Materiais e Medidas Magnéticas

Classificação dos Materiais Magnéticos Magnetismo dos Sólidos Átomos + rede cristalina Elétrons em movimento Classicamente, cargas em movimento  campos magnéticos Elétrons Momento angular orbital (L) Momento de Spin (S) Momento angular total: J= L+S Como se somam J para os diversos elétrons de um átomo? Regras de Hund Valor total S – máximo permitido pelo Princípio de Pauli Valor total L – máximo, consistente com a regra no 1 Valor de J = L - S p/camada eletrônica menos meia cheia; ou J = L + S se mais meia cheia J = S se meia cheia (L=0) Átomos c/camadas completas (J=0) não devem contribuir para o campo magnético do sólido. Elementos de interesse  metais de transição, em particular série 3d.

Classificação dos Materiais Magnéticos Exemplo do Fe26 Configuração: Ar + 4s2 3d6 Orbital 4s completo Orbital 3d até 10 elétrons (estados) S : [↑↓]  [↑ ]  [↑ ]  [↑ ]  [↑ ] =2 L :[+2]  [+1]  [ 0 ]  [-1 ]  [-2 ] = 2 De acordo com a regra no3 : J= 4 O momento magnético resultante: B= eћ/2m (Magneton de Bohr) g - fator de Landé ( 2) Fe  8,9 B O estado de valência do átomo tem grande importância na determinação do seu momento magnético.

Classificação dos Materiais Magnéticos Considere um sólido de volume V. Define-se a magnetização (M) de um sólido, macroscopicamente como: i momento magnético individual de cada átomo Materiais Diamagnéticos Cada átomo do material possui individualmente momento magnético nulo. i = 0 M = 0 Quando submetido a um campo magnético externo (H), praticamente nada acontece. O Zn30 é um exemplo de material diamagnético.

Classificação dos Materiais Magnéticos Materiais Paramagnéticos Cada átomo do material possui momento não nulo. i ≠ 0 M = 0 devido à orientação aleatória dos momentos individuais. Interação magnética entre os momentos não é forte o suficiente para ordená-los. A energia térmica (temperatura) mantém os momentos magnéticos mudando constantemente de direção. Campo externo (H) tende a alinhar os momentos à sua direção, devido à interação entre ambos. i ≠ 0 Resposta ao campo externo Susceptibilidade Paramgnética  = M/H (por unidade de volume)  = / (por unidade de massa)  é função da temperatura (T) O Mn25 é um paramagnético conhecido.

Classificação dos Materiais Magnéticos Lei de Curie  (T)= Const/T O valor de Const depende fundamentalmente de i.

Classificação dos Materiais Magnéticos Materiais Ferromagnéticos Cada átomo do material possui momento não nulo. i ≠ 0 Interação magnética entre os momentos é forte o suficiente (frente à energia térmica) para alinhá-los “parcialmente”: i ≠ 0 . M  0 mesmo sem a aplicação de um campo (H) externo. O aumento da energia térmica (temperatura) pode forçar um ferromagneto para o estado paramagnético. Magnetização espontânea: M(T) (em H=0) Temperatura de Curie: M(Tc) = 0 TTc o material se torna paramagnético. Fe, Co e Ni são ferromagnetos típicos.

Classificação dos Materiais Magnéticos Lei de Curie-Weiss (T) = Const/(T – Tc) (T >Tc)

Classificação dos Materiais Magnéticos Magnético X Magnetizado Frações (escala nanométrica) de um material ferromagnético mostram regiões de at espontaneamente alinhados para certa temperatura T. Domínios magnéticos - cada um com sua própria orientação de Mi. Ferromagneto desmagnetizado i = 0 Domínios magnéticos - com orientação preferencial de Mi. Ferromagneto magnetizado i ≠ 0 Após a aplicação de um campo externo o ferromagneto se torna magnetizado.

O ciclo de histerese Partindo de um material desmagnetizado (M=0; H=0) Para um campo suficientemente forte todos os domínios terão Mi alinhados. Magnetização de saturação (Ms) Reduzindo o campo até zero restarão ainda alguns domínios alinhados que produzem uma magnetização residual (MR) ou remanente. É necessário aplicar um campo na direção oposta (negativo) para anular a magnetização. O campo coercivo (Bc=0Hc). Aumentando e reduzindo o campo aplicado entre valores máximos (positivos e negativos) reproduz-se o ciclo de histerese do material ferromagnético.