0.21.3 A susceptibilidade magnética
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0.21. MAGNETISMO EM MEIOS MATERIAIS 0.21.3 87 A susceptibilidade magnética Tal como nos materiais dieléctricos, também para os materiais magnéticos é útil definir uma susceptibilidade que traduza a forma como a magnetização responde a um campo aplicado. A definição desta susceptibilidade tem no entanto duas particularidades em relação ao que acontece nos materiais dielétricos: • a primeira particularidade é que, conforme discutimos, os materiais magnéticos mais relevantes, quer do ponto de vista do interesse fundamental, quer do ponto de vista tecnológico, são os materiais ferromagnéticos, onde pode haver lugar a magnetização mesmo depois da remoção do campo que lhe deu origem; é conveniente tratar pois os materiais ferromagnéticos separadamente; • a segunda particularidade é que, conforme discutimos na secção anterior, as correntes livres, e logo o campo auxiliar H, representam uma quantidade mais simples de controlar directamente na execução experimental; há pois toda a conveniência, na definição da susceptibilidade magnética χm para materiais lineares, isotrópicos e homogéneos, de a definir como o coeficiente de proporcionalidade entre a magnetização e o campo H (em vez do coeficiente de proporcionalidade entre M e B, como poderı́amos ser tentados a fazer por analogia com a expressão P = 0 χe E): M = χm H (268) Podemos inserir esta definição na definição do campo H, (equação 266), resultando: H= B B B B − χm H ⇔ (1 + χm )H = ⇔ µr H = ⇔H= µ0 µ0 µ0 µ (269) Onde definimos a pemeabilidade magnética relativa do meio µr e a permeabilidade magnética do meio, µ, como: µr = 1 + χm (270) µ = µr µ0 (271) 88 0.21.4 Materiais ferromagnéticos Conforme indicámos na introduccão, em alguns materiais os momentos magnéticos atómicos interagem entre si, o que conduz as alinhamentos preferenciais dos momentos magnéticos e a vários tipos de ordem magnética. A ordem magnética mais conhecida e mais simples é o ferromagnetismo, em que a interacção entre os momentos dipolares magnéticos atómicos tende a alinhá-los todos paralelamente uns aos outros. Esta interacção está em geral em competição com a agitação térmica, que tende a desalinhar os momentos magnéticos. Em geral, os momentos magnéticos atómicos em materiais ferromagnéticos organizamse em domı́nios, isto é, regiões onde a magnetização é uniforme. Se bem que em cada domı́nio a magnetização seja máxima (todos os momentos magnéticos atómicos se encontram alinhados), os diferentes domı́nios no material encontram-se orientados aleatoriamente, o que conduz a uma magnetização global nula. A formação de domı́nios corresponde à situação em que o sistema minimiza a sua energia total. No entanto, atraveés da aplicação de um campo magnético externo, é possı́vel gerar uma magnetização não nula. O mecanismo microscópico da geração da magnetização num ferromagnete assenta precisamente na alteração das fronteiras do domı́nio, o que permite que os domı́nios se orientem progressivamente na direcção preferencial ditada pelo campo. Assim, o efeito do campo magnético consiste, para campos baixos, em alterar as fronteiras dos domı́nios, favorecendo o crescimento dos domı́nios cuja magnetização inicial seja paralela ao campo. Se bem que para campos baixos estas alterações sejam reversı́veis, à medida aumentamos o campo externo aplicado (isto é, as correntes livres, isto é, o campo H) as alterações nas fronteira dos domı́nios tornam-se irreversíveis. Para campos suficientemente elevados, os próprios domı́nios começam a orientar-se globalmente na direcção do campo aplicado, at se atingir a magnetização global de saturação. O resultado - extraordinário - é que com a aplicação de campos externos relativamente reduzidos é possı́vel obter campos magnéticos resultantes particularmente intensos, ”indo à boleia” das correntes de magnetização. Isto torna os ferromagnetes materiais de interesse tecnológico particualrmente relevante. Se considerarmos agora o que acontece quando reduzimos o campo magnético aplicado (H), a magnetização não se reduz agora imediatamente, pois a diminuição da magnetização far-se-á através da criação de domı́nios (nesse sentido, em medidas precisas é possı́vel identificar pequenos ”degraus” na curva de magnetização). Assim, quando se reduz o campo aplicado até zero (H=0), obtém-se agora uma magnetização não nula, que gera uma campo magnético B = µ0 M não nulo, designado remanência, sendo a magnetização respectiva a magnetização remanente. Para voltar a anular o campo magnético B é agora necessário aplicar um campo externo Hc no sentido contrário à magnetização, designado coercividade, sendo Hc = −M. Em materiais de coercividade elevada, por vezes também se define uma outra coercividade, Hci , que corresponde ao campo necessário para voltar a anular a magnetização Hci = B/µ0 . 0.21. MAGNETISMO EM MEIOS MATERIAIS 89 A curva correspondente para a magnetização em funcão do campo aplicado H encontra-se representada na figura 17: em (a) a curva correspondente à magnetização de uma amostra inicialmente desmagnetizada e em (b) a curva com o posterior comportamento da magnetização, ilustrando os conceitos de remanência e coercividade. A curva da figura 17(b) costuma designar-se curva de histerese. A curva de histerese condiciona fortemente as aplicações dos ferromagnetes, uma vez que (conforme demonstraremos mais tarde) a energia dissipada (na forma de calor) ao longo de um ciclo de histerese é proporcional à área definida pelo ciclo. É costume dividirse informalmente os materiais ferromagnéticos em duas grandes categorias: • os materiais macios, fáceis de magnetizar e desmagnetizar, caracterizados por uma coercividade e remanência reduzidas e logo por uma curva de histerese de área reduzida, a que corresponde uma dissipação pequena; este tipo de ferromagnetes é particularmente útil em aplicações onde seja necessário efectuar rapidamente e sem grande perdas alterações da magnetização, tais como transformadores, geradores e motores; • os materias duros, difı́ceis de magnetizar e desmagnetizar, caracterizados por uma coercividade e remanência elevadas e logo por uma curva de histerese de grande área, a que corresponde uma dissipação elevada; os magnetes duros são úteis como magnetes permanentes, por exemplo em microfones e altifalantes, em motores, ou em gravação magnética. 90 (a) rotação da magnetização alterações irreversíveis das fronteiras dos domínios alterações reversíveis das fronteiras dos domínios campo aplicado (b) Figure 17: (a) Curva de magnetização de um ferromagnete inicialmente desmagnetizado, ilustrando as três fases principais. (b) Curva de histerese de um ferromagnete.
