miniatura|Um ímã de alnico, uma liga ferromagnética de ferro, com sua peça de retenção magnética
miniatura|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.Bozorth, Richard M. Ferromagnetism, publicado originalmente em 1951 e reimpresso em 1993 pela IEEE Press, em Nova York, como "Classic Reissue". . 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
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
+ Temperaturas de Curie de alguns materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos cristalinos Material Temperatura de Curie (K) Co 1.388 Fe 1.043 Fe2O3Material ferrimagnético. 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 (TC), 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 TC = 125 K. No estado ferromagnético, seu eixo fácil fica na direção ⟨100⟩.
No NpFe2, o eixo fácil fica na direção ⟨111⟩. Acima de TC ≈ 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 ao longo do único eixo trigonal, depois que a distorção começa, e como a distância no plano perpendicular a . Na fase cúbica, a relação se reduz a / = 1,00. Abaixo da temperatura de Curie, a rede adquire uma deformação
que é a maior deformação medida em um composto de actinídeo. O NpNi2 sofre uma distorção semelhante da rede abaixo de TC = 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