Definindo Ferromagnetismo
Todo mundo adora brincar com ímãs. Parece quase mágica senti-los se empurrando e puxando um sobre o outro, mesmo que não estejam se tocando. Parecia mágica para os povos antigos, mas hoje nós entendemos essas forças e de onde elas vêm, então sabemos que é apenas ciência. Os campos magnéticos surgem do movimento da carga elétrica (corrente) e usamos esse efeito o tempo todo quando fazemos motores, geradores e assim por diante. Mas, também aprendemos que alguns materiais podem causar um campo magnético por si próprios. Pedaços de tais materiais podem não começar a formar um campo, mas, se os colocarmos em um campo gerado separadamente e, em seguida, removê-los, descobrimos que eles ‘se lembram’ disso e, a partir daí, criam um campo magnético próprio. Esses materiais são chamados de ferromagnéticos .
Campos magnéticos
Todos os campos magnéticos surgem de cargas elétricas em movimento. Em materiais magnéticos, as cargas móveis são os elétrons que giram em torno dos átomos ou moléculas do material. Você pode perguntar por que, então, nem todos os materiais são magnéticos, visto que todos os materiais são feitos de átomos ou moléculas, e todos os átomos e moléculas têm elétrons em movimento associados a eles?
Essa é uma ótima pergunta! Mas também tem uma ótima resposta. Em primeiro lugar, alguns átomos e moléculas têm distribuições de elétrons, de modo que os movimentos dos vários elétrons se cancelam no que diz respeito à produção de um campo magnético. Mesmo em materiais que têm elétrons «não cancelados», às vezes os próprios átomos e moléculas têm arranjos aleatórios, de modo que os minúsculos campos produzidos por cada um acabam se cancelando mutuamente. Portanto, em ambos os casos, acabamos sem um grande campo geral.
Em materiais ferromagnéticos, o arranjo dos átomos ou moléculas é fácil de mudar – quando aplicamos um campo magnético externo a tal material, o arranjo muda de modo que os campos produzidos dentro do material ‘se alinham’ com o campo externo. Então, quando removemos o campo externo, os campos internos ajudam a manter um ao outro alinhado, de modo que o material continua a produzir um campo significativo mensurável externamente.
Domínios Magnéticos e Ferromagnetismo
As mudanças no alinhamento dentro do material geralmente não chegam à escala atômica ou molecular. É comum descobrir que um pedaço do material é composto de regiões nas quais os campos atômicos / moleculares já estão alinhados. Mas, quando o material está em um estado não magnetizado, essas regiões produzem campos em direções aleatórias e todos se cancelam. Um campo externo pode alinhar os campos de regiões inteiras. Os cientistas chamam essas regiões de domínios magnéticos . É importante entender que as próprias regiões físicas não giram durante o processo de realinhamento. Em vez disso, o campo magnético da região pode ser realinhado dentro da região.
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Materiais ferromagnéticos são materiais nos quais os domínios tendem a manter-se magneticamente alinhados (uma vez que eles ficam alinhados) de forma que a maioria ou todos os domínios produzem um campo na mesma direção. Existem outras classes de materiais magnéticos, como ferrimagnéticos (que seguem o mesmo princípio, exceto que apenas uma fração dos domínios se tornam permanentemente alinhados e, portanto, têm um campo autogerado mais fraco) e antiferromagnéticos (que têm domínios que assumem um padrão alternado de alinhamento e, portanto, criar muito pouco campo próprio). Destes, os materiais ferromagnéticos têm os campos magnéticos mais fortes e perceptíveis.
Os materiais ferromagnéticos mais comuns são ferro, níquel e cobalto (e a maioria das ligas formadas por esses elementos). Se você verificar uma tabela periódica de elementos, descobrirá que esses três elementos são vizinhos. Isso faz sentido, uma vez que a localização na tabela periódica tem a ver com a estrutura eletrônica de um elemento, e essa estrutura também controla até que ponto os átomos do elemento podem produzir campos magnéticos.
Quando um objeto é aquecido, os átomos ou moléculas de que é feito vibram com mais força. A temperatura é, na verdade, apenas uma ‘média’ das vibrações de muitos átomos ou moléculas. Se você aquecer um ímã permanente a uma temperatura suficientemente alta, essa energia vibracional se tornará forte o suficiente para superar a tendência dos domínios de permanecerem alinhados. O alinhamento (e o campo magnético do ímã) será perdido. O ímã pode ser re-magnetizado depois de esfriar, mas não recuperará seu campo por conta própria.
Um ímã permanente pode ter sua direção de magnetização invertida se um campo externo adequadamente forte for aplicado na direção reversa. O campo externo tem que forçar todos os domínios a reverter seu alinhamento. Este processo provoca a geração de algum calor dentro do objeto, havendo uma perda de energia. Isso dá origem a um fenômeno chamado histerese em materiais magnéticos. Na maioria dos motores e geradores CA, os materiais magnéticos são alternadamente magnetizados para frente e para trás, portanto, a histerese é uma fonte de ineficiência nesses dispositivos.
Resumo da lição
Ferromagnetismo é a capacidade de um material de produzir um campo magnético sozinho. Para fazer isso, os átomos ou moléculas do material devem ter uma estrutura de elétrons adequada, e os átomos e moléculas individuais devem ter uma orientação em relação uns aos outros que permita a adição dos campos. A maioria dos materiais ferromagnéticos contém regiões chamadas domínios, dentro do qual os campos atômicos / moleculares individuais já estão alinhados, mas geralmente requer a exposição a um campo magnético externo para alinhar os campos dos domínios em uma direção. Em materiais ferromagnéticos, uma vez feito isso, o campo criado pelos domínios (agora alinhados) manterá o alinhamento, a menos que o objeto seja aquecido a uma temperatura alta o suficiente. Reverter a direção da magnetização em um material ferromagnético geralmente causa algumas perdas de calor, dando origem ao efeito conhecido como histerese .