miniatura|Ordenamento ferrimagnético. miniatura|Ordenamentos magnéticos: comparação entre ferromagnetismo, antiferromagnetismo e ferrimagnetismo. miniatura|Ímãs de ferrita. A ferrita, um composto cerâmico, é um dos exemplos mais comuns de material ferrimagnético.
Um material ferrimagnético apresenta populações de átomos com momentos magnéticos opostos, como no antiferromagnetismo, mas esses momentos têm módulos diferentes, de modo que permanece uma magnetização espontânea. Isso pode ocorrer, por exemplo, quando as populações são formadas por átomos ou íons diferentes, como Fe2+ e Fe3+.
Assim como as substâncias ferromagnéticas, as substâncias ferrimagnéticas são atraídas por ímãs e podem ser magnetizadas para formar ímãs permanentes. A substância magnética mais antiga conhecida, a magnetita (Fe3O4), é ferrimagnética, mas era classificada como ferromagnética antes de Louis Néel descobrir o ferrimagnetismo em 1948. Desde essa descoberta, materiais ferrimagnéticos passaram a ser usados em aplicações como pratos de discos rígidos e na biomedicina.
Quando o material é amorfo, ele é sperimagnético.
História Até o século XX, todas as substâncias magnéticas encontradas na natureza eram chamadas de ferromagnéticas. Em 1936, Louis Néel publicou um artigo no qual propôs a existência de uma nova forma de magnetismo cooperativo, à qual deu o nome de antiferromagnetismo. Ao trabalhar com Mn2Sb, o físico francês Charles Guillaud constatou que as teorias existentes sobre magnetismo não explicavam adequadamente o comportamento do material e formulou um modelo para explicá-lo. Em 1948, Néel publicou um artigo sobre um terceiro tipo de magnetismo cooperativo, baseado nas hipóteses do modelo de Guillaud. Ele o chamou de ferrimagnetismo. Em 1970, Néel recebeu o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho sobre magnetismo.
Origem física miniatura|direita|➀ Abaixo do ponto de compensação da magnetização, o material ferrimagnético apresenta magnetismo. ➁ No ponto de compensação, os componentes magnéticos se cancelam e o momento magnético total é zero. ➂ Acima da temperatura de Curie, o material perde o magnetismo.
O ferrimagnetismo tem as mesmas origens físicas que o ferromagnetismo e o antiferromagnetismo. Nos materiais ferrimagnéticos, a magnetização também é causada por uma combinação de interações dipolo-dipolo e interações de troca decorrentes do princípio de exclusão de Pauli. A diferença é que há sub-redes magnéticas distintas na célula unitária do material. Na figura acima, os átomos com menor momento magnético apontam na direção oposta à dos momentos maiores. Esse arranjo é semelhante ao encontrado em materiais antiferromagnéticos, mas o momento líquido não é zero porque os momentos opostos têm módulos diferentes. Por esse motivo, a ordem ferrimagnética também pode ser entendida como uma ordem antiferromagnética não compensada.
Em muitas ferritas de óxido, o acoplamento entre as sub-redes ocorre por supertroca, uma interação de troca indireta mediada por íons O2−. Nas ferritas com estrutura de espinélio, os cátions ocupam sítios tetraédricos A e octaédricos B. A interação A-O-B costuma ser mais forte que as interações A-O-A e B-O-B e favorece o alinhamento antiparalelo entre as duas sub-redes.
Os ferrimagnetos têm uma temperatura crítica acima da qual se tornam paramagnéticos, assim como os ferromagnetos. Nessa temperatura, chamada temperatura de Curie, ocorre uma transição de fase de segunda ordem, e o sistema deixa de conseguir manter uma magnetização espontânea. Em temperaturas mais altas, o movimento térmico se torna forte o bastante para superar a tendência dos dipolos a se alinharem.
Derivação Ferrimagnetos podem ser descritos de mais de uma maneira. A mais simples usa a teoria de campo médio. Nessa teoria, o campo que atua sobre os átomos pode ser escrito como
,
em que é o campo magnético aplicado e é o campo causado pelas interações entre os átomos. Adota-se então a hipótese .
Aqui, é a magnetização média da rede e é o coeficiente de campo molecular. Permitindo que e dependam da posição e da orientação, a expressão pode ser escrita como
,
em que é o campo que atua sobre a i-ésima subestrutura e é o coeficiente de campo molecular entre a i-ésima e a k-ésima subestruturas. Em uma rede diatômica, os dois tipos de sítios podem ser chamados de a e b. pode representar o número de íons magnéticos por unidade de volume, a fração dos íons magnéticos nos sítios a e a fração nos sítios b. Obtém-se então
Pode-se mostrar que e que , a menos que as estruturas sejam idênticas. favorece o alinhamento paralelo de e , enquanto favorece o alinhamento antiparalelo. Nos ferrimagnetos, , por isso é conveniente tomar como uma quantidade positiva e escrever explicitamente o sinal de menos à sua frente. Para os campos totais em a e b, obtém-se
.
Definem-se também os parâmetros e , que dão a razão entre as intensidades das interações. Também se definem as magnetizações reduzidas
, ,
com sendo o spin do i-ésimo elemento. Os campos passam então a ser
, .
As soluções dessas equações, omitidas aqui, são dadas por
, ,
em que é a função de Brillouin. O caso mais simples é . Como , obtém-se o seguinte par de equações:
, ,
com e . Essas equações não têm solução analítica conhecida, por isso precisam ser resolvidas numericamente para determinar a dependência das magnetizações reduzidas com a temperatura.
Efeitos da temperatura As curvas de magnetização do ferrimagnetismo, diferentemente das do ferromagnetismo, podem assumir formas distintas, dependendo da intensidade das interações e da abundância relativa dos átomos. A direção da magnetização pode se inverter quando um material ferrimagnético é aquecido do zero absoluto até sua temperatura crítica, e a intensidade da magnetização pode aumentar durante o aquecimento até essa temperatura. Nenhum desses comportamentos pode ocorrer em materiais ferromagnéticos. Essas dependências da temperatura também foram observadas experimentalmente em NiFe2/5Cr8/5O4 e Li1/2Fe5/4Cr5/4O4.
Uma temperatura abaixo da temperatura de Curie na qual os momentos magnéticos opostos são iguais, fazendo com que o momento magnético líquido seja zero, é chamada de ponto de compensação da magnetização. Esse ponto é facilmente observado em granadas e ligas de terras raras com metais de transição (RE-TM). Ferrimagnetos também podem apresentar um ponto de compensação do momento angular, no qual o momento angular líquido se anula. Esse ponto permite inversões rápidas da magnetização em dispositivos de memória magnética.
Efeito de campos externos miniatura|direita|Modelo teórico da magnetização em função do campo magnético . Partindo da origem, a curva ascendente é a curva de magnetização inicial. A curva descendente após a saturação, junto à curva inferior de retorno, forma o laço principal. As interseções e são a coercividade e a remanência de saturação.
Quando ferrimagnetos são expostos a um campo magnético externo, apresentam histerese magnética, na qual o comportamento magnético depende do histórico magnético do material. Eles também apresentam uma magnetização de saturação . Essa magnetização é atingida quando o campo externo é forte o bastante para fazer todos os momentos se alinharem na mesma direção. Depois que esse ponto é alcançado, a magnetização não pode aumentar, pois não restam momentos a alinhar. Quando o campo externo é removido, a magnetização do ferrimagneto não desaparece e permanece uma magnetização diferente de zero. Esse efeito é usado em aplicações de ímãs. Se um campo externo na direção oposta for aplicado em seguida, o ímã se desmagnetiza ainda mais até atingir uma magnetização de . Esse comportamento forma um laço de histerese.
Propriedades e usos miniatura|Um núcleo de ferrita preso ao cabo de um adaptador de corrente, usado para atenuar interferências de alta frequência.
Muitas ferritas ferrimagnéticas apresentam alta resistividade elétrica. Essa propriedade limita a formação de correntes de Foucault e as perdas de energia produzidas por elas, permitindo o uso de ferritas em núcleos de transformadores, indutores, antenas e circuitos de radiofrequência. Ferritas moles têm baixa coercividade e pequenas perdas por histerese, sendo usadas em núcleos que precisam acompanhar campos alternados. Ferritas duras têm coercividade e remanência maiores e são usadas como ímãs permanentes.
Materiais ferrimagnéticos também podem apresentar anisotropia magnética, com direções cristalográficas energeticamente preferenciais para a magnetização. Nas ferritas de espinélio, essa anisotropia depende da estrutura cristalina, da composição e da distribuição dos cátions. Sob um campo magnético aplicado, os momentos magnéticos podem sofrer precessão a uma frequência controlada pelo campo, chamada frequência de Larmor ou frequência de precessão. Um sinal de micro-ondas com polarização circular na mesma direção dessa precessão interage fortemente com os momentos de dipolo magnético. Quando é polarizado na direção oposta, a interação é muito pequena. Quando a interação é forte, o sinal de micro-ondas pode atravessar o material. Essa propriedade direcional é usada na construção de dispositivos de micro-ondas, como isoladores, circuladores e giradores. Materiais ferrimagnéticos também são usados na produção de isoladores ópticos e circuladores ópticos.
Minerais ferrimagnéticos presentes em diferentes tipos de rocha são usados para estudar propriedades geomagnéticas antigas da Terra e de outros planetas. Esse campo de estudo é chamado paleomagnetismo. Ferrimagnetos como a magnetita também podem ser usados para armazenamento de energia térmica.
Exemplos O material magnético mais antigo conhecido, a magnetita, é uma substância ferrimagnética. Os sítios tetraédricos e octaédricos de sua estrutura cristalina apresentam spins opostos. Muitas ferritas de espinélio podem ser representadas pela fórmula MFe2O4. Entre elas estão NiFe2O4, CoFe2O4 e CuFe2O4.
Outros materiais ferrimagnéticos incluem a granada de ítrio e ferro (YIG), ferritas cúbicas formadas por óxidos de ferro com elementos como alumínio, cobalto, níquel, manganês e zinco, e ferritas hexagonais como PbFe12O19 e BaFe12O19. A pirrotita, Fe1−xS, também pode ser ferrimagnética.Klein, C. e Dutrow, B. Mineral Science. 23.ª ed. Wiley, p. 243. Cálculos de primeiros princípios também previram uma ferrita de rênio, ReFe2O4, com estado fundamental ferrimagnético.
O ferrimagnetismo também pode ocorrer em ímãs de molécula única. Um exemplo clássico é uma molécula dodecanuclear de manganês com spin efetivo S = 10, derivado da interação antiferromagnética entre centros metálicos de Mn(IV) e centros metálicos de Mn(III) e Mn(II).
Ver também Ferromagnetismo, ordenação magnética em que os momentos tendem a se alinhar paralelamente Antiferromagnetismo, ordenação magnética em que momentos opostos podem se cancelar Paramagnetismo, comportamento apresentado por ferrimagnetos acima da temperatura de Curie Histerese, dependência da magnetização em relação ao histórico do campo aplicado
Ligações externas
Categoria:Magnetismo Categoria:Fases quânticas