Fisica3 (Eletromagnetismo)

EQUAÇÕES DE MAXWELL; MAGNETIS MO DA MATÉR IA 34
32-11 Ferromagnetismo
Quando falamos de magnetismo no dia a dia, quase sempre o que temos em mente é
um ímã em forma de barra, em forma de ferradura ou em forma de placa (provavelmente
preso a uma porta de geladeira). Em outras palavras, estamos pensando em um
material ferromagnético, com um magnetismo intenso e permanente, e não em um
material diamagnético ou paramagnético, com um magnetismo fraco e temporário.
O ferro, o níquel, o cobalto, o gadolínio, o disprósio e ligas que contêm esses
elementos são ferromagnéticos por causa de um efeito quântico conhecido como
acoplamento de câmbio, no qual os spins dos elétrons de um átomo interagem com
os spins dos elétrons dos átomos vizinhos. O resultado é um alinhamento dos momentos
dipolares magnéticos dos átomos, apesar das colisões causadas pela agitação
térmica, que tendem a desalinhar os momentos. É esse alinhamento persistente que
proporciona aos materiais ferromagnéticos um magnetismo permanente.
Quando a temperatura de um material ferromagnético ultrapassa um valor crítico,
conhecido como temperatura de Curie, a agitação térmica prevalece sobre o acoplamento
de câmbio e o material se torna paramagnético, ou seja, os dipolos passam a se
alinhar apenas parcialmente com o campo aplicado e o campo magnético resultante
fica muito mais fraco. A temperatura de Curie do ferro é 1043 K (770ºC).
A magnetização de um material ferromagnético como o ferro pode ser estudada
usando um dispositivo conhecido como anel de Rowland (Fig. 32-15). O material
é moldado na forma de um núcleo toroidal de seção reta circular. Uma bobina primária
P com n espiras por unidade de comprimento é enrolada no núcleo e por ela
se faz passar uma corrente ip, (A bobina é um toroide, definido na Seção 29-5.) Se
o núcleo de ferro não estivesse presente, o módulo do campo magnético no interior
do toroide, de acordo com a Eq. 29-23, seria dado por
(32-40)
Figura 32-15 Um anel de Rowland.
A bobina primária P tem um núcleo
feito do material ferromagnético a ser
estudado (ferro, no caso). O núcleo
é magnetizado por uma corrente ip
aplicada através da bobina P. (As
espiras da bobina estão representadas
por pontos.) A magnetização do núcleo
determina a intensidade do campo
magnético total B no interior da bobina
P. O campo B pode ser medido através
de uma bobina secundária S.
Com um núcleo de ferro presente, o campo magnético B no interior do solenoide é
muito maior que B 0 • Podemos escrever o módulo do campo como
(32-41)
onde BM é o módulo da contribuição do núcleo de ferro para o campo magnético.
Essa contribuição é consequência do alinhamento dos momentos dipolares atômicos
dos átomos de ferro e é proporcional à magnetização M do ferro. Para determinar o
valor de BM, usamos uma bobina secundária S para medir B e calculamos o valor de
B - µ 0 ipn , que, de acordo com as Eqs. 32-40 e 32-41, é igual a BM.
A Fig. 32-16 mostra a curva de magnetização de um material ferromagnético
obtida usando um anel de Rowland: a razão B MIBM,máx, onde BM,máx é o valor máximo
possível de BM, correspondente à saturação, foi plotada em função de B 0 . A curva é
semelhante à da Fig. 32-14, a curva de magnetização de um material paramagnético:
as duas curvas mostram o alinhamento parcial dos momentos dipolares atômicos do
material produzido por um campo magnético aplicado
No caso do núcleo ferromagnético responsável pelos resultados da Fig. 32-16,
o alinhamento dos dipolos magnéticos é cerca de 70% do valor máximo para B 0 =
1 X 10- 3 T. Se B 0 fosse aumentado para l T, o alinhamento seria quase total, mas
um campo B 0 tão alto como 1 T é difícil de conseguir em um toroide.
Domínios Magnéticos
Nos materiais ferromagnéticos que se encontram a uma temperatura menor que a
temperatura de Curie, o acoplamento de câmbio produz um alinhamento dos dipolos
atômicos vizinhos. Por que, então, o material não apresenta a magnetização de
saturação, mesmo na ausência de um campo magnético aplicado B 0 ? Em outras palavras,
por que os objetos de ferro, como um prego, por exemplo, nem sempre se
comportam como ímãs permanentes?
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B 0 (1 0-1 T )
Figura 32-16 Curva de magnetização
do núcleo de material ferromagnético
de um anel de Rowland como o
32-15. No eixo vertical. l.Oca::..:spa:):e
ao alinhamento total (saturação
dipolos atômico do~
-