Materiais Magnéticos e as Leis que os Regem

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Universidade Federal dE PELOTAS - UFPEL
MATERIAIS MAGNETICOS E AS LEIS QUE OS REGEM
bruno piedras
thiago rutz
Pelotas
2016
1. Forças Fundamentais do Universo
 Introdução:
Primeiramente para que possamos falar de materiais e forças eletromagnéticas, temos que passar por uma pequena introdução em relação as forças fundamentais existentes no nosso universo.
Figura 1 As 4 forças fundamentais do nosso universo.
O Universo é governado por quatro forças fundamentais, tais quais conhecidas como: a Força Gravitacional, a Força Eletromagnética, a Força Nuclear Fraca e a Nuclear Forte. 
Antes do Big Bang, o Universo era uma singularidade infinitesimalmente pequena, onde estas 4 forças estavam confinadas em um único ponto. Logo após o Big Bang, a gravidade foi a primeira que se separou das demais forças, assim por diante, dando origem as galáxias.
Astrônomos calculam que o universo abriga cerca de 100 bilhões de galáxias. Andrômeda, Via Láctea e Galáxia do Cata-vento do Sul são os nomes de algumas delas, visíveis a olho nu ou por telescópios espaciais, tendo como a via láctea onde a terra está situada. 
1.2 Interação entre as Forças Fundamentais:
A tabela mostra detalhes sobre as forças fundamentais e tem como aIntensidade sendo os valores atribuídos abaixo (fig.2). Estes valores não são absolutos podendo variar bastante em diferentes livros, em particular no que diz respeito à força fraca. O cálculo da intensidade depende da natureza da fonte e a que distância estamos fazendo a medição. O que é importante notar, é a razão entre elas: a força eletromagnética é a segunda mais forte.
Figura 2 interação das forças.
1.3 Força Eletromagnética
A força eletromagnética é um tipo de interação que envolve diretamente as seguintes partículas elementares: prótons e elétrons e a partícula mediadora da força eletromagnética é o fóton (uma forma de descrever a luz como partículas indivisíveis). Qualquer objeto ou corpo com carga elétrica emite e absorve luz (fótons), que é responsável pela transmissão da força eletromagnética. Tal constatação nos permite afirmar que a força eletromagnética entre dois corpos não é transmitida instantaneamente, mas sim, na velocidade da luz.
É importante destacarmos que desde os átomos até as enormes montanhas, passando pelos seres humanos, em tudo predomina a interação eletromagnética. E as interações entre esses corpos ocorrem em função da força eletromagnética. Todos os nossos sentidos (visão, audição, tato, paladar e olfato) são eletromagnéticos.
1.4 Lei de Atração e Repulsão
Figura 3 atração e repulsão
Aos corpos a interação eletromagnética é predominante, é importante destacarmos que a interação eletromagnética começou a ser estudada com mais relevância no século 18, ou seja, um século depois da teoria da gravitação de Newton.
Entre 1785 e 1791, o físico francês Charles Augustin de Coulomb realizou trabalhos importantes sobre eletricidade e magnetismo, estabelecendo a lei de atração e repulsão entre cargas elétricas pontuais.
A força eletromagnética pode ser atrativa ou repulsiva, dependendo do sinal das cargas envolvidas. Por exemplo, no caso de dois elétrons a força será repulsiva, já que ambos possuem carga negativa. Entre um elétron e um próton teremos uma atração, considerando que o próton possui carga positiva. Essa ideia também é válida para ímãs: polos iguais se repelem (Sul com Sul, por exemplo) e polos diferentes se atraem, como no caso de polo Sul com polo Norte.
Forças Elétricas e Magnéticas quando as cargas estão em movimento, temos o surgimento da força magnética.
Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Öersted descobriu que a corrente elétrica num condutor está associada a um campo magnético. Dez anos mais tarde, Michael Faraday, físico inglês, e Joseph Henry, físico norte-americano, descobriram que a variação de um campo magnético induz uma corrente elétrica num condutor. Com a união desses estudos surgiu o Eletromagnetismo.
Tanto a força eletrostática quanto a força magnética estão relacionadas a partículas carregadas - e ambas representam dois aspectos do eletromagnetismo.
Em 1837, James Clerk Maxwell, físico inglês, apresentou um trabalho no qual, matematicamente, ele unificava as forças elétricas e magnéticas, assumindo de vez a existência da força eletromagnética.
Na sua teoria da relatividade especial, Einstein demonstrou de forma definitiva a relação entre a força eletrostática e a força magnética de cargas em movimento.
Em termos de intensidade, podemos ainda dizer que a interação eletromagnética é vezes maior que a interação gravitacional.
1.5 Classificação dos Materiais em termos de Propriedades Magnéticas.
Materiais Diamagnéticos 
(Ex. Zn Cd Cu, Ag, Sn) – pequenos valores negativos de 
( (ou seja, o campo de magnetização opõe-se ao campo aplicado e desaparece quando de retira o campo aplicado).
Materiais Paramagnéticos 
(Ex. Al, Ca, Pt, Ti) – pequenos valores positivos de ( (o campo de magnetização desaparece quando de retira o campo aplicado)
Materiais Ferromagneticos 
(o Fe, o Ni e o Co) - ( é grande (>>1). O campo de magnetização mantém-se quando se remove o campo aplicado.
Materiais Ferrimagnéticos 
(ferrites, magnetites, em geral óxidos metálicos) – os íons têm dipolos magnéticos de intensidade diferente. Logo existe sempre um momento resultante.
Propriedades magnéticas dos materiais são conseqüência dos momentos magnéticos atômicos. Paramagnéticos possuem momento magnético atômico permanente, Diamagnéticos não possuem momento magnético atômico e os Ferromagnéticos possuem fortes momentos atômicos ordenados.
Diamagnetismo 
O campo magnético induzido se opõe ao campo magnético externo, gerando 
uma repulsão de pequena intensidade. As variações do Campo Externo geram 
variações no momento orbital dos elétrons. A susceptibilidade diamagnética é negativa B<Bo, os materiais diamagnéticos são repelidos pelo campo externo, observando - se a repulsão das linhas de campo magnético.
Diamagnetismo: Efeito Meissner 
Em 1908, o holandês Heike Kamerlingh Onnes descobriu que para uma temperatura diferente do zero absoluto, a resistividade elétrica de alguns materiais era nula. A essa temperatura crítica Tc, materiais como o mercúrio, atingem o estado supercondutor. Isto se tornou ainda mais evidente após a descoberta em 1933, por Meissner e Ochsenfeld, de outra importante propriedade de um material no estado supercondutor: o diamagnetismo perfeito. Eles descobriram que um campo magnético externo aplicado em um material no estado supercondutor é expelido de seu interior. O Efeito Meissner como mostra a Figura corrente induzida gera um campo contrário ao externo.
Diamagnetismo Teoria de Larmor
Todas as substâncias são compostas de átomos e moléculas nos quais os 
elétrons ocupam órbitas definidas e, evidentemente, o diamagnetismo é uma 
propriedade geral que também ocorre quando os átomos possuam momentos magnéticos permanentes .No caso geral, pode se dizer que a susceptibilidade magnética será a soma dos dois efeitos,
O valor do termo diamagnético, como já foi mencionado, em geral, é muito inferior, em módulo, ao paramagnético. Os materiais chamados diamagnéticos são aqueles que não possuem dipolos magnéticos permanentes, em virtude dos seus átomos ou íons possuírem camadas eletrônicas completas.
Paramagnetismo: Lei de Curie
Sobre baixos campos magnéticos, os materiais paramagnéticos exibem a magnetização na mesma direção do campo externo, e de acordo com alei de Curi.
BM é a magnetização resultante.
Bo é a densidade do fluxo magnético do campo aplicado,medido em tesla.
T é a temperatura absoluta, medida em kelvin.
C é uma constante específica de cada material (sua Constante de Curie).
Esta lei indica que os materiais paramagnéticos tendem a se tornar cada vez mais magnéticos enquanto o campo magnético aumentar,e cada vez menos magnéticos ao aumentar a temperatura. 
A lei de Curie é incompleta, pois não prediz a saturação que ocorre quando a maioria dos dipolos magnéticos está alinhada, pois a magnetização será a máxima possível, e não crescerá mais.
Paramagnetismo: Curie – Weiss
Quando uma pequena interação entre os momentos magnéticos de diferentes átomos é adicionada a interação com campo magnético aplicado, temos o paramagnetismo de Curie - Weiss. Esta interação entre os momentos (interação de troca) pode ajudar a alinhar momentos adjacentes na mesma direção ou pode ajudar a alinhar a vizinhança na direção oposta. A susceptibilidade de Curie Weiss é dada por:
 
Sendo Ө a chamada temperatura de Curie. Ө está relacionada com a intensidade da interação entre os dipolos, e o sinal informa se esta interação ajuda a alinhar os momentos na mesma direção (Ө > 0), neste caso existe uma rede de interação ferromagnético e para Tc = Ө,onde Tc é a temperatura de Curie o sistema sofre uma transição ferromagnético ou se ajuda a alinhar os dipolos na direção oposta ao campo (Ө < 0), neste caso existe uma rede de interação antiferromagnética entre os momentos. 
Ferromagnetismo
Os materiais ferromagnéticos assim como os paramagnéticos ocorrem nos átomos que possuem momentos de dipolo magnéticos resultantes permanentes. O que diferencia os materiais ferromagnéticos dos paramagnéticos é que nos primeiros existe uma forte interação entre momentos de dipolo atômicos vizinhos que os mantêm alinhados, mesmo quando o campo magnético externo é removido. Nos materiais ferromagnéticos existe forte interação entre os spins. O resultado é tal que um grande número de spins alinha - se numa mesma direção formando os domínios magnéticos. A temperatura a partir da qual um material ferromagnético passa a ser paramagnético é denominada temperatura de Curie. Uma teoria para o ferromagnetismo baseada nos momentos magnéticos atômicos, foi proposta por Pierre Weiss. Neste modelo, cada dipolo magnético atômico sofre a ação de um campo magnético médio criado pelos vizinhos, que tende a fazer com que os vizinhos muito próximos formem um domínio de momentos magnéticos na mesma direção. Este campo efetivo é chamado campo molecular de Weiss e é proporcional à magnetização local do domínio. A origem do campo molecular de Weiss\index {magnetização!local} é atribuída a uma energia de troca entre dois elétrons cuja diferença de energia eletrostática resulta de que os spins paralelos possuam uma energia mínima de troca.
Histerese Magnética
Aplicações de Materiais Magnéticos