Magnetismo e magnetização

Momento magnético atômico

Uma corrente elétrica através de um fio cria um campo magnético, é o dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851), que descobre essa interação entre eletricidade e magnetismo. Assim, qualquer carga eléctrica que se move, gera um campo magnético, no plano perpendicular ao movimento e isto se vê.
Durante uma experiência com seus alunos, Oersted demonstrou que uma corrente em um fio move a agulha magnetizada de uma bússola. Ele publicou em 1820 no Journal für Chemie und Physik "Experimentos sobre o efeito do conflito elétrico na agulha magnetizada" tradução "Experimenta circa effectum Conflictus Electrici em acum magneticam".
Mas é o francês André-Marie Ampère (1775-1836) que constrói as bases teóricas do eletromagnetismo. Ampere define a direção do campo magnético que move a agulha de uma bússola em uma regra chamada em Francês "a regra de homem de Ampere". O homem está deitado sobre o fio, os fluxos de corrente elétrica circulam a partir dos pés à cabeça, a agulha magnetizada está enfrentando seus olhos, o pólo norte da agulha está à sua esquerda.
Os elétrons que se movem é do magnetismo, mas no início do século 19, nós não sabemos o elétron e não podemos explicar o magnetismo da matéria.
Deve-se esperar Niels Bohr (1885-1962) e a mecânica quântica (teorema de Bohr-van Leeuwen em 1919) para ter as primeiras explicações.

É a rotação dos electrões em torno do núcleo, o que cria o campo magnético no material, chamado campo magnético orbital. Na materia, a fonte global do campo magnético tem várias correntes microscópicas relacionadas com a nuvem de electrões. A nuvem eletrônica é criado pelos movimentos permanentes de todos os elétrons ao redor do núcleo, é de cerca de 10 000 vezes maior do que seu núcleo e encheu toda a extensão espacial do átomo.
Além do momento magnético orbital (conceito de mecânica quântica), cada electrão, metaforicamente "gira sobre si mesmo", e todos os electrões carregam com eles um momento angular e assim momento magnético de spin.
O spin do núcleo, quando não é zero, também cria um campo magnético nuclear, que vai interagir com o momento magnético do electrão.
Em resumo, o momento magnético da matéria é a combinação de todos estes microscópicos momentos magnéticos atômicos.
A unidade de medição do campo magnético é o tesla (T). O campo magnético da Terra na França é ≈47 µT. O de um imã decorativo de geladeira é ≈1000 µT.

N.B.: o momento magnético de um malha de corrente como a órbita do electrão, que rodeia uma área como a superfície do átomo, é μ = i S.
μ = momento magnético
S = vetor ortogonal à superfície
i = corrente eléctrica de amplitude igual a sua área

Imagem: representação de uma nuvem eletrônica com diferentes orbitais possíveis do átomo de hidrogénio de acordo com a energia eo momento angular do elétron. crédito imagem : GNU Free Documentation License.

Ordem magnética

Todos os átomos da materia desgastam as propriedades magnéticas (momentos magnéticos permanentes mais ou menos ordenados), mas na matéria pouco elementos são magnéticos, porque os electrões, que se movem em torno do núcleo do átomo, cada um cria um pequeno campo magnético desordenado, que a nível global, a do elemento, se neutralizam.
Isto aplica-se aos átomos que têm órbitas eletrônicas "cheias" onde os momentos magnéticos são compensados a nível global. Em alguns casos, relacionados com a existência de subcamadas incompletas, a compensação dos momentos não é total e o átomo é magnético.
Os elementos más magnéticos são o crómio (Cr), manganês (Mn), ferro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni) e os metais de terras raras ou as terras raras Metais das terras raras são um grupo de metais com propriedades vizinhas incluindo o escândio (Sc), o ítrio (Y) e os quinze elementos da série dos lantanídeos da tabela de Mendeleev, lantânio (La), cério (Ce), praseodímio (Pr), neodímio (Nd), Promethium (Pm), samário (Sm), európio (Eu), gadolínio (Gd), térbio (Tb), disprósio (Dy), hólmio (Ho), érbio (Er), Túlio (Tm), itérbio (Yb) e de lutécio (Lu). Estes metais são, paradoxalmente, muito comum na Terra e são maleáveis e dúcteis. (série dos lantanídeos da tabela periódica). Estes elementos desgastam momentos magnéticos fortemente acoplados entre si (paralelas). Além disso, o ferro, o cobalto e o níquel são magnéticos à temperatura ambiente. A temperatura destrói a magnetização no material ferromagnético, a temperatura de Curie é a temperatura em que o material perde a sua magnetização, 354 °C para o níquel, 769 °C para o ferro, 1126 °C para o cobalto (ver tabela junta).
Acima desta temperatura, o material é em um estado desordenado, disse paramagnético, em outras palavras, que tem mais de magnetização espontânea, mas quando a temperatura cai abaixo da temperatura de Curie, pode reencontrar uma magnetização sob o efeito de um campo magnético externo.
é o físico francês Pierre Curie (1859-1906), que descobriu em 1895, esta propriedade dos elementos relacionados com a temperatura de Curie.
Porque esses elementos desgastam momentos magnéticos fortemente acoplados entre eles?
Para um elemento tenha fortemente magnético é necessário que todos os microscópicos momentos magnéticos interagem uns com os outros, em outras palavras, que eles tenham ordonados e paralelos entre si.
Esta ordem magnética ou este acoplamento dos momentos magnéticos é chamado campo molecular (ver nota abaixo), que dá essa propriedade aos materiais ferromagnéticos.

N.B.: O campo molecular foi inventado em 1907 por Pierre Weiss (1865-1940) para traduzir as interações que devem existir entre os momentos magnéticos para produzir a saturação de magnetização em ferromagnéticos.

Tabela: a temperatura de Curie. Muitos materiais tais como ferro, cobalto ou níquel são magnéticos à temperatura ambiente. A temperatura destrói a magnetização de um material ferromagnético, a temperatura de Curie é a temperatura em que o material perde a sua magnetização. Em geral, os ímãs permanentes utilizados na indústria são de samário-cobalto ou neodímio-ferro-boro. A indução magnética existente nestes materiais, na ausência de corrente é da ordem de 1 tesla (0,5 tesla para o samário-cobalto e 1,3 tesla para o neodímio-ferro-boro.

Imagem: modelação de um material, tal como ferro, por um conjunto de dipolos magnéticos independentes na presença ou ausência de uma energia magnética. Esta energia magnética tende a ordenar os dipolos, alinhando-os de acordo com o campo magnético aplicado. Pelo contrário, a energia de agitação térmica promove a desordem.
1 = ausência de um campo magnético
2 = presença de campo magnético fraco
3 = presença de um forte campo magnético
Crédito imagem astronoo.com

Recheio das caixas quânticas

Os elétrons têm cargas negativas que repelem-se e usarão diferentes orbitais para evitar encontrar-se. Este característica já era verdade na mecânica clássica. Na mecânica quântica diz-se que dois elétrons no mesmo átomo não podem estar no mesmo estado quântico, esse é o famoso princípio da exclusão do físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958).
Eles devem diferir em um dos quatro parâmetros quânticas seguintes: n, l, m, s (ver nota).
Para que é que servem estes parâmetros?
Eles servem para definir uma caixa quântica.
Uma caixa quântico pode conter apenas dois elétrons para o máximo e os dois elétrons não deve ter o mesmo parâmetro s, ou seja, o mesmo spin. O spin pode levar apenas dois valores +1/2 ou -1/2. Na imagem, o spin é representado por uma seta vermelha que ocupa uma caixa quântica, sem violar o princípio de exclusão de Pauli, quando há dois elétrons, seus spins são antiparalelas.
Quando cumpre-se completamente as camadas atômicas, então as orbitais têm tantos elétrons de spin +1/2 do que elétrons de spin -1/2 e não têm magnetismo, todos juntos os momentos magnéticos anulam-se.
Quando não cumpre completamente uma camada, um momento magnético é criado porque a camada exterior tem um desequilíbrio magnético, o número de electrões de spin +1/2 é diferente do número de electrões de spin -1/2 (ver camada 3d na imagem). O magnetismo é uma propriedade das camadas eletrônicas incompletas.

O spin é um "íman" quântico, não só o elétron é tanto um corpo e uma onda quântica, mas, além disso, ele carrega uma mini-íman chamado spin. Este spin, como toda a propriedade quântica, pode levar apenas determinados valores. A origem do magnetismo, o spinpermite também explicar as ligações químicas entre os átomos da materia.

N.B.: O estado quântico de um elétron é definida por quatro parâmetros (n, ℓ, m, s), chamados números quânticos atômicos:
 - O número quântico principal n toma valores inteiros (n = 1, 2, 3...) e corresponde ao nível de energia, à uma camada eletrônica, n é o número da camada quântica, à qual pertencem ao electrões.
 - O número quântico secundário ℓ podem tomar todos os valores entre 0 e n-1. Ela determina a subcamada electrónica relevante. As subcamadas são designadas por letras s (sharp) para ℓ = 0, p (principal) para ℓ = 1, d (difuso) para ℓ = 2, f (fundamental) para ℓ = 3 então (para os estados excitados) g, h, i para ℓ = 4,5,6......
 - O número quântica magnética m pode tomar todos os valores entre -ℓ e +ℓ. Ela determina a orientação da orbital atómica.
 - O número quântico de spin s pode tomar os valores de +1/2 ou -1/2 e determina o valor do momento de spin do electrão. Ele permite quantificar o momento angular intrínseco do electrão, e define a orientação do electrão em um campo magnético.

Imagem: exemplo de recheio das caixas quânticas associadas com as diferentes camadas e subcamadas eletrônicas para o átomo de ferro (Z = 26).
Os defensores do menor esforço, cada elétron começa a ocupar as caixas quânticas vazias de baixa energia ou seja, os de camadas de números n a menor (orbitais mais próximas do núcleo, à esquerda na foto). Em seguida, vai colocar dois por dois nas caixas de energia mais baixas porque uma caixa quântica pode conter um máximo só de dois elétrons, além disso, esses elétrons devem ter spins opostos para chegar uma caixa.
Então, dentro de uma camada n, eles vão ocupar as subcamadas na ordem de baixa energia é s, p, d, f... e vão passar para a camada n seguinte até que todos os elétrons ocupam um lugar.
A orientação das setas vermelhas indicam o valor do número quântico de spin.
No imagem observa-se uma anomalia, a subcamada 3d é incompleta, enquanto a camada 4s já está cheia. A camada 4s tem um nível de energia menor do que o subcamada 3d, é por isso que os elétrons cumpram as caixas na ordem 2s2 1s2 3s2 2P6 3P6 4s2 3d6.