Por que os ímãs não afetam alguns metais

O magnetismo e a eletricidade estão tão intimamente ligados que você pode até considerá-los os dois lados da mesma moeda. As propriedades magnéticas exibidas por alguns metais são resultado das condições do campo eletrostático nos átomos que compõem o metal.

Na verdade, todos os elementos têm propriedades magnéticas, mas a maioria não as manifesta de maneira óbvia. Os metais que são atraídos por ímãs têm uma coisa em comum: elétrons desemparelhados em suas camadas externas. Essa é apenas uma receita eletrostática para magnetismo, e é a mais importante.

Os metais que você pode magnetizar permanentemente são conhecidos comoferromagnéticometais, e a lista desses metais é pequena. O nome vem deFerrum, a palavra latina para ferro.​

Existe uma lista muito mais longa de materiais que sãoparamagnético, o que significa que eles ficam magnetizados temporariamente quando na presença de um campo magnético. Os materiais paramagnéticos não são todos metais. Alguns compostos covalentes, como o oxigênio (O

Todos os materiais que não são ferromagnéticos ou paramagnéticos sãodiamagnético, o que significa que eles exibem uma leve repulsão aos campos magnéticos, e um ímã comum não os atrai. Na verdade, todos os elementos e compostos são diamagnéticos em algum grau.

Para entender as diferenças entre essas três classes de magnetismo, você precisa observar o que está acontecendo no nível atômico.

No modelo atualmente aceito do átomo, o núcleo consiste em prótons carregados positivamente e nêutrons eletricamente neutros mantidos juntos pela força forte, uma das forças fundamentais de natureza. Uma nuvem de elétrons carregados negativamente, ocupando níveis discretos de energia, ou camadas, envolve o núcleo e é isso que confere qualidades magnéticas.

Um elétron em órbita gera um campo elétrico variável e, de acordo com as equações de Maxwell, essa é a receita para um campo magnético.A magnitude do campo é igual à área dentro da órbita multiplicada pela corrente.Um elétron individual gera uma pequena corrente e o campo magnético resultante, que é medido em unidades chamadasÍmanes de Bohr, também é minúsculo. Em um átomo típico, os campos gerados por todos os seus elétrons em órbita geralmente se cancelam.

Não é apenas o movimento orbital de um elétron que cria a carga, mas também outra propriedade conhecida comorodar. Acontece que o spin é muito mais importante na determinação das propriedades magnéticas do que o movimento orbital, porque o spin geral de um átomo é mais provável de ser assimétrico e capaz de criar um momento.

Você pode pensar no spin como a direção de rotação de um elétron, embora esta seja apenas uma aproximação grosseira. O spin é uma propriedade intrínseca dos elétrons, não um estado de movimento. Um elétron que gira no sentido horário temrotação positiva, ou girar para cima, enquanto um que gira no sentido anti-horáriorotação negativaou diminua a rotação.

O spin do elétron é uma propriedade da mecânica quântica sem analogia clássica e determina a colocação dos elétrons ao redor do núcleo. Os elétrons se organizam em pares spin-up e spin-down em cada camada de modo a criar rede zeromomento magnético​.

Os elétrons responsáveis ​​por criar propriedades magnéticas são os mais externos, ouvalência, cascas do átomo. Em geral, a presença de um elétron desemparelhado na camada externa de um átomo cria um momento magnético líquido e confere propriedades magnéticas, enquanto os átomos com elétrons emparelhados na camada externa não têm carga líquida e são diamagnético. Esta é uma simplificação exagerada, porque os elétrons de valência podem ocupar camadas de energia mais baixa em alguns elementos, particularmente ferro (Fe).

Os loops de corrente criados pelos elétrons em órbita tornam todo material diamagnético, porque quando um campo magnético é aplicado, todos os loops de corrente se alinham em oposição a ele e se opõem ao campo. Esta é uma aplicação deLei de Lenz, que afirma que um campo magnético induzido se opõe ao campo que o cria. Se o spin do elétron não entrasse na equação, seria o fim da história, mas o spin entra nela.

O totalmomento magnético J​de de um átomo é a soma de seusmomento angular orbitale os seusmomento angular de rotação. QuandoJ= 0, o átomo não é magnético, e quandoJ≠ 0, o átomo é magnético, o que acontece quando há pelo menos um elétron desemparelhado.

Consequentemente, qualquer átomo ou composto com orbitais completamente preenchidos é diamagnético. O hélio e todos os gases nobres são exemplos óbvios, mas alguns metais também são diamagnéticos. Aqui estão alguns exemplos:

• Zinco
• Mercúrio
• Lata
• Telúrio
• Ouro
• Prata
• Cobre

O diamagnetismo não é o resultado líquido de alguns átomos em uma substância sendo puxados para um lado por um campo magnético e outros sendo puxados para outra direção. Cada átomo em um material diamagnético é diamagnético e experimenta a mesma repulsão fraca a um campo magnético externo. Essa repulsão pode criar efeitos interessantes. Se você suspender uma barra de um material diamagnético, como o ouro, em um campo magnético forte, ela se alinhará perpendicularmente ao campo.

Se pelo menos um elétron na camada externa de um átomo não estiver emparelhado, o átomo terá um momento magnético líquido e se alinhará com um campo magnético externo. Na maioria dos casos, o alinhamento é perdido quando o campo é removido. Este é um comportamento paramagnético, e compostos podem exibi-lo assim como elementos.

Alguns dos metais paramagnéticos mais comuns são:

• Magnésio
• Alumínio
• Tungstênio
• Platina

Alguns metais são tão fracamente paramagnéticos que sua resposta a um campo magnético é quase imperceptível. Os átomos se alinham com um campo magnético, mas o alinhamento é tão fraco que um ímã comum não o atrai.

Você não poderia pegar o metal com um ímã permanente, não importa o quanto tentasse. No entanto, você seria capaz de medir o campo magnético gerado no metal se tivesse um instrumento sensível o suficiente. Quando colocada em um campo magnético de força suficiente, uma barra de metal paramagnético se alinhará paralelamente ao campo.

Quando você pensa em uma substância com características magnéticas, geralmente pensa em um metal, mas alguns não-metais, como cálcio e oxigênio, também são paramagnéticos. Você pode demonstrar a natureza paramagnética do oxigênio por si mesmo com um experimento simples.

Despeje oxigênio líquido entre os pólos de um eletroímã poderoso, e o oxigênio se acumulará nos pólos e vaporizará, produzindo uma nuvem de gás. Faça o mesmo experimento com nitrogênio líquido, que não é paramagnético, e nada acontecerá.

Alguns elementos magnéticos são tão suscetíveis a campos externos que ficam magnetizados quando expostos a um, e mantêm suas características magnéticas quando o campo é removido. Esses elementos ferromagnéticos incluem:

• Ferro
• Níquel
• Cobalto
• Gadolínio
• Rutênio

Esses elementos são ferromagnéticos porque os átomos individuais têm mais de um elétron desemparelhado em suas camadas orbitais. mas há algo mais acontecendo também. Os átomos desses elementos formam grupos conhecidos comodomínios, e quando você introduz um campo magnético, os domínios se alinham com o campo e permanecem alinhados, mesmo depois de remover o campo. Esta resposta atrasada é conhecida comohisterese,e pode durar anos.

Alguns dos ímãs permanentes mais fortes são conhecidos comoímãs de terras raras. Dois dos mais comuns sãoneodímioímãs, que consistem em uma combinação de neodímio, ferro e boro, esamário cobaltoímãs, que são uma combinação desses dois elementos. Em cada tipo de ímã, um material ferromagnético (ferro, cobalto) é fortificado por um elemento de terra rara paramagnético.

​Ferriteímãs, que são feitos de ferro, eAlnicoímãs, que são feitos de uma combinação de alumínio, níquel e cobalto, são geralmente mais fracos do que os ímãs de terras raras. Isso os torna mais seguros de usar e mais adequados para experimentos científicos.

Todo material magnético tem uma temperatura característica acima da qual começa a perder suas características magnéticas. Isso é conhecido comoPonto Curie, em homenagem a Pierre Curie, o físico francês que descobriu as leis que relacionam a capacidade magnética à temperatura. Acima do ponto Curie, os átomos em um material ferromagnético começam a perder seu alinhamento e o material se torna paramagnético ou, se a temperatura for alta o suficiente, diamagnético.

O ponto Curie para o ferro é 1418 F (770 C), e para o cobalto é 2.050 F (1.121 C), que é um dos pontos Curie mais altos. Quando a temperatura cai abaixo de seu ponto Curie, o material recupera suas características ferromagnéticas.

A magnetita, também conhecida como minério de ferro ou óxido de ferro, é o mineral cinza-escuro com a fórmula química Fe₃O₄ essa é a matéria-prima do aço. Ele se comporta como um material ferromagnético, ficando permanentemente magnetizado quando exposto a um campo magnético externo. Até meados do século XX, todos presumiam que fosse ferromagnético, mas na verdade éferrimagnético, e há uma diferença significativa.

O ferrimagnetismo da magnetita não é a soma dos momentos magnéticos de todos os átomos do material, o que seria verdade se o mineral fosse ferromagnético. É uma consequência da estrutura cristalina do próprio mineral.

A magnetita consiste em duas estruturas reticuladas separadas, uma octaédrica e outra tetraédrica. As duas estruturas têm polaridades opostas, mas desiguais, e o efeito é produzir um momento magnético líquido. Outros compostos ferrimagnéticos conhecidos incluem granada ítrio-ferro e pirrotita.

Abaixo de uma certa temperatura, que é chamada deTemperatura Néeldepois do físico francês Louis Néel, alguns metais, ligas e sólidos iônicos perdem suas qualidades paramagnéticas e tornam-se insensíveis a campos magnéticos externos. Eles se tornam essencialmente desmagnetizados. Isso acontece porque os íons na estrutura de rede do material se alinham em arranjos antiparalelos em toda a estrutura, criando campos magnéticos opostos que se cancelam.

As temperaturas de Néel podem ser muito baixas, na ordem de -150 C (-240F), tornando os compostos paramagnéticos para todos os fins práticos. No entanto, alguns compostos têm temperaturas de Néel na faixa da temperatura ambiente ou acima.

Em temperaturas muito baixas, os materiais antiferromagnéticos não apresentam comportamento magnético. Conforme a temperatura aumenta, alguns dos átomos se libertam da estrutura de rede e se alinham com o campo magnético, e o material se torna fracamente magnético. Quando a temperatura atinge a temperatura de Néel, esse paramagnetismo atinge seu pico, mas conforme a temperatura sobe além disso ponto, a agitação térmica impede que os átomos mantenham seu alinhamento com o campo, e o magnetismo cai constantemente fora.

Poucos elementos são antiferromagnéticos - apenas cromo e manganês. Os compostos antiferromagnéticos incluem óxido de manganês (MnO), algumas formas de óxido de ferro (Fe₂O₃) e ferrita de bismuto (BiFeO₃).