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Que magnetismo é esse?

por em 15/02/2021 em Ciência, Notícias | Nenhum comentário

Que magnetismo é esse?

“O magnetismo é inseparável da mecânica quântica, já que um sistema clássico em equilíbrio térmico não pode possuir um momento magnético diferente de zero, mesmo quando submetido a um campo magnético externo.”, esta é a primeira frase do capítulo de Diamagnetismo e Paramagnetismo do livro “Introdução à Física do Estado Sólido” de Charles Kittel, oitava edição.

E isso deve ser deixado claro, pois, muitas vezes, as explicações sobre magnetismo “clássico” podem parecer pobres ou confusas (experiência própria).

Mas o que eu quero dizer quando falo de magnetismo? Bom, não vou falar do magnetismo como um todo (Talvez eu deixe isso para um outro texto). Eu vou falar aqui sobre os efeitos de campos magnéticos na matéria, aqueles que (talvez) você tenha estudado na escola.

E por que falar disso? Porque é o que vemos no dia a dia, porque é lindão de se ensinar para crianças e atiçar sua curiosidade e, o mais importante, porque eu quero.

Muitas vezes, a gente ouve alguém dizendo “isso acontece porque isso aqui é magnético” e, como física, depois de um tempo eu passei a me perguntar “mas magnético como? Dia, para, ferro? Por que ninguém isso especifica?” e, acredite, às vezes não especificam nem em artigos.

Basicamente, quando nos aprofundamos um pouco no assunto, vemos que os materiais podem reagir de três formas diferentes quando submetidos a um campo magnético. E falo “basicamente” pois existem outras classificações que aparecem, mas que podem ser entendidas com base nessas três “primordiais”.

Antes de falar especificamente sobre essas três formas de reação, vamos esclarecer umas coisas. Todo material tem pequenos imãs em sua composição. Isso ocorre por toda matéria (bariônica) ser formada por prótons, nêutrons e elétrons e todos eles terem “spin”. É por conta do spin que o magnetismo é inseparável da mecânica quântica. E digo mais, o magnetismo é inseparável da quântica-relativística, pois é isso que o spin é: uma propriedade intrínseca que só pode ser descrita pela quântica-relativística, mas vamos nos ater ao básico.

Eu não vou explicar ou me aprofundar no spin, mas é importante saber que spin é uma propriedade da matéria, assim como a gravidade é uma propriedade daquilo que tem massa. É uma propriedade inseparável, logo, todo componente de matéria tem esse tal de spin e é esse spin o que dá a propriedade magnética intrínseca às partes da matéria. Essa propriedade faz com que prótons, nêutrons e elétrons ajam como pequenos imãs. Você pode estar se perguntando “Então por que tudo não é magnético?”, bom é porque nem todos esses imãs apontam para mesma direção. De fato, a forma como os átomos interagem por meio dos elétrons faz com que muitos desses imãs sejam compensados, ou seja, muitos imãs que apontam para direita tem outro imãzinho que aponta para esquerda ao seu lado de modo que o campo magnético total resultante seja zero ou muito fraco. Sabendo disso, fica melhor para entender as propriedades magnéticas básicas da matéria.

 

Figura 1: Esquema sobre paramagnetismo, diamagnetismo e ferromagnetismo, H é o campo magnético. Fonte: Iacovacci, Veronica & Lucarini, Gioia & Ricotti, Leonardo & Menciassi, Arianna. (2016). Magnetic Field-Based Technologies for Lab-on-a-Chip Applications. 10.5772/62865.

Primeiro vou falar do “dia”. Diamagnetismo é o efeito que ocorre em materiais que não são nada magnéticos, ou seja, não existe nada na estrutura desses materiais que possa ter algum efeito parecido com um imã. Lembrando do que foi dito no fim do último parágrafo, é como se todos os imãs fossem compensados. Dessa forma, quando o campo magnético interage com a matéria, só teremos uma interação do campo com os elétrons do material. É sabido, das equações de Maxwell do eletromagnetismo, que, quando há uma variação no fluxo magnético em um material, esse material tende a produzir uma corrente que gera outro campo magnético, de modo a compensar aquele campo externo (Assim como é mostrado na primeira parte da figura 1). Em suma, materiais que são diamagnéticos são aqueles que, quando submetidos a campos magnéticos, produzem um campo magnético no sentido oposto ao aplicado. Isso gera uma repulsão, mesmo que fraca, do material ao campo, contudo, em situações extremas, como na presença de campos magnéticos gerados por estrelas de nêutrons, essa repulsão é forte o suficiente para fazer o material mais diamagnético conhecido flutuar. Esse material é o bismuto.

Figura2: Bismuth, Steven Universe

Agora o “para”. Paramagnetismo ocorre em materiais que também não são magnéticos, mas os átomos ou moléculas que o constituem podem ser. Contudo, esses “imãs” que constituem esse material se encontram extremamente desordenados e não interagem bem um com o outro, assim como mostrado na segunda parte da figura 1. Quando aplicamos campos magnéticos nesses materiais, esses imãs pré-existentes se alinham ao campo magnético de modo a dar, ao material, propriedades magnéticas. Em outras palavras, esse material em si se torna um imã. Contudo ele só permanece assim enquanto o campo é aplicado, pois, ao retirarmos o campo, os imãs dentro do material voltam a se embaralhar. Além disso, assim como no diamagnetismo, a resposta paramagnética é fraca, ou seja, quando o material se torna um imã, é um imã bem fraco de modo que esses materiais dificilmente sairão voando em direção à fonte do campo magnético, seja ela qual for.

Figura 3: Diferença entre o ferromagnetismo e paramagnetismo. Fonte

Em fim, chegamos ao “ferro”. Ferromagnetismo ocorre em materiais que, além de ter imãs efetivos em sua composição, têm interação entre esses imãs, formando regiões onde esses imãs estarão muito alinhados, diferente do que ocorria no paramagnetismo, onde os imãs existiam, mas eram extremamente desordenados. Essas regiões são chamadas de domínios ferromagnéticos e são uma das principais características desses materiais. Por conta desta ordenação, a resposta dos ferromagnéticos ao campo magnético é forte, bem mais forte que a paramagnética, esses sim, podendo voar em direção à fonte do campo. Além disso, outra característica marcante dos materiais ferromagnéticos é o resultado da curva de histerese em sua magnetização. Em resumo, materiais ferromagnéticos se mantêm magnetizados mesmo quando não estão mais submetidos a campos magnéticos, formando imãs permanentes, aqueles, que comumente temos em casa.

Figura 3: Histerese Magnética. Fonte

Se eu consegui me fazer entender até aqui, somos todos capazes de responder algumas perguntas.

“Quando falamos de magnetismo no dia a dia de que tipo de magnetismo estamos falando?”

Estamos falando do Ferromagnetismo, pois só ele é forte. Ele é o responsável pelo “magnetismo comum”, pela moeda sendo atraída pelo imã, pelo imã de geladeira. Todos esses são materiais ferro magnéticos. Afinal, o mais famoso representante do Ferromagnetismo é o ferro e, embora dificilmente tenhamos ferro em casa, temos aço que é uma mistura de ferro com carbono.

“Por que a moedas e outras coisas atraídas por imãs não viram imãs permanentes?”

Bom, pois dificilmente eles são de materiais puramente ferromagnéticos e dificilmente são submetidos a campos magnéticos fortes o suficiente. Podemos ver na figura da curva de histerese magnética que o campo remanescente no material é apenas uma fração do campo aplicado no material. Então, eles ficam magnetizados sim, mas não a ponto de terem efeitos de imãs visíveis no cotidiano. Claro, podemos ver efeitos mesmo com imãs fracos naquela clássica experiência da bússola caseira, onde passamos o imã varias vezes em uma haste muito pequena.

Essa daqui é minha, para as explicações merda que me davam quando criança: “Por que os imãs não funcionam nos copos de alumínio?”

Como eu falei, essa era minha. Quando criança me disseram que os imãs atraíam metais, mas eu tinha copos de alumínio em casa e, quando eu fui testar neles e nas moedas nem na geladeira, eles não foram atraídos. Eu achei que era por eles serem finos, mas depois eu consegui grudar imãs em chapas finas de outro metal. A resposta eu vim descobrir na faculdade, fazendo o meu primeiro projeto de Pibic na área que atuo. O alumínio é um material paramagnético, portanto, ele tem uma fraca resposta ao campo, logo, meu imã não conseguia atrair o copo ou deixa-lo grudado. Então, não, os imãs não atraem metais, eles conseguem atrair os materiais ferromagnéticos, que, como já falei, são muito comuns no dia a dia.

Acho que, por hoje, é só, pessoinhas. Espero ter me feito entender, se não, deixem nos comentários.

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