Materiais e Medidas Magnéticas

1. Materiais eMedidas Magnéticas

2. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

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

8. 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Tco material se torna paramagnético. • Fe, Co e Ni são ferromagnetos típicos.

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

10. Classificação dos Materiais Magnéticos • Magnético X Magnetizado • Frações (escala nanométrica) de um material ferromagnético mostram regiões de atespontaneamente 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.

11. 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.