Ferromagnetismo

 Nota: Não confundir com Ferrimagnetismo.

Um ímã de alnico, uma liga ferromagnética de ferro, com sua peça de retenção magnética

Paramagnetismo, ferromagnetismo e ondas de spin

Ferromagnetismo é uma propriedade de certos materiais, como o ferro, que produz uma permeabilidade magnética elevada e observável e, em muitos casos, uma coercividade elevada, permitindo que o material forme um ímã permanente. Materiais ferromagnéticos são atraídos de modo perceptível por um ímã, como consequência de sua elevada permeabilidade magnética.

A permeabilidade magnética descreve a magnetização induzida de um material na presença de um campo magnético externo. Por exemplo, a magnetização temporária no interior de uma placa de aço explica a atração da placa por um ímã. A aquisição posterior de magnetização permanente pela placa depende da intensidade do campo aplicado e da coercividade daquela peça de aço, que varia conforme a composição química do aço e qualquer tratamento térmico pelo qual tenha passado.

Na física, distinguem-se diferentes tipos de magnetismo dos materiais. O ferromagnetismo, junto do efeito semelhante chamado ferrimagnetismo, é o tipo mais forte e responde pelo fenômeno comum do magnetismo encontrado no cotidiano. Um exemplo comum de ímã permanente é o ímã de geladeira. As substâncias respondem fracamente aos campos magnéticos por três outros tipos de magnetismo, paramagnetismo, diamagnetismo e antiferromagnetismo, mas as forças costumam ser tão fracas que só podem ser detectadas por instrumentos de laboratório.

Ímãs permanentes, materiais que podem ser magnetizados por um campo magnético externo e permanecem magnetizados depois que esse campo é retirado, são ferromagnéticos ou ferrimagnéticos. O mesmo vale para os materiais que são fortemente atraídos por eles. Relativamente poucos materiais são ferromagnéticos. Os mais comuns são os metais ferro, cobalto e níquel, a maior parte de suas ligas e certos metais de terras-raras.

O ferromagnetismo tem amplo uso na indústria e na tecnologia, em dispositivos eletromagnéticos e eletromecânicos como eletroímãs, motores elétricos, geradores, transformadores, armazenamento magnético, entre eles gravadores de fita e discos rígidos, e em ensaios não destrutivos de materiais ferrosos.

Os materiais ferromagnéticos podem ser divididos em materiais magneticamente "macios", como o ferro recozido, que têm baixa coercividade e não tendem a permanecer magnetizados, e materiais magneticamente "duros", que têm alta coercividade e permanecem magnetizados. Ímãs permanentes são feitos de materiais ferromagnéticos duros, como o alnico, e de materiais ferrimagnéticos, como as ferritas, submetidos durante a fabricação a um processamento especial em um campo magnético intenso. Esse processo alinha sua estrutura microcristalina interna e dificulta a desmagnetização. Para desmagnetizar um ímã saturado, é necessário aplicar um campo magnético. O limiar em que ocorre a desmagnetização depende da coercividade do material. A intensidade global de um ímã é medida por seu momento magnético ou, alternativamente, por seu fluxo magnético total. A intensidade local do magnetismo em um material é medida por sua magnetização.

Terminologia

Material ferromagnético: todos os dipolos magnéticos moleculares apontam na mesma direção

Material ferrimagnético: alguns dipolos apontam na direção oposta, mas sua contribuição menor é superada pela dos demais

Historicamente, o termo ferromagnetismo era usado para qualquer material capaz de apresentar magnetização espontânea, isto é, um momento magnético líquido na ausência de um campo magnético externo, em outras palavras, qualquer material que pudesse tornar-se um ímã. Essa definição ainda é de uso comum.

Em 1948, Louis Néel mostrou que a magnetização espontânea pode surgir de dois tipos distintos de ordenamento magnético. Nos materiais ferromagnéticos em sentido estrito, todos os momentos magnéticos ficam alinhados paralelamente entre si. No ferrimagnetismo, os momentos magnéticos ficam dispostos em duas sub-redes antiparalelas de magnitudes diferentes, o que produz uma magnetização líquida. Quando esses momentos opostos têm a mesma magnitude e se cancelam por completo, não pode haver magnetização espontânea. Esse estado é chamado de antiferromagnetismo.

Materiais

Ver também: Categoria:Materiais ferromagnéticos

Temperaturas de Curie de alguns materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos cristalinos

Material	Temperatura de Curie (K)
Co	1.388
Fe	1.043
Fe2O3	948
NiOFe2O3	858
CuOFe2O3	728
MgOFe2O3	713
MnBi	630
Ni	627
Nd2Fe14B	593
MnSb	587
MnOFe2O3	573
Y3Fe5O12	560
CrO2	386
MnAs	318
Gd	292
Tb	219
Dy	88
EuO	69

O ferromagnetismo ocorre em poucas substâncias. Entre as mais comuns estão os metais de transição ferro, níquel e cobalto, além de suas ligas e das ligas de metais de terras-raras. A propriedade depende da composição química do material, de sua estrutura cristalina e de sua microestrutura. O ferromagnetismo nesses materiais decorre da presença de muitos elétrons desemparelhados no bloco d, no caso do ferro e de elementos relacionados, ou no bloco f, no caso dos metais de terras-raras, como consequência da regra de Hund. Existem ligas metálicas ferromagnéticas cujos constituintes não são ferromagnéticos isoladamente, chamadas ligas de Heusler, em referência a Fritz Heusler. Também existem ligas não magnéticas, entre elas certos tipos de aço inoxidável, compostas quase inteiramente por metais ferromagnéticos.

Ligas metálicas ferromagnéticas amorfas, ou não cristalinas, são às vezes chamadas de asperomagnetos. Elas podem ser produzidas por resfriamento muito rápido de uma liga. Suas propriedades são quase isotrópicas, sem alinhamento ao longo de um eixo cristalino. Isso produz baixa coercividade, baixa perda por histerese, alta permeabilidade e alta resistividade elétrica. Um material típico desse tipo é uma liga de metal de transição e semimetal, formada por cerca de 80% de metal de transição, em geral Fe, Co ou Ni, e por um componente semimetálico, B, C, Si, P ou Al, que reduz o ponto de fusão.

Uma classe relativamente recente de materiais ferromagnéticos de força excepcional é a dos ímãs de terras-raras. Eles contêm elementos lantânidos, capazes de portar grandes momentos magnéticos em orbitais f bem localizados.

A tabela apresenta uma seleção de compostos ferromagnéticos e ferrimagnéticos e suas temperaturas de Curie (T_C), acima das quais deixam de apresentar magnetização espontânea.

Materiais incomuns

A maioria dos materiais ferromagnéticos é metálica, pois os elétrons de condução muitas vezes medeiam as interações ferromagnéticas. Por isso, produzir isolantes ferromagnéticos é difícil, sobretudo materiais multiferroicos que sejam ferromagnéticos e ferroelétricos.

Alguns compostos de actinídeos são ferromagnéticos à temperatura ambiente ou passam a apresentar ferromagnetismo quando resfriados. O PuP é paramagnético e tem simetria cúbica à temperatura ambiente, mas sofre uma transição estrutural para um estado tetragonal com ordem ferromagnética quando resfriado abaixo de T_C = 125 K. No estado ferromagnético, seu eixo fácil fica na direção ⟨100⟩.

No NpFe₂, o eixo fácil fica na direção ⟨111⟩. Acima de T_C ≈ 500 K, o NpFe₂ também é paramagnético e cúbico. O resfriamento abaixo da temperatura de Curie produz uma distorção romboédrica na qual o ângulo romboédrico passa de 60°, na fase cúbica, para 60,53°. Outra maneira de expressar essa distorção é considerar o comprimento c ao longo do único eixo trigonal, depois que a distorção começa, e a como a distância no plano perpendicular a c. Na fase cúbica, a relação se reduz a c/a = 1,00. Abaixo da temperatura de Curie, a rede adquire uma deformação

${\frac {c}{a}}-1=-(120\pm 5)\times 10^{-4},$

que é a maior deformação medida em um composto de actinídeo. O NpNi₂ sofre uma distorção semelhante da rede abaixo de T_C = 32 K, com uma deformação de (43 ± 5) × 10⁻⁴. O NpCo₂ é ferrimagnético abaixo de 15 K.

Em 2009, uma equipe de físicos do MIT demonstrou que um gás de lítio resfriado a menos de um kelvin pode apresentar ferromagnetismo. A equipe resfriou férmions de lítio-6 a menos de 150 nK, 150 bilionésimos de kelvin, por meio de resfriamento a laser infravermelho. Foi a primeira demonstração de ferromagnetismo em um gás.

Em circunstâncias raras, o ferromagnetismo pode ocorrer em compostos formados apenas por elementos dos blocos s e p, como o sesquióxido de rubídio.

Em 2018, uma equipe de físicos da Universidade de Minnesota demonstrou que o rutênio em uma fase tetragonal de corpo centrado apresenta ferromagnetismo à temperatura ambiente.

Ferromagnetismo induzido eletricamente

Há evidências de que o ferromagnetismo pode ser induzido em alguns materiais por corrente elétrica ou tensão. LaMnO₃ e SrCoO, que são antiferromagnéticos, foram comutados para um estado ferromagnético por uma corrente. Em julho de 2020, cientistas relataram a indução de ferromagnetismo na pirita, um material diamagnético abundante também chamado de "ouro dos tolos", por meio de uma tensão aplicada. Nesses experimentos, o ferromagnetismo ficou restrito a uma fina camada superficial.

Explicação

O teorema de Bohr-Van Leeuwen, descoberto na década de 1910, mostrou que as teorias da física clássica não conseguem explicar nenhuma forma de magnetismo dos materiais, inclusive o ferromagnetismo. A explicação depende da descrição dos átomos dada pela mecânica quântica. Cada elétron de um átomo tem um momento magnético relacionado ao seu estado de spin, tal como o descreve a mecânica quântica. O princípio de exclusão de Pauli, também decorrente da mecânica quântica, restringe a ocupação dos estados de spin dos elétrons nos orbitais atômicos, fazendo em geral com que os momentos magnéticos dos elétrons de um átomo se cancelem em grande parte ou por completo. Um átomo tem momento magnético líquido quando esse cancelamento é incompleto.

Origem do magnetismo atômico

Uma das propriedades fundamentais do elétron, além de sua carga, é possuir um momento de dipolo magnético. Em outras palavras, ele se comporta como um pequeno ímã e produz um campo magnético. Esse momento dipolar vem de uma propriedade mais fundamental do elétron, seu spin quântico. Devido à sua natureza quântica, o spin do elétron só pode estar em um de dois estados, com o campo magnético apontando "para cima" ou "para baixo", para qualquer escolha dessas duas direções. O spin dos elétrons nos átomos é a principal fonte do ferromagnetismo, embora o momento angular orbital do elétron em torno do núcleo atômico também dê uma contribuição. Quando esses dipolos magnéticos ficam alinhados em uma porção de matéria, apontando na mesma direção, seus campos magnéticos individuais, muito pequenos, somam-se e formam um campo macroscópico muito maior.

Materiais formados por átomos com camadas eletrônicas preenchidas têm momento dipolar total igual a zero. Como todos os elétrons aparecem em pares de spins opostos, o momento magnético de cada elétron é cancelado pelo momento oposto do segundo elétron do par. Somente átomos com camadas parcialmente preenchidas, isto é, com spins desemparelhados, podem ter momento magnético líquido, de modo que o ferromagnetismo só ocorre em materiais com camadas parcialmente preenchidas. Pelas regras de Hund, os primeiros elétrons de uma camada que estava desocupada tendem a ter o mesmo spin, aumentando o momento dipolar total.

Esses dipolos desemparelhados, muitas vezes chamados simplesmente de "spins", embora em geral também englobem o momento angular orbital, tendem a alinhar-se paralelamente a um campo magnético externo, produzindo um efeito macroscópico chamado paramagnetismo. No ferromagnetismo, porém, a interação magnética entre os dipolos magnéticos de átomos vizinhos é forte o bastante para que eles se alinhem entre si, independentemente de qualquer campo aplicado. Isso produz a magnetização espontânea dos chamados domínios. Daí vêm a elevada permeabilidade magnética observada nos materiais ferromagnéticos e a capacidade dos materiais magneticamente duros de formar ímãs permanentes.

Interação de troca

Ver artigo principal: Interação de troca

Quando dois átomos próximos têm elétrons desemparelhados, o fato de os spins desses elétrons serem paralelos ou antiparalelos afeta a possibilidade de eles compartilharem o mesmo orbital, em razão do efeito quântico chamado interação de troca. Isso afeta a posição dos elétrons, a interação de Coulomb, ou eletrostática, e a diferença de energia entre esses estados.

A interação de troca está relacionada ao princípio de exclusão de Pauli, segundo o qual dois elétrons com o mesmo spin não podem ocupar também o mesmo estado espacial, ou orbital. Isso decorre do teorema da estatística do spin e do fato de os elétrons serem férmions. Em certas condições, quando os orbitais dos elétrons de valência externos e desemparelhados de átomos vizinhos se sobrepõem, as distribuições de sua carga elétrica no espaço ficam mais afastadas quando os elétrons têm spins paralelos do que quando têm spins opostos. Isso reduz a energia eletrostática dos elétrons no estado de spins paralelos em comparação com o estado de spins antiparalelos, tornando o primeiro mais estável. A diferença de energia recebe o nome de energia de troca. Em termos simples, os elétrons externos de átomos vizinhos, que se repelem, podem afastar-se mais ao alinhar seus spins na mesma direção.

Essa diferença de energia pode ser ordens de grandeza maior que as diferenças de energia ligadas à interação dipolo-dipolo magnética decorrente da orientação dos dipolos, que tende a alinhar os dipolos antiparalelamente. Em certos óxidos semicondutores dopados, interações RKKY produzem interações magnéticas periódicas de alcance mais longo, fenômeno estudado em materiais spintrônicos.

Os materiais nos quais a interação de troca é muito mais forte que a interação dipolo-dipolo concorrente são frequentemente chamados de materiais magnéticos. No ferro, por exemplo, a força de troca é cerca de 1.000 vezes mais intensa que a interação dipolar. Abaixo da temperatura de Curie, quase todos os dipolos de um material ferromagnético ficam alinhados. A interação de troca também responde pelos outros tipos de ordenamento espontâneo dos momentos magnéticos atômicos encontrados em sólidos magnéticos, o antiferromagnetismo e o ferrimagnetismo. Diferentes mecanismos de interação de troca produzem magnetismo em substâncias ferromagnéticas, ferrimagnéticas e antiferromagnéticas. Entre eles estão a troca direta, a troca RKKY, a dupla troca e a supertroca.

Anisotropia magnética

Ver artigo principal: Anisotropia magnética

Embora a interação de troca mantenha os spins alinhados, ela não os orienta para uma direção determinada. Sem anisotropia magnética, os spins de um ímã mudariam de direção aleatoriamente em resposta às flutuações térmicas, e o ímã seria superparamagnético. Existem diferentes tipos de anisotropia magnética. O mais comum é a anisotropia magnetocristalina, na qual a energia depende da direção da magnetização em relação à rede cristalográfica. Outra fonte comum de anisotropia, a magnetostrição inversa, é induzida por tensões mecânicas internas. Ímãs de domínio único também podem apresentar anisotropia de forma devido aos efeitos magnetostáticos da forma da partícula. À medida que a temperatura de um ímã aumenta, a anisotropia tende a diminuir. Muitas vezes existe uma temperatura de bloqueio em que ocorre uma transição para o superparamagnetismo.

Domínios magnéticos

Ver artigo principal: Domínio magnético

Movimento dinâmico eletromagnético de domínios magnéticos em aço elétrico ao silício de grão orientado

Micrografia Kerr de uma superfície metálica mostrando domínios magnéticos. As faixas vermelhas e verdes indicam direções opostas de magnetização

O alinhamento espontâneo dos dipolos magnéticos nos materiais ferromagnéticos poderia levar à impressão de que toda peça de material ferromagnético deve ter um campo magnético intenso, já que todos os spins estariam alinhados. Ferro e outros materiais ferromagnéticos, porém, são encontrados com frequência em estado "desmagnetizado". Isso acontece porque uma peça macroscópica de material ferromagnético se divide em pequenas regiões chamadas domínios magnéticos, também conhecidos como domínios de Weiss. Dentro de cada domínio, os spins ficam alinhados. Se o material macroscópico estiver em sua configuração de menor energia, isto é, "desmagnetizado", os spins de domínios diferentes apontam em direções distintas e seus campos magnéticos se cancelam. Por isso, o material como um todo não apresenta um grande campo magnético líquido.

Materiais ferromagnéticos dividem-se espontaneamente em domínios magnéticos porque a interação de troca é uma força de curto alcance. Em distâncias que abrangem muitos átomos, prevalece a tendência de os dipolos magnéticos reduzirem sua energia orientando-se em direções opostas. Se todos os dipolos de uma peça de material ferromagnético estiverem alinhados paralelamente, forma-se um grande campo magnético que se estende pelo espaço ao redor da peça. Esse campo contém muita energia magnetostática. O material pode reduzir essa energia dividindo-se em muitos domínios orientados em direções diferentes, confinando o campo magnético a pequenos campos locais dentro do material e reduzindo o volume ocupado pelo campo. Os domínios são separados por finas paredes de domínio, com espessura de algumas moléculas, nas quais a direção de magnetização dos dipolos gira gradualmente da direção de um domínio para a do outro.

Representação de paredes de domínio de Bloch e de Néel. O desenho não está em escala.

As paredes de domínio podem assumir configurações diferentes conforme a forma como a magnetização gira através da parede. Nas paredes de Bloch e de Néel essa rotação é gradual, mas ocorre em orientações distintas em relação à parede. Em filmes magnéticos suficientemente finos, a redução da energia magnetostática favorece paredes de Néel, nas quais a magnetização permanece no plano do filme. Em materiais mais espessos, uma parede de Bloch no interior pode transformar-se gradualmente numa parede de Néel perto da superfície.

Materiais magnetizados

Movimento de paredes de domínio em um grão de aço ao silício, provocado por um campo magnético externo crescente na direção "para baixo" e observado em um microscópio Kerr. As áreas brancas são domínios com magnetização dirigida para cima e as áreas escuras são domínios com magnetização dirigida para baixo

Uma peça de ferro em seu estado de menor energia, ou "desmagnetizado", em geral tem pouco ou nenhum campo magnético líquido. Os domínios magnéticos de um material não estão fixos no lugar. São regiões em que os spins dos elétrons se alinharam espontaneamente devido a seus campos magnéticos e podem ser modificadas por um campo magnético externo. Se um campo externo suficientemente intenso for aplicado ao material, as paredes de domínio se moverão. Nesse processo, os spins dos elétrons de átomos próximos à parede de um domínio giram sob a ação do campo externo e passam a apontar na mesma direção que os elétrons do outro domínio. Os domínios são então reorientados, fazendo com que mais dipolos se alinhem ao campo externo. Quando o campo externo é retirado, os domínios permanecem alinhados e seus campos se somam, produzindo um campo próprio que se estende pelo espaço ao redor do material e formando um ímã "permanente". Os domínios não retornam à configuração original de energia mínima depois que o campo é removido, pois as paredes de domínio tendem a ficar presas em defeitos da rede cristalina, preservando a orientação paralela. O efeito Barkhausen mostra esse processo. À medida que o campo magnetizante varia, a magnetização do material muda em milhares de pequenos saltos descontínuos, quando as paredes de domínio ultrapassam subitamente esses defeitos.

A magnetização em função de um campo externo é expressa por uma curva de histerese. Embora o estado de domínios alinhados em uma peça ferromagnética magnetizada não seja uma configuração de energia mínima, ele é metaestável e pode persistir por longos períodos. Amostras de magnetita do fundo do mar, por exemplo, mantiveram sua magnetização por milhões de anos.

Aquecer e depois resfriar, por recozimento, um material magnetizado, submetê-lo à vibração por golpes ou aplicar um campo magnético de oscilação rápida com uma bobina de desmagnetização tende a liberar as paredes de domínio que estavam presas. Os limites entre os domínios tendem então a se deslocar para uma configuração de menor energia, com um campo magnético externo menor, desmagnetizando o material.

Ímãs comerciais são feitos de materiais ferromagnéticos ou ferrimagnéticos "duros" com anisotropia magnética muito alta, como alnico e ferritas, cuja magnetização tende fortemente a apontar ao longo de um eixo do cristal, o "eixo fácil". Na fabricação, os materiais passam por processos metalúrgicos em um campo magnético intenso, que alinha os grãos cristalinos para que seus eixos fáceis de magnetização apontem todos na mesma direção. A magnetização e o campo magnético resultante ficam incorporados à estrutura cristalina do material, o que dificulta muito sua desmagnetização.

Ciclo de histerese

Ciclo de histerese típico de um material ferromagnético ou ferrimagnético. A remanência é indicada por B_r e o campo coercivo por H_c.

A resposta de um ferromagneto a um campo aplicado não é linear nem determinada apenas pelo valor instantâneo do campo. Um mesmo valor de campo pode corresponder a estados magnéticos diferentes, conforme a magnetização anterior do material. Partindo de um estado desmagnetizado, o aumento do campo leva a magnetização em direção à saturação. Quando o campo retorna a zero, permanece uma remanência. Na curva de magnetização, a aplicação de um campo no sentido oposto leva a magnetização novamente a zero quando se atinge o campo coercivo. A continuação desse processo até a saturação oposta e sua repetição em sentido inverso produz o ciclo de histerese.

A área encerrada por um ciclo no diagrama B-H corresponde à energia dissipada por unidade de volume em cada ciclo e convertida em calor. Materiais magneticamente macios são projetados com ciclos estreitos e baixas perdas por histerese, uma propriedade desejável em núcleos de transformadores e outros dispositivos sujeitos a campos alternados. Materiais magneticamente duros apresentam coercividade maior e são adequados para ímãs permanentes.

Temperatura de Curie

Ver artigo principal: Temperatura de Curie

À medida que a temperatura de um material aumenta, o movimento térmico, ou entropia, compete com a tendência ferromagnética de alinhamento dos dipolos. Quando a temperatura ultrapassa um valor chamado temperatura de Curie, ocorre uma transição de fase de segunda ordem e o sistema deixa de sustentar uma magnetização espontânea. Com isso, desaparece sua capacidade de ser magnetizado ou atraído por um ímã, embora ainda responda paramagneticamente a um campo externo. Abaixo dessa temperatura ocorre uma quebra espontânea de simetria, e os momentos magnéticos se alinham aos de seus vizinhos. A temperatura de Curie é um ponto crítico no qual a susceptibilidade magnética é teoricamente infinita. Embora não haja magnetização líquida nesse ponto, correlações de spin semelhantes a domínios flutuam em todas as escalas de comprimento.

Acima da temperatura de Curie, a susceptibilidade magnética de muitos ferromagnetos no regime paramagnético pode ser aproximada pela lei de Curie-Weiss,

$\chi ={\frac {C}{T-\theta _{\mathrm {CW} }}},$

em que C é a constante de Curie e θ_CW é a temperatura de Curie-Weiss. Numa representação de 1/χ em função de T, a lei corresponde a uma reta cujo intercepto no eixo da temperatura é θ_CW. Em ferromagnetos, é comum encontrar T_C ≈ θ_CW. Quando a temperatura se aproxima dessa escala, a aproximação de campo médio usada na lei perde precisão e podem surgir desvios ligados ao desenvolvimento das correlações magnéticas.

Ver também

• Magnetismo, conceito geral que abrange as respostas magnéticas da matéria
• Histerese, dependência da magnetização do histórico do campo aplicado
• Ímã de neodímio, ímã permanente de neodímio, ferro e boro
• Ferrimagnetismo, ordem magnética com sub-redes antiparalelas de momentos diferentes

Ligações externas

Media relacionados com Ferromagnetismo no Wikimedia Commons

• Electromagnetism, capítulo 11 de um livro didático disponível na internet (em inglês)
• Sandeman, Karl (janeiro de 2008). «Ferromagnetic Materials». DoITPoMS (em inglês). Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge. Consultado em 22 de junho de 2019 , descrição não matemática de materiais ferromagnéticos, com ilustrações
• Magnetism: Models and Mechanisms, em E. Pavarini, E. Koch e U. Schollwöck, Emergent Phenomena in Correlated Matter, Jülich, 2013, ISBN 978-3-89336-884-6 (em inglês)