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 2. Valor total L – máximo, consistente com a regra no 1 3. Valor de J = L - S p/camada eletrônica menos meia cheia; ou J = L + S se mais meia cheia 4. 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. 1. Classificação dos Materiais Magnéticos Exemplo do Fe26 Metais de Transição 3d Configuração: Ar + 4s2 3d6 10 Orbital 4s completo 8 Orbital 3d até 10 elétrons (estados) L :[+2] [+1] [ 0 ] [-1 ] [-2 ] = 2 De acordo com a regra no3 : B g J ( J 1) B= eћ/2m (Magneton de Bohr) g - fator de Landé ( 2) Fe 8,9 B 4 J= 4 O momento magnético resultante: 6 / S : [↑↓] [↑ ] [↑ ] [↑ ] [↑ ] =2 2 0 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Atomic Number O estado de valência do átomo tem grande importância na determinação do seu momento magnético. 31 Classificação dos Materiais Magnéticos Considere um sólido de volume V. Materiais Diamagnéticos Define-se a magnetização (M) de um Cada átomo do material possui sólido, macroscopicamente como: 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. 1 M i V i i momento magnético individual de cada átomo Classificação dos Materiais Magnéticos Materiais Paramagnéticos Resposta ao campo externo Cada átomo do material possui 20 10 Magnetização 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 30 0 -10 Susceptibilidade paramagnética -20 = M/H (por unidade de volume) -30 -40 -10 -5 0 5 10 Campo H 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. •Magnetização espontânea: M(T) (em H=0) O aumento da energia térmica •Temperatura de Curie: M(Tc) = 0 (temperatura) pode forçar um ferromagneto para o estado •TTc o material se torna paramagnético. 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 1. 2. 3. 4. 5. 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.