Ciência e aplicação do ferromagnetismo, paramagnetismo e diamagnetismo
O magnetismo é um fenômeno físico único que ocorre quando uma substância é influenciada por um campo magnético externo. Ele se origina da estrutura e do movimento dos elétrons em átomos ou moléculas. Os materiais podem ser caracterizados com base em seu comportamento em um campo magnético nos três grupos a seguir: ferromagnético, paramagnético e diamagnético. A natureza de um material de cada categoria é determinada principalmente pela configuração eletrônica e pelas propriedades físicas.
Ferromagnetismo
Os materiais ferromagnéticos são conhecidos por sua forte atração por campos magnéticos e magnetismo persistente. Essa propriedade se deve ao momento magnético líquido dos elétrons desemparelhados no material e às minúsculas regiões formadas pelo arranjo paralelo de um grande número de momentos magnéticos atômicos - domínios magnéticos. Quando não há nenhum campo magnético externo aplicado, os domínios magnéticos são orientados aleatoriamente e, portanto, o campo magnético líquido é zero. Entretanto, se for introduzido um campo magnético externo, os domínios magnéticos se alinham instantaneamente e o material apresenta uma grande resposta magnética, tornando-se magneticamente forte.
1. materiais típicos
Ferro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), gadolínio (Gd) e ligas como aço e neodímio (NdFeB, comumente usado como um ímã forte).
Ferro: O ferro é um dos metais mais abundantes da natureza, e seu nome vem da palavra latina "ferrium" e da palavra inglesa "ferromagnetism". Seu magnetismo deve sua origem aos spins de elétrons não pareados em sua estrutura atômica, dando origem a uma propriedade microscopicamente natural de magnetismo permanente. Sua contribuição mais significativa é durante a fabricação do aço, na qual a liga com elementos como o carbono desenvolve ainda mais sua resistência e dureza.
Cobalto: O cobalto foi até mesmo chamado de "azul cobalto" devido ao seu encantador pigmento azul profundo. Entretanto, somente a superfície pode ser descascada pelo conhecimento da verdadeira magia do cobalto. Por ser um metal ferromagnético, a força e a estabilidade do magnetismo do cobalto têm uma série de aplicações em campos de alta tecnologia. Na maioria das vezes, ele é extraído junto com o níquel e o cobre. Em outras palavras, é um metal acinzentado e brilhante, mas, nas tecnologias populares atuais, ocupa uma posição de grande importância. Uma aplicação contém o cobalto em baterias de íon-lítio, em que o óxido de lítio e cobalto é usado como material ativo para várias baterias recarregáveis de telefones celulares, laptops e veículos elétricos, garantindo operação eficiente e segurança devido à sua estabilidade.
Níquel: O níquel é um dos "três grandes" elementos ferromagnéticos e pertence à mesma família de metais de transição que o ferro e o cobalto. Devido ao seu atraente brilho branco-prateado e excelente ductilidade, ele tem muitas aplicações. Um dos usos mais famosos do níquel é no aço inoxidável, que contribui para um tipo de aço resistente à corrosão e a altas temperaturas.
Gadolínio: O neodímio é outro elemento de terras raras cujo ferromagnetismo apresenta uma força notável quando ligado. O neodímio puro é apenas paramagnético por si só. Ainda assim, quando combinado com ferro e boro, forma ímãs de neodímio, entre os mais poderosos ímãs permanentes disponíveis atualmente. Esses ímãs possuem campos magnéticos extremamente altos, capazes de levantar objetos quase mil vezes o seu próprio peso.
Neodímio: O neodímio em forma de liga apresenta forte ferromagnetismo. O neodímio puro é paramagnético; em combinação com ferro e boro, ele forma ímãs de neodímio. Esses ímãs têm forças de campo magnético extremamente altas, o que lhes permite levantar cargas quase mil vezes maiores que seu peso real. Eles são amplamente utilizados em muitas aplicações, desde dispositivos pequenos, como fones de ouvido, até os grandes, incluindo turbinas eólicas. Devido ao seu tamanho pequeno e à sua alta eficiência, eles se tornaram amplamente utilizados na eletrônica moderna.
2.Características
Atração forte: Os materiais ferromagnéticos apresentam forte atração pelos polos norte e sul de um ímã, o suficiente para atrair objetos pesados ou impulsionar o movimento mecânico.
Remanência e magnetismo permanente: Depois que o campo magnético externo é removido, alguns domínios magnéticos permanecem alinhados, o material retém o magnetismo (remanência) e alguns materiais podem até se tornar ímãs permanentes.
Efeito de histerese: O processo de magnetização de materiais ferromagnéticos tem uma característica de "memória", e a força de magnetização está relacionada ao histórico do campo magnético, o que é crucial em dispositivos eletromagnéticos.
Dependência da temperatura: Acima de determinada temperatura (temperatura Curie), o movimento térmico destrói o alinhamento dos domínios magnéticos, e o ferromagnetismo se transforma em paramagnetismo.
Paramagnetismo
Devido ao fato de que o desemparelhamento eletrônico ocorre em substâncias paramagnéticas, elas têm um momento magnético líquido fraco, e o spin de cada elétron desemparelhado produz um pequeno dipolo magnético. Entretanto, se não houver nenhum campo externo presente, o movimento térmico fará com que esses dipolos sejam orientados de forma arbitrária e, portanto, o momento magnético líquido será zero. Quando um campo magnético externo é aplicado, alguns dipolos se alinham ao longo da direção do campo magnético, gerando uma atração fraca que faz com que o material se mova em direção ao campo magnético.
1. materiais típicos
Atração fraca: Os materiais paramagnéticos têm uma atração muito fraca e geralmente exigem instrumentos de precisão (como balanças magnéticas) para serem detectados.
Magnetismo reversível: Depois que o campo magnético é removido, o movimento térmico restaura rapidamente os dipolos a um estado desordenado, e o magnetismo desaparece completamente.
Dependência da intensidade: A intensidade da magnetização é proporcional à força do campo magnético externo. Quanto mais elétrons desemparelhados houver, mais significativo será o paramagnetismo.
Influência ambiental: O movimento térmico enfraquece em baixas temperaturas e o paramagnetismo aumenta; em altas temperaturas, o magnetismo enfraquece.
Diamagnetismo
O diamagnetismo é uma propriedade inerente a todos os materiais, mas, devido à sua intensidade extremamente fraca, geralmente só é evidente em materiais sem outras propriedades magnéticas (como ferromagnetismo ou paramagnetismo). O diamagnetismo vem do fato de que todos os elétrons no material estão emparelhados, com spins opostos e momento magnético líquido zero. O campo magnético externo interfere no movimento orbital dos elétrons, induzindo um momento magnético reverso fraco, fazendo com que o material seja repelido pelo campo magnético e se desloque para uma área de campo magnético mais fraco. O "efeito Meissner" dos supercondutores é completamente diamagnético (χ=-1), o que é essencialmente diferente do diamagnético comum (χ≈-10-⁵).
1. materiais típicos
Bismuto (Bi, fortemente diamagnético), carbono (C), cobre (Cu), ouro (Au), prata (Ag), água, hidrogênio (H), hélio (He) e a maioria dos compostos orgânicos.
2.Características
Repulsão fraca: os materiais diamagnéticos são empurrados para áreas com campos magnéticos mais fracos. O efeito de repulsão é mais óbvio sob campos magnéticos fortes, e alguns materiais podem até mesmo alcançar a levitação magnética.
Universalidade: Todas as substâncias são diamagnéticas, mas geralmente são mascaradas em materiais ferromagnéticos ou paramagnéticos.
Sem remanência: Depois que o campo magnético é removido, o efeito diamagnético desaparece imediatamente e nenhum magnetismo permanece.
Conclusão: Infinitas possibilidades no mundo magnético
O ferromagnetismo, o paramagnetismo e o diamagnetismo mostram os diversos comportamentos dos materiais em campos magnéticos, que são derivados de diferenças sutis na estrutura eletrônica. Desde a forte força magnética dos materiais ferromagnéticos que impulsionou a revolução industrial, passando pela resposta sensível dos materiais paramagnéticos que auxiliam a pesquisa científica, até a repulsão sutil dos materiais diamagnéticos que possibilitam a tecnologia de levitação, as propriedades exclusivas dos materiais magnéticos não só aprofundaram nossa compreensão da natureza da matéria, mas também proporcionaram infinitas possibilidades para o desenvolvimento futuro da ciência, da tecnologia e da sociedade. Seja em instrumentos de precisão em laboratórios ou em dispositivos de alta tecnologia em nossa vida cotidiana, os materiais magnéticos estão moldando silenciosamente o nosso mundo.
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