntes elétricas e os momentos magnéticos das partículas elementares dão origem a um campo magnético, que atua sobre outras correntes e momentos magnéticos. O magnetismo é um aspecto do fenômeno combinado do eletromagnetismo . Os efeitos mais familiares ocorrem em materiais ferromagnéticos , que são fortemente atraídos por campos magnéticos e podem ser magnetizados para se tornarem ímãs permanentes , produzindo os próprios campos magnéticos. Também é possível desmagnetizar um ímã. Apenas algumas substâncias são ferromagnéticas; os mais comuns são ferro , cobalto e níquel e suas ligas. O prefixo ferro- refere-se ao ferro , porque o magnetismo permanente foi observado pela primeira vez no ímã , uma forma de minério de ferro natural chamada magnetita , Fe 3 O 4 .

Todas as substâncias apresentam algum tipo de magnetismo. Os materiais magnéticos são classificados de acordo com sua suscetibilidade em massa. Ferromagnetismo é responsável pela maioria dos efeitos do magnetismo encontrados na vida cotidiana, mas na verdade existem vários tipos de magnetismo. Substâncias paramagnéticas , como alumínio e oxigênio , são fracamente atraídas por um campo magnético aplicado; substâncias diamagnéticas , como cobre e carbono , são fracamente repelidas; enquanto materiais antiferromagnéticos , como cromo e vidros de spin , têm uma relação mais complexa com um campo magnético. A força de um ímã em materiais paramagnéticos, diamagnéticos e antiferromagnéticos é geralmente muito fraca para ser sentida e pode ser detectada apenas por instrumentos de laboratório; portanto, na vida cotidiana, essas substâncias são frequentemente descritas como não magnéticas.

O estado magnético (ou fase magnética) de um material depende da temperatura, pressão e do campo magnético aplicado. Um material pode exibir mais de uma forma de magnetismo conforme essas variáveis ​​mudam.

A força de um campo magnético quase sempre diminui com a distância, embora a relação matemática exata entre a força e a distância varie. Diferentes configurações de momentos magnéticos e correntes elétricas podem resultar em campos magnéticos complicados.

Apenas dipolos magnéticos foram observados, embora algumas teorias prevejam a existência de monopólos magnéticos .

História

Lodestone , um ímã natural que atrai pregos de ferro. Os humanos antigos descobriram a propriedade do magnetismo da magnetita.
Uma ilustração do De Magnete de Gilbert de 1600 mostrando um dos métodos mais antigos de fazer um ímã. Um ferreiro segura um pedaço de ferro em brasa na direção norte-sul e o martela enquanto esfria. O campo magnético da Terra alinha os domínios, deixando o ferro um ímã fraco.
Desenho de um tratamento médico com escovas magnéticas. Charles Jacque 1843, França.

O magnetismo foi descoberto pela primeira vez no mundo antigo, quando as pessoas perceberam que as magnetitas , pedaços naturalmente magnetizados do mineral magnetita , podiam atrair o ferro. A palavra ímã vem do termo grego μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , "a pedra magnesiana, magnetita". Na Grécia antiga, Aristóteles atribuiu o primeiro do que poderia ser chamado de discussão científica do magnetismo ao filósofo Tales de Mileto , que viveu de cerca de 625 aC a cerca de 545 aC. O antigo texto médico indiano Sushruta Samhita descreve o uso de magnetita para remover flechas incrustadas no corpo de uma pessoa.

Na China antiga , a referência literária mais antiga ao magnetismo encontra-se em um livro do século 4 aC que leva o nome de seu autor, Guiguzi . Os anais do século 2 aC, Lüshi Chunqiu , também observam: "A magnetita faz o ferro se aproximar; alguma (força) o atrai." A primeira menção da atração de uma agulha está em uma obra do século I Lunheng ( Pesquisas Equilibradas ): "Uma magnetita atrai uma agulha." O cientista chinês do século 11 Shen Kuo foi a primeira pessoa a escrever - nos Dream Pool Essays - sobre a bússola de agulha magnética e que ela melhorou a precisão da navegação ao empregar o conceito astronômico do norte verdadeiro . Por volta do século 12, os chineses eram conhecidos por usar a bússola de magnetita para navegação. Eles esculpiram uma colher direcional de magnetita de modo que o cabo da colher sempre apontasse para o sul.

Alexander Neckam , em 1187, foi o primeiro na Europa a descrever a bússola e seu uso para navegação. Em 1269, Peter Peregrinus de Maricourt escreveu a Epistola de magnete , o primeiro tratado existente descrevendo as propriedades dos ímãs. Em 1282, as propriedades dos ímãs e das bússolas secas foram discutidas por Al-Ashraf, um físico , astrônomo e geógrafo iemenita .

A única obra existente de Leonardo Garzoni , o Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita , é o primeiro exemplo conhecido de um tratamento moderno dos fenômenos magnéticos. Escrito nos anos próximos a 1580 e nunca publicado, o tratado teve ampla difusão. Em particular, Garzoni é referido como um especialista em magnetismo por Niccolò Cabeo, cuja Philosophia Magnetica (1629) é apenas um reajuste da obra de Garzoni. O tratado de Garzoni também era conhecido por Giovanni Battista Della Porta e William Gilbert.

Em 1600, William Gilbert publicou seu De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure ( Sobre o ímã e os corpos magnéticos e sobre o Grande ímã da Terra ). Neste trabalho, ele descreve muitos de seus experimentos com seu modelo de terra chamado terrella . A partir de seus experimentos, ele concluiu que a própria Terra era magnética e que essa era a razão das bússolas apontarem para o norte (anteriormente, alguns acreditavam que era a estrela polar ( Polaris ) ou uma grande ilha magnética no pólo norte que atraía a bússola).

Uma compreensão da relação entre eletricidade e magnetismo começou em 1819 com o trabalho de Hans Christian Ørsted , um professor da Universidade de Copenhagen, que descobriu pela contração acidental de uma agulha de bússola perto de um fio que uma corrente elétrica poderia criar um campo magnético. Este experimento marcante é conhecido como Experimento de Ørsted. Vários outros experimentos se seguiram, com André-Marie Ampère , que em 1820 descobriu que o campo magnético circulando em um caminho fechado estava relacionado com a corrente que fluía por uma superfície delimitada pelo caminho; Carl Friedrich Gauss ; Jean-Baptiste Biot e Félix Savart , ambos os quais em 1820 criaram a lei Biot-Savart dando uma equação para o campo magnético de um fio condutor de corrente; Michael Faraday , que em 1831 descobriu que um fluxo magnético variável no tempo através de uma alça de fio induziu uma voltagem, e outros descobriram outras ligações entre o magnetismo e a eletricidade. James Clerk Maxwell sintetizou e expandiu esses insights sobre as equações de Maxwell , unificando eletricidade, magnetismo e óptica no campo do eletromagnetismo . Em 1905, Albert Einstein usou essas leis para motivar sua teoria da relatividade especial , exigindo que as leis fossem verdadeiras em todos os referenciais inerciais .

O eletromagnetismo continuou a se desenvolver no século 21, sendo incorporado às teorias mais fundamentais da teoria de calibre , eletrodinâmica quântica , teoria eletrofraca e, finalmente, o modelo padrão .

Origens

O magnetismo, em sua raiz, surge de duas fontes:

  1. Corrente elétrica .
  2. Momentos magnéticos de giro de partículas elementares .

As propriedades magnéticas dos materiais são devidas principalmente aos momentos magnéticos dos elétrons em órbita de seus átomos . Os momentos magnéticos dos núcleos dos átomos são normalmente milhares de vezes menores do que os momentos magnéticos dos elétrons, portanto, são desprezíveis no contexto da magnetização de materiais. No entanto, os momentos magnéticos nucleares são muito importantes em outros contextos, particularmente na ressonância magnética nuclear (NMR) e na imagem por ressonância magnética (MRI).

Normalmente, o enorme número de elétrons em um material é organizado de forma que seus momentos magnéticos (orbitais e intrínsecos) se cancelem. Isso se deve, em certa medida, à combinação de elétrons em pares com momentos magnéticos intrínsecos opostos, como resultado do princípio de exclusão de Pauli (ver configuração eletrônica ), e à combinação em subcamadas preenchidas com movimento orbital líquido zero. Em ambos os casos, os elétrons adotam preferencialmente arranjos em que o momento magnético de cada elétron é cancelado pelo momento oposto de outro elétron. Além disso, mesmo quando a configuração do elétron é tal que existem elétrons desemparelhados e / ou subcamadas não preenchidas, é frequente o caso em que os vários elétrons no sólido contribuirão com momentos magnéticos que apontam em direções aleatórias diferentes, de modo que o material irá não ser magnético.

Às vezes, espontaneamente ou devido a um campo magnético externo aplicado - cada um dos momentos magnéticos do elétron estará, em média, alinhado. Um material adequado pode então produzir um forte campo magnético líquido.

O comportamento magnético de um material depende de sua estrutura, principalmente de sua configuração eletrônica , pelos motivos mencionados acima, e também da temperatura. Em altas temperaturas, o movimento térmico aleatório torna mais difícil para os elétrons manterem o alinhamento.

Tipos de magnetismo

Hierarquia de tipos de magnetismo.

Diamagnetismo

O diamagnetismo aparece em todos os materiais e é a tendência de um material se opor a um campo magnético aplicado e, portanto, ser repelido por um campo magnético. No entanto, em um material com propriedades paramagnéticas (ou seja, com tendência a aumentar um campo magnético externo), o comportamento paramagnético domina. Assim, apesar de sua ocorrência universal, o comportamento diamagnético é observado apenas em um material puramente diamagnético. Em um material diamagnético, não há elétrons desemparelhados, então os momentos magnéticos de elétrons intrínsecos não podem produzir nenhum efeito de volume. Nestes casos, a magnetização decorre dos movimentos orbitais dos elétrons, que podem ser entendidos classicamente da seguinte forma:

Quando um material é colocado em um campo magnético, os elétrons que circulam o núcleo experimentam, além de sua atração Coulombiana pelo núcleo, uma força de Lorentz proveniente do campo magnético. Dependendo da direção em que o elétron está orbitando, essa força pode aumentar a força centrípeta sobre os elétrons, puxando-os em direção ao núcleo, ou pode diminuir a força, puxando-os para longe do núcleo. Este efeito aumenta sistematicamente os momentos magnéticos orbitais que foram alinhados opostos ao campo e diminui aqueles alinhados paralelamente ao campo (de acordo com a lei de Lenz ). Isso resulta em um pequeno momento magnético volumoso, com uma direção oposta ao campo aplicado.

Essa descrição é considerada apenas uma heurística ; o teorema de Bohr-Van Leeuwen mostra que o diamagnetismo é impossível de acordo com a física clássica, e que uma compreensão adequada requer uma descrição da mecânica quântica .

Todos os materiais passam por essa resposta orbital. No entanto, em substâncias paramagnéticas e ferromagnéticas, o efeito diamagnético é superado pelos efeitos muito mais fortes causados ​​pelos elétrons desemparelhados.

Paramagnetismo

Em um material paramagnético, existem elétrons desemparelhados ; ou seja, orbitais atômicos ou moleculares com exatamente um elétron neles. Enquanto elétrons emparelhados são exigidos pelo princípio de exclusão de Pauli para ter seus momentos magnéticos intrínsecos ('spin') apontando em direções opostas, fazendo com que seus campos magnéticos se cancelem, um elétron desemparelhado é livre para alinhar seu momento magnético em qualquer direção. Quando um campo magnético externo é aplicado, esses momentos magnéticos tendem a se alinhar na mesma direção do campo aplicado, reforçando-o.

Ferromagnetismo

Um ferromagnético, como uma substância paramagnética, possui elétrons desemparelhados. No entanto, além da tendência do momento magnético intrínseco dos elétrons de serem paralelos a um campo aplicado, há também nesses materiais uma tendência para esses momentos magnéticos se orientarem paralelamente entre si para manter um estado de baixa energia. Assim, mesmo na ausência de um campo aplicado, os momentos magnéticos dos elétrons no material alinham-se espontaneamente paralelos entre si.

Cada substância ferromagnética tem sua própria temperatura individual, chamada de temperatura de Curie , ou ponto de Curie, acima da qual perde suas propriedades ferromagnéticas. Isso ocorre porque a tendência térmica para desordem supera a redução de energia devido à ordem ferromagnética.

Ferromagnetismo ocorre apenas em algumas substâncias; os mais comuns são ferro , níquel , cobalto , suas ligas e algumas ligas de metais de terras raras.

Domínios Magnéticos

Limites dos domínios magnéticos (linhas brancas) em material ferromagnético (retângulo preto)
Efeito de um ímã nos domínios

Os momentos magnéticos dos átomos em um material ferromagnético fazem com que eles se comportem como minúsculos ímãs permanentes. Eles se unem e se alinham em pequenas regiões de alinhamento mais ou menos uniforme, chamadas de domínios magnéticos ou domínios de Weiss . Os domínios magnéticos podem ser observados com um microscópio de força magnética para revelar os limites do domínio magnético que se assemelham a linhas brancas no esboço. Existem muitos experimentos científicos que podem mostrar fisicamente campos magnéticos.

Quando um domínio contém muitas moléculas, ele se torna instável e se divide em dois domínios alinhados em direções opostas, de modo que se unem de forma mais estável, conforme mostrado à direita.

Quando expostos a um campo magnético, os limites do domínio se movem, de modo que os domínios alinhados com o campo magnético crescem e dominam a estrutura (área amarela pontilhada), conforme mostrado à esquerda. Quando o campo de magnetização é removido, os domínios não podem retornar a um estado desmagnetizado. Isso resulta na magnetização do material ferromagnético, formando um ímã permanente.

Quando magnetizado com força suficiente para que o domínio prevalecente ultrapasse todos os outros para resultar em apenas um único domínio, o material é magneticamente saturado . Quando um material ferromagnético magnetizado é aquecido até a temperatura do ponto Curie , as moléculas são agitadas a ponto de os domínios magnéticos perderem a organização e as propriedades magnéticas que eles causam cessam. Quando o material é resfriado, essa estrutura de alinhamento de domínio retorna espontaneamente, de uma maneira quase análoga a como um líquido pode congelar em um sólido cristalino.

Antiferromagnetismo

Ordenação antiferromagnética

Em um antiferromagneto , ao contrário de um ferromagneto, há uma tendência de os momentos magnéticos intrínsecos dos elétrons de valência vizinhos apontarem em direções opostas . Quando todos os átomos estão dispostos em uma substância de modo que cada vizinho seja antiparalelo, a substância é antiferromagnética . Os antiferromagnetos têm um momento magnético líquido zero, o que significa que nenhum campo é produzido por eles. Os antiferromagnetos são menos comuns em comparação com os outros tipos de comportamento e são observados principalmente em baixas temperaturas. Em temperaturas variáveis, os antiferromagnetos podem exibir propriedades diamagnéticas e ferromagnéticas.

Em alguns materiais, os elétrons vizinhos preferem apontar em direções opostas, mas não existe um arranjo geométrico no qual cada par de vizinhos seja anti-alinhado. Isso é chamado de vidro giratório e é um exemplo de frustração geométrica .

Ferrimagnetismo

Ordenação ferrimagnética

Como o ferromagnetismo, os ferriímãs retêm sua magnetização na ausência de um campo. No entanto, como os antiferromagnetos, os pares vizinhos de spins de elétrons tendem a apontar em direções opostas. Essas duas propriedades não são contraditórias, porque no arranjo geométrico ideal, há mais momento magnético da sub-rede de elétrons que apontam em uma direção do que da sub-rede que aponta na direção oposta.

A maioria das ferritas são ferrimagnéticas. A primeira substância magnética descoberta, a magnetita , é uma ferrita e originalmente se acreditava ser um ferromagneto; Louis Néel refutou isso, no entanto, depois de descobrir o ferrimagnetismo.

Superparamagnetismo

Quando um ferro-ímã ou ferro-ímã é suficientemente pequeno, ele age como um único spin magnético sujeito ao movimento browniano . Sua resposta a um campo magnético é qualitativamente semelhante à resposta de um paramagneto, mas muito maior.

Outros tipos de magnetismo

Eletroímã

Um eletroímã atrai clipes de papel quando a corrente é aplicada, criando um campo magnético. O eletroímã os perde quando a corrente e o campo magnético são removidos.

Um eletroímã é um tipo de ímã em que o campo magnético é produzido por uma corrente elétrica . O campo magnético desaparece quando a corrente é desligada. Os eletroímãs geralmente consistem em um grande número de voltas de fio próximas umas das outras que criam o campo magnético. As voltas do fio são freqüentemente enroladas em torno de um núcleo magnético feito de um material ferromagnético ou ferrimagnético , como o ferro ; o núcleo magnético concentra o fluxo magnético e cria um ímã mais poderoso.

A principal vantagem de um eletroímã sobre um ímã permanente é que o campo magnético pode ser alterado rapidamente, controlando a quantidade de corrente elétrica no enrolamento. No entanto, ao contrário de um ímã permanente que não precisa de energia, um eletroímã requer um fornecimento contínuo de corrente para manter o campo magnético.

Os eletroímãs são amplamente usados ​​como componentes de outros dispositivos elétricos, como motores , geradores , relés , solenóides, alto-falantes , discos rígidos , máquinas de ressonância magnética , instrumentos científicos e equipamentos de separação magnética . Os eletroímãs também são empregados na indústria para pegar e mover objetos pesados ​​de ferro, como sucata de ferro e aço. O eletromagnetismo foi descoberto em 1820.

Magnetismo, eletricidade e relatividade especial

Como consequência da teoria da relatividade especial de Einstein, eletricidade e magnetismo estão fundamentalmente interligados. Tanto o magnetismo sem eletricidade quanto a eletricidade sem magnetismo são inconsistentes com a relatividade especial, devido a efeitos como contração do comprimento , dilatação do tempo e o fato de que a força magnética é dependente da velocidade. No entanto, quando a eletricidade e o magnetismo são levados em consideração, a teoria resultante ( eletromagnetismo ) é totalmente consistente com a relatividade especial. Em particular, um fenômeno que parece puramente elétrico ou puramente magnético para um observador pode ser uma mistura de ambos para outro ou, mais geralmente, as contribuições relativas de eletricidade e magnetismo dependem do quadro de referência. Assim, a relatividade especial "mistura" eletricidade e magnetismo em um fenômeno único e inseparável chamado eletromagnetismo , análogo a como a relatividade "mistura" espaço e tempo no espaço - tempo .

Todas as observações sobre eletromagnetismo se aplicam ao que pode ser considerado principalmente magnetismo, por exemplo, perturbações no campo magnético são necessariamente acompanhadas por um campo elétrico diferente de zero e se propagam à velocidade da luz .

Campos magnéticos em um material

No vácuo,

onde μ 0 é a permeabilidade ao vácuo .

Em um material,

A quantidade μ 0 M é chamada de polarização magnética .

Se o campo H for pequeno, a resposta da magnetização M em um diamagneto ou paramagneto é aproximadamente linear:

a constante de proporcionalidade sendo chamada de suscetibilidade magnética. Se for assim,

Em um ímã rígido como o ferromagneto, M não é proporcional ao campo e geralmente é diferente de zero mesmo quando H é zero (ver Remanência ).

Força magnética

Linhas magnéticas de força de um ímã em barra mostrado por limalhas de ferro no papel
Detecção de campo magnético com bússola e limalha de ferro

O fenômeno do magnetismo é "mediado" pelo campo magnético. Uma corrente elétrica ou dipolo magnético cria um campo magnético e esse campo, por sua vez, transmite forças magnéticas em outras partículas que estão nos campos.

As equações de Maxwell, que simplificam para a lei de Biot-Savart no caso de correntes constantes, descrevem a origem e o comportamento dos campos que governam essas forças. Portanto, o magnetismo é visto sempre que partículas eletricamente carregadas estão em movimento - por exemplo, do movimento dos elétrons em uma corrente elétrica ou, em certos casos, do movimento orbital dos elétrons ao redor do núcleo de um átomo. Eles também surgem de dipolos magnéticos "intrínsecos" decorrentes do spin da mecânica quântica .

As mesmas situações que criam campos magnéticos - carga movendo-se em uma corrente ou em um átomo e dipolos magnéticos intrínsecos - também são as situações em que um campo magnético tem um efeito, criando uma força. A seguir está a fórmula para mover a carga; para as forças em um dipolo intrínseco, consulte dipolo magnético.

Quando uma partícula carregada se move através de um campo magnético B , ela sente uma força de Lorentz F dada pelo produto vetorial :

Onde

é a carga elétrica da partícula, e
v é o vetor de velocidade da partícula

Por ser um produto vetorial, a força é perpendicular ao movimento da partícula e ao campo magnético. Segue-se que a força magnética não atua na partícula; pode mudar a direção do movimento da partícula, mas não pode fazer com que acelere ou desacelere. A magnitude da força é

onde é o ângulo entre o v e B .

Uma ferramenta para determinar a direção do vetor de velocidade de uma carga em movimento, o campo magnético e a força exercida é rotular o dedo indicador "V", o dedo médio "B" e o polegar "F" com a mão direita. Ao fazer uma configuração semelhante a uma arma, com o dedo médio cruzando sob o dedo indicador, os dedos representam o vetor de velocidade, vetor de campo magnético e vetor de força, respectivamente. Veja também a regra da mão direita .

Dipolos magnéticos

Uma fonte de campo magnético muito comum encontrada na natureza é um dipolo , com um " pólo sul " e um " pólo norte ", termos que remontam ao uso de ímãs como bússolas, interagindo com o campo magnético da Terra para indicar Norte e Sul em o globo . Como as extremidades opostas dos ímãs são atraídas, o pólo norte de um ímã é atraído para o pólo sul de outro ímã. O Pólo Magnético Norte da Terra (atualmente no Oceano Ártico, ao norte do Canadá) é fisicamente um Pólo Sul, pois atrai o Pólo Norte de uma bússola. Um campo magnético contém energia e os sistemas físicos se movem em direção a configurações com menos energia. Quando o material diamagnético é colocado em um campo magnético, um dipolo magnético tende a se alinhar em polaridade oposta a esse campo, diminuindo assim a intensidade do campo líquido. Quando o material ferromagnético é colocado dentro de um campo magnético, os dipolos magnéticos se alinham ao campo aplicado, expandindo assim as paredes de domínio dos domínios magnéticos.

Monopolos magnéticos

Uma vez que uma barra magnética obtém seu ferromagnetismo de elétrons distribuídos uniformemente por toda a barra, quando uma barra magnética é cortada ao meio, cada uma das peças resultantes é uma barra magnética menor. Mesmo que se diga que um ímã tem um pólo norte e um pólo sul, esses dois pólos não podem ser separados um do outro. Um monopolo - se tal coisa existe - seria um tipo novo e fundamentalmente diferente de objeto magnético. Ele atuaria como um pólo norte isolado, não ligado a um pólo sul, ou vice-versa. Monopólos carregariam "carga magnética" análoga à carga elétrica. Apesar das buscas sistemáticas desde 1931, a partir de 2010, eles nunca foram observados e podem muito bem não existir.

No entanto, alguns modelos de física teórica prevêem a existência desses monopólos magnéticos . Paul Dirac observou em 1931 que, como a eletricidade e o magnetismo mostram uma certa simetria , assim como a teoria quântica prediz que cargas elétricas individuais positivas ou negativas podem ser observadas sem a carga oposta, os pólos magnéticos Sul ou Norte isolados devem ser observáveis. Usando a teoria quântica, Dirac mostrou que, se monopolos magnéticos existem, então se poderia explicar a quantização da carga elétrica - isto é, por que as partículas elementares observadas carregam cargas que são múltiplos da carga do elétron.

Certas teorias da grande unificação predizem a existência de monopólos que, ao contrário das partículas elementares, são solitons (pacotes de energia localizada). Os resultados iniciais do uso desses modelos para estimar o número de monopólos criados no Big Bang contradizem as observações cosmológicas - os monopólos seriam tão abundantes e massivos que teriam interrompido a expansão do universo há muito tempo. No entanto, a ideia de inflação (para a qual esse problema serviu de motivação parcial) teve sucesso em resolver esse problema, criando modelos nos quais existiam monopolos, mas eram raros o suficiente para serem consistentes com as observações atuais.

Unidades

SI

Símbolo Nome da quantidade Nome da unidade Símbolo Unidades básicas
E energia joule J kg⋅m 2 ⋅s −2 = C⋅V
Q carga elétrica coulomb C A⋅s
eu corrente elétrica ampère UMA A (= W / V = ​​C / s)
J densidade de corrente elétrica ampere por metro quadrado A / m 2 A⋅m −2
Δ V ; Δ φ ; ε diferença potencial ; tensão ; força eletromotriz volt V J / C = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
R ; Z ; X resistência elétrica ; impedância ; reatância ohm Ω V / A = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −2
ρ resistividade ohm metro Ω⋅m kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −2
P energia elétrica watt C V⋅A = kg⋅m 2 ⋅s −3
C capacitância farad F C / V = ​​kg −1 ⋅m −2 ⋅A 2 ⋅s 4
Φ E fluxo eletrico volts metros V⋅m kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −1
E força do campo elétrico volt por metro V / m N / C = kg⋅m⋅A −1 ⋅s −3
D campo de deslocamento elétrico coulomb por metro quadrado C / m 2 A⋅s⋅m −2
ε permissividade farad por metro F / m kg −1 ⋅m −3 ⋅A 2 ⋅s 4
χ e susceptibilidade elétrica ( adimensional ) 1 1
G ; Y ; B condutância ; admissão ; suscetibilidade siemens S Ω −1 = kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2
κ , γ , σ condutividade siemens por metro S / m kg −1 ⋅m −3 ⋅s 3 ⋅A 2
B densidade de fluxo magnético, indução magnética Tesla T Wb / m 2 = kg⋅s −2 ⋅A −1 = N⋅A −1 ⋅m −1
Φ , Φ M , Φ B fluxo magnético weber Wb V⋅s = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1
H força do campo magnético ampere por metro Sou A⋅m -1
L , M indutância Henry H Wb / A = V⋅s / A = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −2
µ permeabilidade Henry por metro H / m kg⋅m ⋅s −2 ⋅A −2
χ susceptibilidade magnética ( adimensional ) 1 1

Outro

Seres vivos

Uma rã viva levita dentro de um furo vertical de 32 mm de diâmetro de um solenóide Bitter em um campo magnético muito forte - cerca de 16 teslas

Alguns organismos podem detectar campos magnéticos, um fenômeno conhecido como magnetocepção . Alguns materiais nos seres vivos são ferromagnéticos, embora não esteja claro se as propriedades magnéticas têm uma função especial ou são meramente um subproduto do ferro. Por exemplo, os chitons , um tipo de molusco marinho, produzem magnetita para endurecer seus dentes, e até mesmo os humanos produzem magnetita no tecido corporal. A magnetobiologia estuda os efeitos dos campos magnéticos nos organismos vivos; campos produzidos naturalmente por um organismo são conhecidos como biomagnetismo . Muitos organismos biológicos são feitos principalmente de água e, como a água é diamagnética , campos magnéticos extremamente fortes podem repelir esses seres vivos.

Origem quântica do magnetismo

Enquanto explicações heurísticas baseadas na física clássica podem ser formuladas, diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo podem ser totalmente explicados apenas usando a teoria quântica. Um modelo de sucesso foi desenvolvido já em 1927, por Walter Heitler e Fritz London , que derivou, mecanicamente quântica, como as moléculas de hidrogênio são formadas a partir de átomos de hidrogênio, ou seja, a partir dos orbitais atômicos de hidrogênio e centrados nos núcleos A e B , veja abaixo. Que isso leva ao magnetismo não é nada óbvio, mas será explicado a seguir.

De acordo com a teoria de Heitler-London, os chamados orbitais moleculares de dois corpos são formados, ou seja, o orbital resultante é:

Aqui, o último produto significa que um primeiro elétron, r 1 , está em um orbital de hidrogênio atômico centrado no segundo núcleo, enquanto o segundo elétron corre ao redor do primeiro núcleo. Este fenômeno de "troca" é uma expressão para a propriedade da mecânica quântica de que partículas com propriedades idênticas não podem ser distinguidas. É específico não apenas para a formação de ligações químicas , mas também para o magnetismo. Ou seja, surge nesta conexão o termo interação de troca , um termo que é essencial para a origem do magnetismo, e que é mais forte, aproximadamente pelos fatores 100 e até por 1000, do que as energias decorrentes da interação dipolo-dipolo eletrodinâmica.

Quanto à função de spin , que é responsável pelo magnetismo, temos o já mencionado princípio de Pauli, a saber, que um orbital simétrico (ou seja, com o sinal + como acima) deve ser multiplicado por uma função de spin anti-simétrica (ou seja, com um sinal -) e vice-versa . Desse modo:

,

Ou seja, não apenas e deve ser substituído por α e β , respectivamente (a primeira entidade significa "spin up", a segunda "spin down"), mas também o sinal + pelo sinal - e, finalmente, r i pelo sinal discreto valores s i (= ± ½); assim, temos e . O " estado singlete ", ou seja, o sinal -, significa: os spins são antiparalelos , ou seja, para o sólido, temos antiferromagnetismo , e para as moléculas de dois átomos, um tem diamagnetismo . A tendência de formar uma ligação química (homeopolar) (isto significa: a formação de um orbital molecular simétrico , ou seja, com o sinal +) resulta através do princípio de Pauli automaticamente em um estado de spin anti - simétrico (ou seja, com o sinal -). Em contraste, a repulsão de Coulomb dos elétrons, ou seja, a tendência de eles tentarem evitar um ao outro por essa repulsão, levaria a uma função orbital antissimétrica (ou seja, com o sinal -) dessas duas partículas, e complementar a uma função de spin simétrica (ou seja, com o sinal +, uma das chamadas " funções triplas "). Assim, agora os spins seriam paralelos ( ferromagnetismo em um sólido, paramagnetismo em dois gases atômicos).

A última tendência mencionada domina nos metais ferro , cobalto e níquel , e em algumas terras raras, que são ferromagnéticas . A maioria dos outros metais, onde a tendência mencionada em primeiro lugar domina, são não magnéticos (por exemplo , sódio , alumínio e magnésio ) ou antiferromagnéticos (por exemplo, manganês ). Os gases diatômicos também são quase exclusivamente diamagnéticos, e não paramagnéticos. No entanto, a molécula de oxigênio, por causa do envolvimento dos orbitais π, é uma exceção importante para as ciências da vida.

As considerações Heitler-London podem ser generalizadas para o modelo de magnetismo de Heisenberg (Heisenberg 1928).

A explicação dos fenômenos é, portanto, essencialmente baseada em todas as sutilezas da mecânica quântica, enquanto a eletrodinâmica cobre principalmente a fenomenologia.

Veja também

Referências

Leitura adicional

Bibliografia