Materiais magnéticos: tipos de magnetismo, aplicações e origem do magnetismo-Ciência e Engenharia de materiais

sinto que toda vez que aprendo algo sobre magnetismo, percebo que meu entendimento anterior estava de alguma forma incorreto ou simplificado demais. Enquanto escrevo isso, terminei minhas aulas de Doutorado, então espero ter terminado de reaprender propriedades magnéticas.Todos os materiais têm alguma forma de magnetismo. Os elementos podem ser diamagnéticos, paramagnéticos ou ferromagnéticos. Compostos feitos de vários elementos também podem ser ferrimagnéticos ou antiferromagnéticos.

neste artigo, quero contar tudo o que gostaria de ter aprendido sobre materiais magnéticos, pela primeira vez. Vou tornar as coisas o mais simples possível, sem simplificar demais, de tal forma que você terá que desaprender algo. Se você busca um PhD e um dia seu conhecimento do magnetismo excede o meu, espero que você não precise desaprender nada do que leu aqui.Dito isto, sou um cientista de materiais especializado em Propriedades mecânicas, não em Propriedades magnéticas. Vou fornecer um breve histórico sobre campos magnéticos e a base da mecânica quântica para o magnetismo, mas se você realmente quiser esses detalhes, é melhor perguntar a um físico.

o que é magnetismo?

“magnetismo” é um termo amplo que se relaciona com metade da força eletromagnética. Você intuitivamente sabe o que é um ímã, então você tem alguma idéia de forças de atração e repulsão. A melhor maneira de descrever o magnetismo é usando “campos magnéticos.Os campos magnéticos são um tópico que você pode ter aprendido no ensino médio, mas possivelmente esquecido, então aqui está uma atualização rápida.

Clique aqui para saber mais sobre campos magnéticos.

os campos magnéticos funcionam como campos elétricos. Há uma fonte magnética e pia – nós os chamamos de” pólo norte “e” pólo sul ” de um ímã.

linhas de campo magnético viajam do Pólo Norte para o pólo sul (ou do Pólo Sul para o pólo norte, você faz você).Cada pólo norte e sul de um ímã também precisa ter seu lado oposto, mas as linhas de campo podem até viajar de um ímã para outro.

linhas de campo magnético não existem” realmente”. Eles são uma ferramenta conceitual para nos ajudar a entender o comportamento magnético. As linhas de campo rastreiam a energia potencial.Basicamente, o pólo magnético norte reduziria sua energia potencial movendo-se mais perto do Pólo Sul, se ele se movesse na direção indicada pelas linhas de campo. Um ímã de barra não pode aproximar seus pólos norte e sul, mas pode alinhar seus pólos norte ou sul aos pólos Sul ou norte de um ímã diferente.

tenho certeza que você sabia disso, mas quando você tem vários ímãs e arranjos complexos de pólos norte e sul, é mais fácil apenas considerar como os campos magnéticos interagem. Isso é especialmente útil ao lidar com o eletromagnetismo completo, porque a eletricidade também pode gerar campos magnéticos.

não apenas as linhas de campo magnético indicam a polaridade (Norte vs sul) de um ímã, mas também indicam a força, ou fluxo, de um campo magnético. Quanto mais próximas as linhas são desenhadas, mais forte é o campo magnético.

por exemplo, no espaço entre esses átomos, as linhas de campo são aproximadamente igualmente espaçadas, então o fluxo magnético é aproximadamente constante. Perto de qualquer pólo individual, no entanto, você verá que as linhas de campo se aproximam muito. Isso indica que os pólos têm a força magnética mais forte.Em outras palavras, um objeto que seria atraído para um pólo sul, quando colocado em qualquer lugar, seguiria as linhas de campo até atingir sua energia potencial mínima em um dos pólos sul do ímã.Desculpe se essa não foi a melhor explicação, existem aulas universitárias inteiras que discutem campos elétricos e magnéticos.Portanto, se você entender o que é um campo magnético, então um “material magnético” seria um material que reduz sua energia potencial seguindo as linhas de campo. Em outras palavras, seria atraído por um pólo norte ou sul.

pelo menos, é assim que a maioria das pessoas usa a palavra “magnético.”Na realidade, cada átomo é magnético. No entanto, existem diferentes tipos de magnetismo atômico–e esses efeitos magnéticos ficam ainda mais complicados quando os átomos estão dispostos em estruturas de cristal.

Se você está avançado em seus estudos, você pode saber que o tipo de magnetismo que adere aos ímãs é chamado ferromagnetism.Se você está realmente avançado, você pode saber que o ferromagnetismo não é o único tipo de material magnético. Na verdade, a maioria dos ímãs de geladeira são na verdade ferrimagnetos.

seja qual for a sua compreensão atual das propriedades magnéticas, este post vai começar no básico e cobrir tudo!

a origem do magnetismo

Antes de mergulharmos em tipos de magnetismo, preciso abordar a origem fundamental do magnetismo. O magnetismo é um efeito mecânico quântico que está relacionado ao spin de elétrons. A mecânica quântica é notoriamente difícil de explicar de forma intuitiva, mas farei o meu melhor para simplificar as coisas sem apresentar falsidades.

Clique aqui para uma explicação dos números quânticos.Cada elétron em um átomo tem um conjunto específico de números quânticos. Você pode ter aprendido isso na química do ensino médio.

o princípio número quântico, , descreve a camada de elétrons. é a concha mais próxima do átomo. Entre os elementos atualmente descobertos 7 está o valor máximo para . Você pode ver o valor máximo para n para qualquer elemento, vendo qual linha o átomo está na tabela periódica. Por exemplo, o ferro está na Linha 4, portanto pode ser 1, 2, 3 ou 4.

o número quântico angular (ou azimutal), , descreve o orbital de elétrons. pode estar entre 0 e. é um orbital s, é um orbital p, é um orbital d, é um f orbital, é um g orbital, etc. Por exemplo, um elétron no 4º shell 3 orbitais: e .

o número quântico magnético, , varia dea. Por exemplo, um elétron no orbital d pode ter cinco valores de e .

o número quântico de spin, , só pode ter dois valores: para cima ou para baixo.

talvez enganosamente, o número quântico de spin é o que dá origem ao magnetismo. De acordo com a regra de Hund, os elétrons preenchem todo o orbital com o mesmo spin e, em seguida, preenchem o orbital com o spin oposto. Por exemplo, o ferro tem 6 (de 10) elétrons em seu suborbital d externo. Os primeiros 5 elétrons serão girados e o 6º será girado para baixo.

você pode usar a configuração de elétrons para dizer quais elétrons estão na camada externa.

você pode pesquisar sobre configurações de elétrons se você esqueceu, mas como uma atualização rápida, as configurações de elétrons são escritas rotulando os números quânticos, indo na linha da tabela periódica.

A configuração eletrônica para o ferro é 1s22s22p63s23p64s23d6. Então você pode ver que o ferro tem 6 elétrons no orbital D não preenchido. Em abreviação, você pode fazer backup do gás nobre mais próximo e escrevê-lo como 4s23d6. Co seria s23d7, e Ga seria 4s23d104p1.

esses elétrons desemparelhados em cada átomo de ferro têm um spin líquido. Isso é chamado de Bohr magneton. Como você pode ver a partir deste cálculo para o ferro, o ferro tem um magnetão teórico de bohr de 4. Elementos com orbitais cheios ou vazios não têm spin líquido porque cada elétron de “spin ascendente” é emparelhado com um elétron de “spin descendente” e, portanto, o átomo tem um magnetão Bohr de zero.

este foi um argumento muito ondulado à mão; se você quiser uma abordagem matemática mais rigorosa, você pode conferir este excelente capítulo sobre a origem dos dipolos magnéticos.

como você verá na próxima seção, existe um conceito chamado “interação de troca” que relaciona o magnetão Bohr às propriedades magnéticas do material. (Spoiler: a ligação e o compartilhamento de elétrons mudam muito as coisas).

que Propriedade O magnetismo mede?

Quando você fala sobre as propriedades magnéticas de um material, você está falando sobre como o material responde a um campo magnético externo. Chamamos isso de campo magnético externo H.

a adição de todos os momentos magnéticos em um material é chamada M. Também podemos usar B, que é semelhante e mais comum, mas menos intuitivo (expliquei a diferença entre B E M neste artigo).Então, basicamente, o que faz algo magnético é o fato de que B muda quando H muda.

como B é uma função de H, há uma inclinação entre os dois. Essa inclinação é chamada permeabilidade magnética, é a permeabilidade do espaço livre. Isso significa que, se você criou um campo magnético no vácuo, o vácuo seria .

uma medida muito semelhante à permeabilidade é a suscetibilidade, representada por . é a inclinação na curva M-H, da mesma forma μ é a inclinação na curva B-H. (Mais uma vez, você pode ler mais sobre essas diferenças neste artigo). A susceptibilidade de um vácuo é 0.

também podemos definir permeabilidade relativa, que é apenas a razão entre a permeabilidade do material e a permeabilidade do espaço livre.

Tipos de Materiais Magnéticos

materiais Magnéticos são definidas pela sua resposta a um campo externo (em outras palavras, a sua permeabilidade).

Existem 3 tipos principais de materiais magnéticos: ferromagnético, paramagnético e diamagnético. Também abordarei os outros dois tipos: ferrimagnético e antiferromagnético.

Diamagnets têm uma permeabilidade relativa ligeiramente inferior a um. Os paramagnetos têm uma permeabilidade relativa ligeiramente maior que 1. Os antiferromagnetos têm uma permeabilidade relativa quase exatamente igual a 1. Ferromagnetos e ferrimagnetos têm uma permeabilidade relativa muito grande e não linear.

diamagnetismo

todos os materiais têm diamagnetismo. O diamagnetismo é uma propriedade repulsiva que surge da lei de Lenz.A Lei de Lenz diz que a criação de um campo magnético moverá elétrons. Os elétrons em movimento também criam um campo magnético, e o campo magnético recém-criado se oporá ao original.

isso vale mesmo para elétrons em um átomo. Para qualquer material, expor o material a um campo magnético fará com que os elétrons do átomo se movam de uma forma que crie um pequeno campo magnético na direção oposta.

Por essa lógica, todos os materiais devem ser repelidos por um campo magnético, independentemente da direção do campo magnético. No entanto, essa repulsão é tão pequena que requer equipamentos muito especializados para medir.

os materiais diamagnéticos têm um magnetão Bohr de zero, então o diamagnetismo é o único efeito magnético que eles experimentam. Todos os materiais têm diamagnetismo, mas outras formas de magnetismo são mais fortes, de modo que os materiais que também têm outro tipo de magnetismo são categorizados por seu tipo mais forte.

Exemplos de Diamagnetic Metais com (Relativa) Permeabilidade Magnética Valores:

• Cobre (Cu): µr = 0.99999
• Mercúrio (Hg): µr = 0.99997
• Bismuto (Bi): µr = 0.99984 mais forte diamagnetic propriedades de

Outros Metais Diamagnetic:

• Zinco (Zn)
• > Magnésio (Mg)
• Ouro (Au)

Exemplos de Diamagnetic Materiais Que Não Metais:

• Silício (Si)
• Fósforo (P)
• Água
• Grafite
• DNA e outras proteínas

Relação entre B (magnético densidade de fluxo) e H (intensidade do campo magnético):

Paramagnetism

Diamagnetismo é um fraco alinhamento contra um campo magnético aplicado, para paramagnetism é um fraco alinhamento com um campo magnético aplicado. Existem alguns tipos de paramagnetismo (veja este artigo para mais), mas o efeito líquido é o mesmo: os elétrons criam um campo magnético que se alinha com o campo externo.Em alguns metais, dependendo dos efeitos da mecânica quântica, esses elétrons podem realmente experimentar um efeito diamagnético mais forte, além do efeito paramagnético. Átomos como Cu ou Ag experimentam essencialmente 2 tipos de diamagnetismo e 1 tipo de paramagnetismo, então os elementos são diamagnéticos gerais.

Na escola você pode ter sido ensinado simplesmente calcular o magneton de Bohr e declarar que elementos com foram diamagnetic e todos os outros estavam paramagnético; infelizmente, na vida real, a mecânica quântica não são tão simples e você é melhor fora de procurar que tipo de magnetismo de um material (não se preocupe, eu tenho um gráfico mais adiante neste artigo).

Exemplos de Paramagnetics com (Relativa) Permeabilidade Magnética Valores:

• Platinium (Pt): µr = 1.00027
• Alumínio (Al): µr = 1.0000196
• Ar µr = 1.00000037

Outros Exemplos de Materiais Paramagnéticos:

• Sódio (Na)
• Estanho (Sn)
• Oxigênio (O2)
• Hidrogênio (H2)

Relação entre B (magnético densidade de fluxo) e H (intensidade do campo magnético):

Ferromagnetism

materiais Ferromagnéticos também experiência paramagnético e diamagnetic efeitos, mas o ferromagnéticos efeito é muito maior do que esses efeitos.

o ferromagnetismo surge do acoplamento de troca que causa a formação de domínios magnéticos.Domínios são regiões onde todos os átomos contribuem com seu momento magnético na mesma direção.

Como com várias de minhas explicações, infelizmente eu não posso fornecer uma resposta intuitiva do que

Há uma coisa chamada Beth-Slater modelo que prediz o ferromagnetism com base no espaçamento atômico e elétrons, o d-orbital.

de acordo com este modelo, o cobalto é na verdade o metal mais ferromagnético.Mecânica quântica à parte, a ideia de domínios não é realmente muito difícil de entender, se você está disposto a aceitar sua existência na fé. Domínios são regiões do material onde todos os momentos dos átomos se alinham na mesma direção.

domínios diferentes, no entanto, são orientados aleatoriamente no início. Mas quando você introduz um campo magnético externo, cada domínio se alinha com esse campo e produz seu próprio campo magnético. Mesmo depois de remover o campo externo, todos os domínios se reforçam e o material mantém seu campo magnético.

isso cria uma propriedade chamada histerese magnética, sobre a qual você pode ler tudo aqui.

é possível remover o campo magnético criado internamente aumentando a temperatura do ferromagneto. À medida que a temperatura aumenta, os átomos (e domínios) vibram mais até que o acoplamento de troca cesse e os domínios não possam mais manter seu alinhamento não Aleatório.

esta temperatura é chamada de temperatura de cura. Acima da temperatura Curie, os materiais ferromagnéticos tornam-se paramagnéticos.

materiais Antiferromagnéticos

os materiais Antiferromagnéticos têm alinhamento de rotação como materiais ferromagnéticos; no entanto, enquanto os ferromagnetos alinham os momentos magnéticos atômicos na mesma direção, os antiferromagnetos alinham os momentos magnéticos em direções opostas.

em outras palavras, os momentos antiferromagnetos se combinam perfeitamente, levando a 0 magnetismo total (em teoria, mas na prática existem defeitos de cristal, de modo que os momentos não se opõem perfeitamente, então o momento magnético total é maior que 0).

este fenômeno é chamado de ” superexchange de energia de rotação.(Superexchange também é usado para descrever como os domínios ferromagnéticos se alinham). Isso é um pouco complicado e depende do conhecimento de alguns fundamentos da química quântica, então deixe-me explicar em texto colapsável.

Clique aqui para saber mais sobre superexchange em antiferromagnetos.

MnO é o exemplo clássico de um antiferromagneto. A cerâmica iônica tem íons Mn2 + que gostariam de roubar 2 elétrons e O2 – gostaria de doar 2 elétrons. Devido ao princípio de exclusão de Pauli, O2 – deve ter 1 elétron com spin up e um elétron com spin down.

a regra de Hund afirma que os elétrons preencherão o orbital D com giros na mesma direção primeiro. Como Mn2 + tem 5 elétrons não pareados no orbital D, todos os 5 elétrons devem ser os mesmos–vamos imaginar que eles estão girando. Isso significa que os 6º e 7º elétrons devem girar para baixo.

então, o O2 – deve doar seu elétron de rotação para o Mn2 + à esquerda. O2-tem um spin up electron restante, que é doado para o Mn2 + à direita. Mas o mesmo raciocínio que acabei de usar, se o spin up for para a direita, os outros 5 elétrons devem girar para baixo.

MnO tem uma estrutura de cristal de sal de rocha. Se você olhar para a estrutura cúbica simples, cada átomo de Mn tem um momento magnético de 3, mas apontando na direção oposta como o momento magnético do próximo átomo de Mn mais próximo. Assim, todos os momentos se cancelam.

assim como os ferromagnetos se tornam paramagnetos acima da temperatura Curie, os antiferromagnetos se tornam paramagnetos acima da temperatura Néel. Em ambos os casos, a energia térmica causa flutuações e aleatoriedade que podem superar a superexchange.

se você quiser ler uma descrição mais precisa, mas muito matemática, do superexchange, você pode conferir este artigo de Anderson.

não existem muitas aplicações magnéticas práticas para antiferromagnetos (uma vez que são essencialmente não magnéticos), mas podem ser usados como ponto de referência em experimentos magnéticos. Eles também têm grande valor teórico e podem ajudar os cientistas a entender melhor os supercondutores.

materiais ferrimagnéticos

se você já viu um ímã de geladeira de cerâmica, provavelmente era um ferrimagneto. Os materiais ferrimagnéticos se comportam de maneira muito semelhante aos materiais ferromagnéticos. No entanto, os ferrimagnets funcionam pela mesma superexchange indireta que os antiferromagnetts.

enquanto os antferromagnetos se cancelam completamente porque cada par de momentos magnéticos é igual, os ferrimagnetos têm apenas cancelamento parcial. O que significa que eles realmente têm magnetização parcial.

cada momento magnético é emparelhado com um momento magnético mais fraco na direção oposta. Como todos os momentos fortes se alinham na mesma direção e os momentos fracos se alinham na direção oposta, os momentos fortes ganham e o material tem um momento magnético geral.Fe3O4, o material magnético mais antigo conhecido, é um ferrimagneto. Este material tem uma estrutura de espinélio inversa com Fe3 + em sítios tetraédricos, e Fe2+ e Fe3+ ambos ocupando sítios intersticiais octaédricos. O Fe3+ nos locais octraédrico e tetraédrico se cancelam, mas o Fe2 + restante não se cancela, levando a um momento magnético líquido.

Ferrimagnets se comportam praticamente de forma idêntica aos ferromagnetos, incluindo ter uma temperatura Curie.

se você quiser ler um artigo do próprio Néel, pode conferir este.

Pensamentos finais

Agora você sabe sobre todos os 5 tipos de magnetismo, por que o magnetismo existe e exemplos de cada tipo de material magnético.

Antes de ir, dê uma olhada neste gráfico útil que o ajudará a lembrar como os momentos magnéticos se comportam em cada tipo de material.

referências e outras leituras

Clique aqui para saber mais sobre a histerese magnética. Se você quiser saber a diferença entre indução magnética B e magnetização M, Leia este artigo.

para mais matemática por trás da origem dos dipolos magnéticos, recomendo este artigo do Professor Föll.

para mais informações sobre suscetibilidade magnética, você pode ler este artigo de Alan Elster ou este artigo de Richard Fitzpatrick.

para mais informações sobre a estrutura spinell, recomendo este artigo de Aditya vardhan.

se você quiser ler uma descrição mais precisa, mas muito matemática, do superexchange, você pode conferir este artigo de Anderson.

Yang et al.o artigo, que desenha a estrutura do Fe3O4, pode ser encontrado aqui.Aqui está um dos artigos de Néel sobre ferromagnetismo e antiferromagnetismo.

se você quiser saber mais sobre antiferromagnetismo, Katherine Wellmon escreveu este artigo útil.

esta página de Bruce Moscowitz tem uma excelente quebra de tipos de ímãs. Ele colocou ênfase especial na dependência da temperatura, que eu realmente não abordei neste artigo.

se você quiser saber mais sobre materiais específicos usados para ímãs, a Universidade de Birmingham hospeda dois excelentes artigos sobre ímãs duros e ímãs macios.