Materiais Magnéticos

Informações Gerais

As fontes de fluxo magnético nos materiais são essencialmente três: movimento orbital dos electrões em torno do núcleo; spin dos electrões e spin nuclear. O efeito causado por cada uma destas três fontes, em particular as duas primeiras, é a razão de ser da classificação dos materiais em cinco classes essencialmente distintas: materiais diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, antiferromagnéticos e ferrimagnéticos (os materiais diamagnéticos, paramagnéticos e anti-ferromagnéticos são também designados por não magnéticos).
Os materiais diamagnéticos contribuem para a redução da amplitude do campo magnético aplicado externamente. Nestes materiais verifica-se que por si só os campos criados pelo movimento orbital e pelo spin dos electrões se cancelam mutuamente ao nível de cada átomo, mas que a intervenção de um campo magnético exterior provoca um desequilíbrio que atrofia o campo magnético resultante, em particular devido à acção do spin. Os materiais deste tipo apresentam permeabilidades magnéticas relativas inferiores à unidade, sendo exemplos típicos o hidrogénio, o hélio, o cobre, o ouro, o silício, o germânio e a grafite.
Os materiais paramagnéticos caracterizam-se pelo não cancelamento ao nível do átomo dos campos magnéticos associados ao movimento orbital e ao spin dos electrões. Cada átomo é responsável pela geração de um campo magnético, apesar de no seu conjunto o material apresentar um fluxo nulo como resultado das orientações aleatórias das contribuições individuais. No entanto, na sequência da aplicação de um campo magnético exterior, os campos individuais orientam-se em sentidos concordantes, conduzindo a um aumento relativo do fluxo magnético no interior do material. Entre os materiais deste tipo encontram-se o potássio, o oxigénio, o tungsténio, etc.
A não compensação do spin dos electrões é a principal fonte de linhas de fluxo nos materiais ferromagnéticos. Nestes materiais, as forças inter-atómicas conduzem a uma orientação comum dos campos magnéticos em volumes relativamente extensos, designados por domínios magnéticos, mas que devido às respectivas orientações aleatórias somam um campo magnético resultante nulo. No entanto, a aplicação de um campo magnético exterior imprime orientações concordantes aos domínios constituintes do material, podendo ser globalmente responsáveis por acréscimos fabulosos do campo magnético no interior do material. Por outro lado, quando o campo magnético aplicado é suspenso, os diversos domínios adoptam orientações aleatórias distintas das iniciais, podendo contribuir complexivamente para a criação de um campo magnético remanescente não nulo. Este fenómeno conduz ao designado ciclo de histerese do material. Entre os materiais ferromagnéticos mais comuns encontram-se o ferro, o níquel, o cobalto, etc.
Os materiais antiferromagnéticos caracterizam-se por um cancelamento inter-átomos adjacentes do campo magnético. Os materiais deste tipo são fracamente afectados pela presença de um campo magnético aplicado.
Nos materiais ferrimagnéticos o alinhamento antiparalelo entre átomos adjacentes não conduz ao cancelamento do campo magnético resultante ao nível microscópico. A aplicação de um campo magnético exterior imprime uma orientação concordante entre as múltiplas contribuições individuais, conduzindo no conjunto a aumentos significativos do campo magnético no interior do material. Os materiais desta classe são vulgarmente designados por ferrites, encontrando-se entre as mais comuns as ferrites de níquel, cobalto, manganésio, magnésio, etc. Apesar de em geral apresentarem permeabilidades relativas inferiores aos materiais ferromagnéticos, as ferrites distinguem-se pela baixíssima condutividade eléctrica, que lhes permite reduzir significativamente as perdas por efeito de Joule associadas às correntes parasitas de Foucault.

 Materiais ferromagnéticos:
Em elementos como o Ferro(Fe), Cobalto(Co), Níquel(Ni), Gadolínio(Gd), e em certas ligas destes, ocorre um fenômeno denominado ferromagnetismo, que os possibilita adquirir um alto grau de alinhamento magnético de tal modo que venham ser fortemente atraídas por imãs. Nesses elementos a permeabilidade magnética é maior do que 1 (um).
Materiais paramagnéticos:
Quando colocadas num campo magnético, o alinhamento dos dipolos atômicos elementares não é perfeito, ocasionando uma fraca atração pelos imãs.
Normalmente a permeabilidade magnética relativa de tais metais é praticamente igual a 1 (um).
Materiais diamagnéticos:
São os materiais cuja permeabilidade relativa é pouco menor 1 (um).
Como exemplo, tem-se o Zinco (Zn), Mercúrio (Hg), Bismuto (Bi) e o Cobre (Cu), em que a permeabilidade relativa e pouco menor que 1 (um).

Um pouco sobre magnetismo

Magnetismo é o ramo da Física que estuda os materiais magnéticos, ou seja, que estuda materiais capazes de atrair ou repelir outros.
A primeira referência conhecida sobre uma substância capaz de atrair outras é a de Tales de Mileto. Segundo ele os habitantes de Magnésia, uma região da Grécia, conheciam um material com tal propriedade.
Mas esse fenômeno nunca despertou um grande interesse, até o século XIII, quando a bússola passou a ser usada. Algumas pessoas tentaram explicar o magnetismo durante essa época, mas só no século XIX, quando Oersted iniciou o Eletromagnetismo e Maxwell formulou leis que descreviam esses fenômenos, que um estudo mais completo se iniciou.
Atualmente, estudar isoladamente o magnetismo e o eletromagnetismo não faz muito sentido. Materiais magnéticos são amplamente utilizados em motores, transformadores, dínamos, bobinas, etc, ou seja, em equipamentos elétricos e o próprio magnetismo é explicado em termos do movimento dos elétrons.
O magnetismo está intimamente ligado ao movimento dos elétrons nos átomos, pois uma carga em movimento gera um campo magnético. O número e a maneira como os elétrons estão organizados nos átomos constituintes dos diversos materiais é que vai explicar o comportamento das substâncias quando sobre influência de um campo magnético de uma segunda substância (leia sobre a Teoria dos Spins).
A maneira para determinar se um material é magnético ou não é colocá-lo sobre a influência de um campo magnético (campo criado pelo movimento de cargas elétricas). Se aparecerem forças ou torques, se trata de uma substância magnética. Isso é verdadeiro para todas as substâncias, mas em algumas o efeito é bem mais evidenciado, e essas são chamadas de magnéticas.
Materiais diamagnéticos são aqueles que são repelidos pelos ímans. O campo magnético gerado pelo imã faz com que o movimento dos elétrons se altere, como se uma corrente elétrica estivesse passando pelo material, e assim gerando um outro campo magnético. Esse campo se alinha em direção oposta ao do imã, e isso causa a repulsão.
Os paramagnéticos são os materiais que são atraídos pelos imãs. Eles possuem elétrons desemparelhados que se movem na direção do campo magnético, diminuindo a energia. Sem a influência do campo, o material mantém os spins de seus elétrons orientados aleatoriamente. Essa última frase é a que diferencia as substâncias paramagnéticas das ferromagnéticas. Essas últimas mantêm os spins de seus elétrons alinhados da mesma maneira, mesmo que sejam retiradas da influência do campo magnético. Esse alinhamento produz um outro campo e por isso materiais ferromagnéticos são usados para produzir magnetos permanentes. Materiais ferromagnéticos são: O Ferro, o Níquel, o Cobalto e ligas que contenham, pelo menos um desses elementos.
Os materiais diamagnéticos e paramagnéticos costumam ser classificados como não-magnéticos, pois seus efeitos, quando sob influência de um campo magnético, são muito pequenos. Já os ferromagnéticos são as substâncias magnéticas.
É importante saber que campos magnéticos são diferente de campos elétricos. Como já explicado, o primeiro se origina do movimento de cargas elétricas, enquanto que o campo elétrico surge apenas com uma carga, não importando seu momento. O campo magnético é perpendicular ao campo elétrico.