As espécies paramagnéticas estão por toda parte. No cenário certo, e dublado em um tom apropriadamente sombrio, essa frase poderia evocar imagens de invasores alienígenas estranhos correndo loucamente por todo o globo. Em vez disso, é uma afirmação básica sobre uma certa qualidade compartilhada por um conjunto bem definido de partículas na e sobre a Terra, e definido usando critérios objetivos e facilmente determinados.
Você, sem dúvida, fez uso de ímãs em sua vida e, na maioria dos casos, em que operou dentro de um campo magnético não trivial, não percebeu isso. Você pode até saber que certos materiais funcionam como ímãs permanentes e que podem atrair metais, embora esses metais não sejam eles próprios aparentemente ímãs. Ou são eles?
Acontece que o mundo da física, especificamente a subdisciplina do eletromagnetismo, inclui uma variedade de tipos de magnetismo. Um deles é paramagnetismo, e é uma propriedade que muitas vezes é facilmente verificada à vista, porque os materiais paramagnéticos são atraídos por um campo magnético aplicado externamente. Mas como isso acontece e de onde vêm os "campos" magnéticos, afinal? A chance de aprender tudo isso e muito mais deve estar puxando você para continuar lendo!
O que é magnetismo?
No final dos anos 1700, foi observado que uma agulha de bússola, que aponta para o norte como resultado do campo magnético da Terra, pode ser desviada pela presença de uma corrente elétrica próxima.
Esta é a primeira evidência conhecida de que eletricidade e magnetismo estavam de alguma forma conectados. Na verdade, cargas móveis (que é a definição de corrente elétrica) geram campos magnéticos com "linhas" dependentes da geometria do circuito elétrico.
Quando um fio condutor de corrente é enrolado, ou enrolado várias vezes, em torno de certos tipos de metal, isso pode induzir a propriedade de magnetismo nesses metais, pelo menos enquanto a corrente está sendo aplicado. Alguns deles são usados em locais como depósitos de sucata e são potentes o suficiente para levantar automóveis inteiros.
A interação da corrente elétrica com os campos magnéticos é um assunto que pode preencher livros inteiros, mas, por enquanto, você deve saber que a razão de alguns materiais respondem de forma diferente aos campos magnéticos do que outros tem a ver com as propriedades dos elétrons na camada de energia mais alta ("mais externa") dos átomos naqueles materiais.
A magnetização de sólidos
Se uma substância sólida for colocada em um campo magnético aplicado, você pode esperar que o comportamento das moléculas na substância dependa, em certa medida, do estado do material. Aquilo é um gás, que tem moléculas que se movem livremente e um líquido, em que as moléculas permanecem juntas, mas são livres para deslizar umas pelas outras, pode se comportar de maneira diferente de um sólido, cujas moléculas estão travadas no lugar, geralmente em uma estrutura do tipo rede.
Se você imaginar a estrutura cristalina básica de um sólido (e a natureza desse padrão repetitivo pode variar de substância para substância), você pode imaginar os núcleos dos átomos estando no centro dos cubos, com os elétrons ocupando espaços intermediários, livres para vibrar e, no caso de sólidos metálicos, livres para vagar desencadeados por seus pais núcleos.
Quando os elétrons de um sólido transformam a substância em um ímã permanente ou que pode ser transformado em tal ímã, a substância é chamada ferromagnético (do latim ferrum, significando ferro). Além do ferro, os elementos cobalto, níquel e gadolínio são ferromagnéticos.
A maioria das substâncias, entretanto, exibe outras respostas a campos magnéticos, tornando a maioria dos átomos paramagnéticos ou diamagnéticos. Essas propriedades podem ser encontradas em diferentes graus nos mesmos materiais, e fatores como a temperatura podem afetar a resposta de um material a campos magnéticos aplicados.
Diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo comparados
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É vagamente assim que os três tipos de magnetismo de que você provavelmente vai ouvir falar na festa do escritório funcionam em relação um ao outro. Embora o ferromagnetismo, já descrito, seja um estado de magnetismo permanente, como isso acontece e quais são as alternativas?
Na verdade, existem quatro alternativas bem conhecidas ao ferromagnetismo. O paramagnetismo, novamente, é a propriedade de ser atraído por um campo magnético e se aplica a uma ampla variedade de metais, incluindo a maioria dos refrigeradores modernos. O diamagnetismo é o oposto, uma tendência a ser repelido por um campo magnético. Todos os materiais apresentam algum grau de diamagnetismo. Em ambos os casos, criticamente, o material retorna ao seu estado anterior quando o campo é removido.
- Falado em voz alta, "ferromagnetismo" e "paramagnetismo" soam muito parecidos, então tome cuidado ao discutir esses tópicos em seu grupo de estudos de física.
Ferrimagnetismo e antiferromagnetismo são tipos de magnetismo menos comumente encontrados. Os materiais ferrimagnéticos se comportam de maneira muito semelhante aos materiais ferromagnéticos e incluem a jacobsita e a magnetita. Hematita e troilita são dois compostos que demonstram antiferromagnetismo, onde nenhum momento magnético é gerado.
Características de compostos paramagnéticos e átomos
Elementos paramagnéticos e moléculas paramagnéticas compartilham uma característica principal e que é ter elétrons desemparelhados. Quanto mais destes houver, maior será a probabilidade de o átomo ou molécula apresentar paramagnetismo. Isso ocorre porque esses elétrons se alinham de forma fixa com a orientação de um campo magnético aplicado, criando algo chamado momentos de dipolo magnético em torno de cada átomo ou molécula.
Se você está familiarizado com as regras de "preenchimento" de elétrons, sabe que orbitais dentro de sub-camadas podem conter dois elétrons cada, e que há um destes para uma subcamada s, três para uma subcamada p e cinco para uma d subcamada. Isso permite uma capacidade de dois, seis e 10 elétrons em cada subcamada, mas estes serão preenchidos de forma que cada orbital retém apenas um elétron pelo maior tempo possível, até que o único elétron lá tenha que acomodar um vizinho.
Isso significa que você pode usar as informações em uma tabela periódica dos elementos para determinar se um material será paramagnético e, felizmente, se será fracamente paramagnético (como em Cl, que tem um elétron desemparelhado) ou fortemente paramagnético (como a platina, que tem dois elétrons desemparelhados).
Lista de átomos e moléculas diamagnéticos e paramagnéticos
Uma maneira de quantificar o magnetismo é por meio do parâmetro chamado susceptibilidade magnética χm, que é uma quantidade adimensional relacionada à resposta de um material a um campo magnético aplicado. O óxido de ferro, FeO, tem um valor muito alto de 720.
Outros materiais considerados fortemente paramagnéticos incluem alúmen de amônio e ferro (66), urânio (40), platina (26), tungstênio (6,8), césio (5,1), alumínio (2,2), lítio (1,4) e magnésio (1,2), sódio (0,72) e oxigênio gasoso (0.19).
Esses valores variam amplamente e o do gás oxigênio pode parecer modesto, mas alguns materiais paramagnéticos apresentam valores muito menores do que os listados acima. A maioria dos sólidos à temperatura ambiente tem χm valores menores que 0,00001 ou 1 x 10-5.
A suscetibilidade, como você poderia esperar, é dada como um valor negativo quando o material é diamagnético. Os exemplos incluem amônia (−.26) bismuto (−16.6) mercúrio (−2.9) e o carbono no diamante (−2.1).