O que é um material ferromagnético?
Estes são um grupo selecionado de metais que possuem a capacidade de se tornarem ímanes permanentes devido ao seu carácter único propriedades magnéticas. Têm uma suscetibilidade relativamente elevada aos campos magnéticos, o que lhes permite serem facilmente magnetizados. Este tipo de magnetismo é apresentado por uma categoria de metais designada por metais ferrosos. O ferro, o cobalto e o níquel são exemplos deste tipo de metais.
Estes materiais contêm electrões não emparelhados, bem como dipolos atómicos. Estas propriedades, juntamente com a sua estrutura cristalina, aumentam a sua suscetibilidade magnética e a sua capacidade de se tornarem instantaneamente magnéticos.
Tipos de metais e ligas ferromagnéticas
Vários materiais apresentam esta propriedade. Estes materiais incluem;
This metal has a crystalline structure with two unpaired electrons in outer shells. The α variation of the metal is ferromagnetic. The metal’s Curie point is 1043°K beyond which it loses its superior properties. It has domains within which its unpaired electrons spin to create the magnetic field as they align. Prolonged exposure will result in the magnetic saturation of the metal. It is also very susceptible to external magnetic fields which allow it to be easily magnetized.
It has a relatively high magnetic saturation which increases its ability to be permanently magnetized. Just like iron, it can maintain its properties until it hits Curie point which is 1145°C. Its magnetic properties are influenced by the size of its particles and may differ with varying sizes. It exhibits magnetic anisotropy which is characterized by the alignment of the electron in a similar direction. The metal can be temporarily demagnetized using a stronger magnet. It also has a strong magnetic permeability.
Nickel is another ferromagnetic material that exhibits that displays paramagnetism in its pure state. However, if it contains a trace of iron or cobalt it becomes ferromagnetic with a high magnetic susceptibility. Its ferromagnetic ability largely depends on other elements found in it. It loses all its ferromagnetic abilities at 355°C.
This is a material with a high susceptibility to magnetic influence and can therefore be easily magnetized. Its magnetic properties are influenced by temperature and display ferromagnetic properties below 85°K. In its basal plane, it experiences spontaneous magnetization as well as an increase in temperature in the presence of a magnetic field.
Terbium is a rare-earth element that is paramagnetic at room temperatures but displays ferromagnetic properties below 237°K. Once introduced to a magnetic field its temperature begins to rise.
This material is typically fused with materials such as boron and iron which greatly enhance its magnetic properties although in its natural state, it is anti-ferromagnetic. It is magnetized along a particular crystal axis because of its elevated uniaxial anisotropy. Its microstructure and crystalline structure are some of the properties that make it an exceptionally strong magnet.
Material ferromagnético macio vs. material ferromagnético duro
Existem duas categorias principais de materiais ferromagnéticos: materiais ferromagnéticos moles e materiais ferromagnéticos duros. As suas classificações são influenciadas por diferentes propriedades, incluindo a capacidade de retenção, a permeabilidade e a coercividade. Outro fator que determina a categoria são as curvas da sua histerese.
Os ferromagnéticos macios requerem apenas uma influência magnética externa limitada para os desmagnetizar, pelo que têm uma coercividade baixa. Libertam uma energia limitada no circuito, o que torna a sua curva de histerese estreita e acentuada. Têm também uma capacidade de retenção e uma permeabilidade reduzidas.
Por outro lado, os materiais ferromagnéticos duros têm uma força magnética mais elevada com maior coercividade. É necessário um campo magnético mais forte para o desmagnetizar, o que lhe permite ter uma maior capacidade de retenção. A sua curva é larga, uma vez que liberta muita energia no ciclo de histerese.
Aplicações práticas de materiais ferromagnéticos
Devido às suas capacidades magnéticas, os materiais ferromagnéticos têm uma multiplicidade de utilizações. Estas aplicações incluem a produção do seguinte;
- Ímanes permanentes
- Núcleos de transformadores
- Dispositivos de armazenamento magnético
- Equipamentos eléctricos e electromecânicos
- Electroímanes
Os diferentes tipos de materiais ferromagnéticos são adequados para várias utilizações. Os materiais ferromagnéticos são altamente adequados para aplicações que dependem de propriedades magnéticas. Com as suas diferentes propriedades, é importante selecionar um material ferromagnético que satisfaça todos os seus requisitos.
Causas do Ferromagnetismo
O ferromagnetismo é causado pelos seguintes factores:
Dipolos atómicos
Refere-se aos destacamentos de cargas positivas e negativas numa molécula. Existem secções nos materiais que apresentam ferromagnetismo, denominadas domínios, nas quais ocorre o alinhamento destes dipolos atómicos. Este alinhamento resulta na criação de um momento magnético líquido que é nulo nestes materiais, uma vez que ocorre numa direção oposta.
Estrutura cristalina
A estrutura cristalina tem um grande impacto na orientação dos dipolos atómicos e noutras caraterísticas magnéticas dos materiais ferromagnéticos. A estrutura pode facilitar a rotação dos dipolos ou pode atuar como um obstáculo que impede a criação de um momento magnético. Também influencia propriedades como a estrutura de domínio, a ordenação magnética, os grupos espaciais, a anisotropia e a temperatura de Curie.
Efeitos da mecânica quântica
Os electrões nos materiais ferromagnéticos são controlados pela mecânica quântica. O princípio de exclusão de Pauli dita a orientação dos electrões, afirmando que quando os electrões estão próximos não podem alinhar-se numa direção semelhante. Isto torna-os antiparalelos, o que resulta numa forte repulsão que provoca o alinhamento dos electrões com os spins
Histerese
Este fenómeno refere-se ao desfasamento e alinhamento de domínios quando um material é exposto a campos magnéticos de uma influência externa que provoca um aumento da magnetização. Este fenómeno influencia outras propriedades magnéticas, como a saturação, a coercividade e a suscetibilidade. O grau de histerese é influenciado pela intensidade do campo magnético externo.
As propriedades dos materiais ferromagnéticos incluem
- Estes materiais têm uma disposição em microescala de spins de electrões que cria domínios magnéticos que intensificam o campo magnético dos materiais.
- No seu domínio, estes materiais têm um momento de dipolo permanente que está alinhado numa direção uniforme semelhante à do campo externo.
- O magnetismo destes materiais termina quando o material é exposto a temperaturas superiores ao seu ponto de Curie. Isto é causado pelo desaparecimento da sua ordem de longo alcance causado por estas temperaturas.
- Os materiais têm níveis elevados de suscetibilidade magnética, o que lhes permite serem facilmente magnetizados e apresentarem propriedades magnéticas acrescidas.
- Quando um campo externo é aplicado a estes materiais, a força em termos da sua capacidade magnética continuará a crescer até ao seu limite máximo. Este limite pode também ser designado como o seu nível de saturação.
- As suas capacidades magnéticas podem ser representadas graficamente como uma forma de campo magnético aplicado. Este gráfico é referido como um laço de histerese e permite o rastreio de materiais magnetizados, desmagnetizados e re-magnetizados.
Os materiais ferromagnéticos passam por uma mudança conhecida como transição de fase quando expostos a temperaturas acima da sua temperatura de curie. Temperaturas acima do limite do material resultarão na perda da capacidade de magnetização do material. O material resultante apresentará apenas propriedades para-magnéticas.
A temperatura de Curie dos materiais ferromagnéticos inclui;
- Ferro: 770 °C
- Níquel: 360 °C
- Cobalto: 1121 °C
- Materiais Ferromagnéticos vs Diamagnéticos
Os materiais ferromagnéticos apresentam uma maior atração quando expostos a campos magnéticos, o que resulta da rotação dos electrões não emparelhados à medida que caem em linha em direção a um campo externo. No lado oposto da balança estão os materiais diamagnéticos que não possuem tais electrões. Por este motivo, estes materiais experimentam uma forma induzida de momentos magnéticos que conduzem a um efeito repulsivo.
Os materiais diamagnéticos podem, portanto, ser caracterizados pela sua capacidade de gerar um movimento repulsivo, independentemente do pólo a que estão expostos. Da mesma forma, os materiais ferromagnéticos serão puxados na direção de um campo, independentemente da orientação do pólo.
- Materiais Ferromagnéticos vs Paramagnéticos
Os materiais paramagnéticos são materiais que apresentam uma atração silenciosa que favorece apenas um pólo devido à presença de electrões não emparelhados na sua estrutura. Têm também um momento de dipolo permanente que se forma como resultado do cancelamento incompleto do spin dos electrões. Quando exposto a um campo externo, qualquer propriedade exibida devido à proximidade com o campo é perdida
Por outro lado, os materiais ferromagnéticos que possuem um momento de dipolo permanente e electrões não emparelhados sentem uma atração por ambos os pólos. Têm domínios magnéticos que amplificam a sua força magnética. Mantêm as suas propriedades magnéticas mesmo na ausência de influência externa.
- Material Ferromagnético vs Antiferromagnético
Os momentos magnéticos dos materiais antiferromagnéticos envolvem átomos que se alinham numa formação antiparalela quando próximos uns dos outros, levando à inversão das suas propriedades magnéticas. Os materiais antiferromagnéticos contêm um momento de dipolo magnético reduzido que se alinha na direção oposta ao campo de magnetização. Por outro lado, os materiais ferromagnéticos contêm um grande momento de dipolo magnético aumentado que se alinha numa direção semelhante à do campo de magnetização.
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