Propriedades Magnéticas

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1 Propriedades Magnéticas

2 Magnetismo Fenômeno pelo qual certos materiais exercem uma força ou influência atrativa e repulsiva sobre outros materiais Aplicações mais importantes Geradores de potência elétrica Transformadores Motores elétricos Radio Televisão Telefones Computadores Componentes de som e vídeo (sistema de reprodução)

3 Momento Magnético Momento de Dipolo É originado devido à movimentação de partículas carregadas. Momento Magnético Linhas de força de campo magnético. B 0

4 Origem dos momentos magnéticos no átomo MOMENTO ORBITAL Momento magnético MOMENTO DE SPIN Momento magnético elétron elétron Núcleo atômico Direção de rotação Magneton de Bohr = Quantum de momento magnético para o elétron B = 9, A.m 2 Momento de spin: B Momento orbital: m l. B (m l é o no. quântico magnético; -l < m l < l) Propriedades Magnéticas Macroscópicas Momentos Magnéticos dos Elétrons Individuais

5 E Recordando... n=7 n=6 n=5 n=4 n=3 n=2 -l < m l < l n=1 l=0 l=1 l=2 l=3 s p d f

6 CAMPO MAGNÉTICO DE UM SOLENÓIDE (BOBINA CILÍNDRICA) H NI H campo magnético gerado pela bobina N número de espiras (voltas) comprimento do fio I corrente elétrica

7 MODELO DE DIPOLO m Na presença de campo magnético (H), os dipolos são influenciados, ou sofrem interação com H, da mesma forma que o dipolo elétrico é afetado pelo campo elétrico Sob ação do campo magnético, os dipolos tendem a se orientar na direção do campo

8 Vetores de Campo Magnético B: indução magnética ou densidade de fluxo magnético (Tesla) H: campo aplicado (externo) (A/m) M: magnetização (A/m) 0 é a permeabilidade magnética do vácuo = H/m ou Wb/(Am) é a permeabilidade magnética do material m é a susceptibilidade magnética do material

9 Momento magnético resultante no átomo ALGUNS MOMENTOS ORBITAIS E DE SPIN SE CANCELAM O MOMENTO LÍQUIDO DO ÁTOMO É A SOMA DOS MOMENTOS ORBITAL E SPIN QUE NÃO SE CANCELAM ÁTOMOS COM CAMADAS E SUBCAMADAS CHEIAS NÃO TÊM CAPACIDADE DE SER PERMANENTEMENTE MAGNETIZADAS. No. atômico Elemento Estrutura Eletrônica de elementos 3d Momento Resultante ( B ) = orientação do spin eletrônico

10 Tipos de Magnetismo FRACO Diamagnetismo Paramagnetismo Antiferromagnetismo * Resultante M 0 Há uma característica em comum com os fortes interação entre momentos (ordem), mas magnetização ~ 0.

11 Tipos de Magnetismo FORTE Ferromagnetismo Ferrimagnetismo Resultante M >> 0

12 Diamagnetismo Momento magnético não-permanente (átomos com última camada completa) Induzido pela presença de campo magnético, que causa a mudança do movimento orbital do elétron. O momento magnético induzido (orbital) é muito pequeno e na direção oposta à do campo aplicado. M = m H m é negativo e m é muito pequeno r = m + 1; já que m < 0 r < 1 e B < 0 H.

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14 Paramagnetismo Momento magnético permanente (spin + orbital) mesmo na ausência de campo magnético. Momentos magnéticos permanentes alinhados aleatoriamente sem a presença de campo (não há interação entre eles) Na presença de campo, os momentos magnéticos são livres para rotacionar e se alinham na direção do campo aplicado. Retirando-se o campo magnético os momentos magnéticos voltam à situação aleatória. M = m H m é positivo e m é muito pequeno r = m + 1 r > 1 e B > 0 H. M = m 0 + m s

15 𝒎 = 𝒎𝟎 + 𝒎𝒔 𝒎𝟎 𝒎𝒔

16 Susceptibilidade Magnética a 297 K Material Susceptibilida de Magnética (SI) Diamagnéticos Óxido de - 1, Alumínio Cobre - 0, Ouro - 3, Mercúrio - 2, Silício - 0, Prata - 2, Cloreto de - 1, Sódio Zinco - 1, Susceptibilida Material de Magnética (SI) Paramagnéticos Alumínio + 2, Cromo + 3, Cloreto de + 1, Cromo Sulfato de + 3, Manganês Molibdênio + 1, Sódio + 8, Titânio + 1, Zircônio + 1,

17 Antiferromagnetismo Este fenômeno ocorre devido o alinhamento antiparalelo dos momentos magnéticos permanentes (spins) de átomos vizinhos (sem campo aplicado) Interação de troca. MnO óxido de manganês (cerâmica de carácter iônico) Mn +2 e O -2 O -2 não tem momento magnético líquido. O 1s 2 2s 2 2p 4 O -2 1s 2 2s 2 2p 6 Mn +2 tem momento magnético líquido. Mn 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 Mn +2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2 Outros Cr (T N = 475 K) Mn (T N = 100K) MnS FeO T N temperatura de Néel

18 Superexchange - Supertroca Metal de transição Oxigênio Metal de transição

19 Ferromagnetismo Momento magnético permanente (spin + orbital) já alinhados, mesmo se H = 0 interação (de troca) entre dipolos. São os metais de transição: Fe, Co e Ni e algumas terras raras como Gd e Sm. Só ocorre em elementos que possuem níveis de energia incompletos. (Fe: 3d e Gd: 4f). m 10 6, significando que H<<M e B 0 M. A contribuição importante para a magnetização vem do spin.

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21 Magnetização de saturação M s ó o valor máximo possível da magnetização (todos os momentos estão alinhados na mesma direção) M s = densidade de átomos x n o. líquido de momentos x B Fe 2,22 B /at Co 1,72 B /at Ni 0,60 B /at

22 Ferrimagnetismo Característica: alinhamento antiparalelo de momentos magnéticos (spins) de átomos vizinhos momento magnético de cada um dos componentes do par antiparalelo é diferente não se cancelam há um momento líquido resultante. Em geral, todos MFe 2 O 4, (M = Metal) são ferrimagnéticos Fe 3 O 4 Fe +3 coordenação octaédrica coordenação tetraédrica Momento magnético líquido Cancelamento completo Fe +2 Fe +3 Fe +2 (4 B ) e Fe +3 (5 B )

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25 Comparação entre materiais dielétricos e magnéticos Dielétricas Magnéticas + - S N Dipolo elétrico Dipolo Magnético Campo Interno - D Campo Interno - B D = E B = H = permissividade elétrica = permeabilidade magnética No vácuo: D 0 = E 0 No vácuo: B 0 = 0 H No material: D = 0 E + P No material: B = 0 H + 0 M polarização magnetização Polarização Magnetização P = 0 ( r 1) E 0 M = 0 ( r 1)H P = 0 e E 0 M = 0 m H r = / 0 r = / 0 e susceptibilidade elétrica m susceptibilidade magnética