Importancia Magnetismo

Revista Brasileira de Ensino de Fsica vol. 20, no. 4, Dezembro, 1998 315

O Porque de Estudarmos os Materiais Magneticos(Why do we study Magnetic Materials)

Gustavo Jesus Bracho RodrguezInstituto de Fsica, UFRGS

Caixa Postal 15051, CEP: 91501-970, Porto Alegre - RS, Brasil

Recebido 22 de agosto, 1997

Se apresenta uma analise fenomenologica da importancia do magnetismo em nossa sociedade comoferramenta de primeira mao para o progresso cientfico e tecnologico desde a Antiguidade ate nossosdias.

We present a phenomenological analisis of the importance of magnetism in our society as a tool forthe scientific and the tecnological progress, from the old times to our days.

1. Introducao

A palavra Magnetismo esta associada ao fenomeno peloqual um ente tem o poder de atrair e influenciar outroente. Sua origem esta ligada ao nome de uma cidade daregiao da Turquia Antiga que era rica em um minerio deferro, a Magnesia. A palavra surgiu na Antiguidade, asso-ciada a` propriedade que fragmentos de ferro tem de serematrados pela magnetita, um mineral encontrado na natureza,de composicao qumica Fe2O4. Os fenomenos magneticosforam os primeiros em despertar a curiosidade do homemsobre o interior da materia. Os primeiros relatos de ex-periencias com a forca misteriosa da magnetita, o ma natu-ral, sao atribudos aos gregos e datam de 800 a.C. A primeirautilizacao pratica do Magnetismo foi a bussola, inventadapelos chineses na Antiguidade. Baseada na propriedadede uma agulha magnetizada em orientar-se na direcao docampo magnetico terrestre, a bussola foi importante instru-mento para a navegacao no incio da era moderna [1].

Os fenomenos magneticos ganharam uma dimensaomuito maior a partir do seculo XIX, com a descoberta desua correlacao com a eletricidade. Em 1820 Oersted desco-briu que uma corrente eletrica passando por um fio tambemproduzia efeito magnetico, mudando a orientacao da agulhade uma bussola. Mais tarde Ampe`re formulou a lei que rela-ciona o campo magnetico criado com a intensidade da cor-rente no fio. O efeito recproco, pelo qual um fio condutorsofre a acao de uma forca produzida pelo campo criado porum ma permanente, foi descoberto logo em seguida. Poucodepois, em 1831, Faraday na Inglaterra e Henry nos EstadosUnidos, descobriram que um campo variavel podia induzir

uma corrente eletrica num circuito. No final do Seculo XIXesses tres fenomenos eram perfeitamente compreendidos eja tinham inumeras aplicacoes tecnologicas, das quais o mo-tor e o gerador eletrico eram as mais importantes [1]. OMagnetismo e uns dos campos de pesquisas mais ferteis emais levados a serio na Fsica da Materia Condensada, queatrai hoje em dia uma grande atencao de fsicos teoricos eexperimentais. Ele tem tambem uma ampla variedade deaplicacoes em tecnologia que ganham importancia com adescoberta de novos materiais magneticos. Os principaisobjetivos da pesquisa que os cientistas tem neste campo saoa compreensao das origens microscopicas das propriedadesmagneticas dos materiais, descoberta dos novos materiaise fenomenos, o estudo das propriedades termodinamicas edas das excitacoes dinamicas dos materiais magneticos, bemcomo o desenvolvimento de novas aplicacoes tecnologicas.Na pesquisa basica um dos topicos fundamentais e a origemdo Magnetismo tanto em materiais isolantes quanto emmetalicos. Isto envolve dois aspectos importantes, a origemdos momentos magneticos microscopicos e a natureza dasinteracoes existente entre eles. Os momentos tem a suaorigem na estrutura eletronica dos atomos ou ons que con-stituem o material e tem, portanto, caractersticas bem difer-entes nas existentes nos isolantes (ou semicondutores) enos metais. Exemplos classicos de materiais magneticosisolantes temos sao oxidos, sulfetos, nitretos, cloretos oufioretos de elementos do grupo de transicao 3d (Fe, Ni, Co,Mn, Cr, por exemplo) ou de terras raras do grupo 4f (Nd,Gd, Eu, Sm entre outros). Nesses grupos de materiais osmomentos magneticos estao localizados nos ons metalicos.Em contraposicao, em metais como Fe, Co, ou Ni puros, as-

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sim como em alguns compostos intermetalicos de transicao,os materiais isolantes foram compreendidos antes da decadade 70. Por outro lado, varias questoes de natureza fun-damental do magnetismo itinerante ainda hoje nao tem re-sposta satisfatoria a`s mesmas [2].

2. Mecanismo de Interacao

Consideracoes da estrutura eletronica estabelecemtambem o mecanismo da interacao entre os momentosmagneticos. Quando a interacao e forte o suficiente parase sobrepor a` agitacao termica, os momentos magneticostendem a ficar alinhados coletivamente resultando numamagnetizacao. E esta magnetizacao que determina a re-sposta macroscopica do material quando esta submetido acampos externos. Por outro lado, se a temperatura e au-mentada, a desordem termica aumenta e a magnetizacaodiminui, tendendo bruscamente a zero numa temperatura detransicao Tc. A figura 1 [3] apresenta o comportamentotpico da magnetizacao M em funcao da temperatura T deum material magnetico. A medida e, consequentemente,a interpretacao teorica detalhada deste comportamento emmateriais constituem um topico atual de pesquisa em mag-netismo. Quando a temperatura ultrapassa o valor de Tc,o sistema passa da fase ordenada (momentos magneticosalinhados) para a fase paramagnetica, sofrendo assim umatransicao de fase.

Figura 1. Variacao da magnetizacao com a temperatura.

3. Fenomenos Crticos e Baixa Dimensionalidade

Os fenomenos crticos que ocorrem nas proximidadesdas transicoes de fase sao de grande importancia para

a Mecanica Estatstica. Como os sistemas magneticospodem ser representados por uma variedade de mode-los matematicos relativamente simples, o magnetismo e ocampo da Fsica de maior aplicacao da Mecanica Estatstica.Foi principalmente devido a este campo que poderosas fer-ramentes desenvolvidas nas ultimas decadas foram postas aprova. Este e o caso das expansoes em alta temperatura daTeoria de Grupos de Normalizacao (que deu o Premio Nobela K. Wilson em 1982) e dos metodos de simulacao por com-putador, tal como o Metodo de Monte Carlo. Ja na decadade 70, a pesquisa em magnetismo era dirigida para mate-riais com interacoes entre momentos em tres dimensoes (d= 3), e com ordenamento simples, ferro, ferri ou antiferro-magnetico. A decada de 70 presenciuo uma grande evolucaona sntese de materiais magneticos. Foram descoberto ma-teriais com interacoes predominantemente em planos (d =2) ou em cadeias lineares (d = 1) e com ordenamentos maiscomplexos, como os sistemas modulados. Foram tambemproduzidos materiais com desordem espacial dos momen-tos, como as ligas, os sistemas densos diludos e os vidros despin que estimularam o desenvolvimento de novas tecnicasde Mecanica Estatstica. Foi gracas a contribuicoes fun-damentais a` Fsica fornecidas neste campo que Louis Neelem 1970, J.H. Vleck e P.W. Anderson em 1977 recebem oPremio Nobel. Os sistemas de baixa dimensionalidade (d= 1, 2) e os sistemas ordenados constituem areas de grandeinteresse e atividade atualmente.

4. Tecnicas utilizadas para o estudo dos MateriaisMagneticos

As propriedades de materiais e os fenomenosmagneticos sao pesquisados experimentalmente comuma ampla variedade de tecnicas. As propriedadestermodinamicas sao medidas, por exemplo, atraves daMagnetizacao, Susceptibilidade DC e AC, Calor Especfico,Resistividade Eletrica, Dilatacao Termica, Espalhamentode neutrons, Ressonancia Magnetica, Efeito Mossbauer,Efeito Termoeletrico, Efeito Hall, Efeito de Magnetore-sitencia Gigante (estudada a partir de 1988, com o desco-brimento desde efeito por Baibich et al. [4]), e o Efeitode Magnetoimpendancia Gigante entre outros. Por outrolado, com tecnicas de radio-frequencias e microondas, es-palhamento Raman e Brollouin da luz, absorcao e lumi-nescencia otica e infravermelha, rotacao de spins de muonsentre outras, e possvel estudar as excitacoes magneticaselementares e os fenomenos dinamicos. Por esta razao, omagnetismo e tambem uma excelente area para a formacaode pesquisadores em tecnicas experimentais para atuaremem diversos campos da ciencia e da tecnologia.


5. Atividades de pesquisas

A intensa atividade de pesquisa basica em magnetismoe refietida nas conferencias nacionais e internacionais queatraem, cada uma, cerca de 2000 pesquisadores. As maisimportantes sao a Conferencia Anual de Magnetismo e Ma-teriais Magneticos (MMM), realizada nos Estados Unidosda America (a ultima destas reunioes foi realizada na cidadede Atlanta, Giorgia (1996)), a Conferencia Internacional deMagnetismo (ICM), realizada a cada tres anos em pasesdiferentes. As linhas de pesquisas em magnetismo na atu-alidade estao espalhadas na distribuicao de artigos apresen-tados nas conferencias ICM de 1976 a 1995 apresentadas nafigura 2. A nvel nacional temos o Encontro Nacional deFsica da Materia Condensada, que e realizado anualmentena cidade de Caxambu, MG, onde sao apresentados os tra-balhos (muitos deles ineditos) por pesquisadores tanto na-cionais quanto internacionais. Tambem temos o Centro In-ternacional de Fsica da Materia Condensada, com sede naUniversidade de Braslia, onde sao realizados uma serie deconferencias e workshop com a participacao de importantespesquisadores tanto nacionais quanto internacionais. En-tre as conferencias e workshop que sao apresentados temosa Conferencia em Novos Desenvolvimentos em Fsica daMateria Condensada, Conferencia em Fronteiras na Fsicada Materia Condensada, Workshop em Partculas e Materi-ais Suaves, e o Workshop em Magnetismo Itinerante entreoutros eventos apresentados ao longo do ano.

6. Importancia do Magnetismo

A importancia do magnetismo nao esta apenas restritaa` pesquisa basica. Os materiais magneticos desempenhamum importante papel na tecnologia moderna, pois encon-tram um grande numero de aplicacoes em produtos e proces-sos industriais dos mais variados setores. As aplicacoes vaodesde dispositivos com funcoes muito simples, como os pe-quenos mas permanentes usados para fechaduras de portasde moveis e utenslios, a inumeros componentes sofisticadosutilizados na industria eletroeletronica. Neste setor os ma-teriais magneticos somente sao suplantados em volume deaplicacao pelos semicondutores, mas em termos economicoseles tem uma importancia quase tao grande quanto estes.Muitas das aplicacoes atuais dos materiais magneticos re-sultaram de avancos cientficos e tecnologicos obtidos nos

ultimos 20 anos nas universidades, laboratorios industriais ecentros de pesquisa do Japao, Estados Unidos e Russia.

7. Comportamento dos Materiais Magneticos

O comportamento dos materiais num campo magneticoexterno e determinado pela origem de seus dipolosmagneticos e pela natureza da interacao entre eles. Osdipolos magneticos tem origem no momentum angular doseletrons nos ons ou atomos que formam a materia. Estemomentum tem natureza quantica [1].

Macroscopicamente, a grandeza que representa o estadomagnetico de um material e o vetor magnetizacao ~M . Ele edefinido como o momento de dipolo magnetico por unidadede volume

~M =1V

i

~i (1)

onde o somatorio e feito sobre todos os pontos i nosquais ha dipolos de momento ~i, no interior de um vol-ume V. V e escolhido suficientemente grande para que hajauma boa media macroscopica, porem pequeno em relacaoao tamanho da amostra para que ~M represente uma pro-priedade magnetica local.

O campo magnetico pode ser expresso por duasgrandezas: o vetor inducao magnetica ~B e o vetor inten-sidade de campo magnetico ~H . Enquanto ~H e relacionadocom a corrente que cria o campo, ~B depende tanto da cor-rente quanto da magnetizacao do meio. E o vetor ~B quedetermina o fiuxo magnetico atraves de uma superfcie S[1]

=S

~B d~a (2)

onde d ~A e um vetor normal a` superfcie em cada ponto. Nateoria macroscopica, a magnetizacao entra nas equacoes deMaxwell levando informacoes das propriedades magneticasdo material, atraves da relacao entre ~B e ~H . No SistemaInternacional de unidades,

~B = 0( ~H + ~M), (3)

onde 0 = 4pi 107 N/A2 e a permeabilidade magneticado vacuo. No sistema CGS,

~B = ~H + 4pi ~M (4)

No Sistema CGS, no vacuo ~B = ~H e = 1.


Figura 2. Distribuicao dos artigos publicados nos Anais das ICM/76, ICM/79, ICM/82, ICM/85, ICM/92, ICM/9S e ICM/97 respectiva-mente.

8. Classificacao dos Materiais Magneticos

Atualmente os materiais magneticos desempenham umpapel muito importante nas aplicacoes tecnologicas doMagnetismo, em aplicacoes tradicionais, como em dis-positivos eletromagneticos (geradores, motores, transfor-madores, avioes, relogios, computadores, eletrodomesticosetc.), dispositivos eletroacusticos (fones, altofalantes, ag-ulhas magneticas, discos compactos e microfones de tele-fones, toca-disco, etc.), instrumentos de medidas (gal-vanometros e balancas), dispositivos de torque (medidores

de potencia eletrica, ultracentrifugadora, etc.). Eles sao uti-lizados em duas categorias: mas permanentes e os mate-riais macios. Os mas permanentes sao aqueles que tema propriedade de reter um campo magnetico constante. Osprincipais desafios da pesquisa em materiais para o uso emmas permanentes sao: compreensao da origem e do pa-pel das interacoes nos materiais desenvolvidos empirica-mente, suas propriedades termicas, magneticas e mecanicas,a sntese de novos materiais, temperatura de Curie mais el-evadas, maior facilidade de fabricacao em massa, melhores


propriedades mecanicas e, se possvel, baseados em insumosminerais abundantes [2]. Os materiais macios ou materiaisde alta permeabilidade sao utilizados para produzir um altofluxo magnetico gerado por uma corrente eletrica ou umagrande inducao magnetica devido a um campo externo. Es-sas propriedades devem ser alcancadas com requisitos diver-sos de variacao no tempo e no espaco, com um mnimo dedissipacao de energia. Os materiais de alta permeabilidadedevem entao ter um ciclo de histerese estreito, ou seja, umHc pequeno e uma grande inclinacao na parte da curva ~Bvs ~H , tal como e ilustrado na figura 3, que tambem mostraas grandezas importantes no ciclo de histerese. O que de-termina aplicacao de cada material e seu ciclo de histerese,que representa o campo ~B resultante em funcao do campo~H aplicado (por exemplo, com uma corrente eletrica numabobina).

Figura 3. Ciclo de histerese de um material magnetico.

Varios materiais de alta permeabilidade sao usados at-ualmente dependendo da aplicacao. Em dispositivos debaixa frequencia (motores, geradores, transformadores ereatores entre outros) os materiais mais comuns sao oschamados acos eletricos, feitos com laminas de aco compouca concentracao de carbono ou com silcio; ligas de ferroe nquel ou ferro e cobalto, na forma de material bruto oude liga amorfa preparada por esfriamento rapido sobre umasuperfcie metalica fria. Atualmente ha uma grande ativi-dade de pesquisa e desenvolvimento em ligas amorfas como objetivo de reduzir os mecanismos de perda de energia emelhorar os processos de producao de fitas em larga escala.

Nas ultimas decadas surgiu uma nova aplicacao para osmateriais magneticos que adquiriu grande importancia na

eletronica: a gravacao magnetica. Esta aplicacao e baseadana propriedade que tem a corrente numa bobina em alterar oestado de magnetizacao de certos materiais. Isto possibilitaarmazenar, num meio magnetico, a informacao contida numsinal eletrico. A recuperacao, ou leitura, da informacaogravada, e feita atraves da inducao de uma corrente eletricapelo meio magnetico em movimento. A gravacao magneticae, de longe, a melhor tecnologia da eletronica para ar-mazenamento nao-volatil de informacao. Ela e essencialpara o funcionamento de computadores, gravadores de some de vdeo, alem de inumeros equipamentos acionados porcartoes magneticos.

Os meios magneticos atualmente utilizados em gravacaosao feitos pela deposicao de uma emulsao de partculasmagneticas sobre uma superfcie (de polietileno, por ex-emplo, no caso de fitas), ou filmes finos preparados porevaporacao a vacuo ou sputtering . A informacao egravada no meio em movimento (disco ou fita) atravesde um sinal eletrico variavel no tempo, produzindo umamagnetizacao que varia no espaco. A finalidade da gravacaode sinais em funcao da frequencia e a capacidade de ar-mazenamento (em bits/polegada [2], por exemplo) depen-dem da qualidade do meio. Os materiais adequados paraa gravacao tem campo coercitivo intermediario entre osmas permanentes (milhares de Oe) e os de alta permeabil-idade (alguns Oe). Ele deve ser suficiente para manter amagnetizacao produzida durante a gravacao e ao mesmotempo possibilitar que a informacao seja apagada, sendotipicamente da ordem de centenas de Oe [2].

Dependendo da origem microscopica de suamagnetizacao e das interacoes internas, os materiais saocomumente classificados em uma das seguintes categorias:Diamagneticos, Paramagneticos, Ferromagneticos e Anti-ferromagneticos. O diamagnetismo e o tipo mais fraco deresposta magnetica de um sistema e e caracterizado por tersusceptibilidade negativa e da ordem de grandeza de 105.A origem do diamagnetismo esta na variacao do momentoangular orbital dos eletrons induzida pela aplicacao docampo externo. A explicacao classica deste fenomeno vemda lei de Lenz, pela qual uma variacao de campo magneticoresulta numa corrente eletrica induzida que tende a se opora esta variacao, isto e criando um campo oposto ao aplicado.Este fenomento ocorre em qualquer atomo. Mas como ele emuito fraco, so aparece quando no material nao ha dipolosmagneticos permanentes que produzem efeitos muito maispronunciados. Os materiais diamagneticos sao aqueles quenao possuem dipolos magneticos permanentes, ou seja, saoaqueles cujos atomos ou ons tem camadas eletronicas com-pletas. Este e o caso dos gases nobres, He, Ne, Ar, Kr e


Xe. E tambem o caso dos solidos com ligacao ionica, cu-jos atomos trocam eletrons para ficarem com suas ultimascamadas completas, tais como KBr, LiF, CaF2 e NaCI.Deve-se salientar que nao todos os materiais diamagneticossao nao condutores; existem materiais tais como o Cu, Ag,e Au entre outros, que sao diamagneticos apesar de ter suaultima camada eletronica completa, isto e devido a que suasuscetivilidade e negativa.

Os materiais que tem momentos magneticos atomicospermanentes sao classificados em uma das outras catego-rias acima mencionadas ou entao tem estrutura magneticamais complexa como e o caso dos chamados vidros despin. Ainda, para ter aplicacao pratica e necessario quea magnetizacao macroscopica seja alta, o que ocorre ape-nas nos materiais ferro ou ferromagneticos. Estes sao osmateriais utilizados nas tres aplicacoes anteriormente men-cionadas: mas permanentes, materiais macios e meios degravacao magnetica.

9. Conclusao

A evolucao do Magnetismo no Brasil pode ser atribuidaa lideranca exercida por diversas pessoas em diferentesintituicoes do Pas.

No Brasil, o Magnetismo e uma das maiores sub-areas da Materia Condensada em termos de numero depesquisadores, refletindo o que tambem ocorre a nvel in-ternacional. Existe uma grande guantidade de pessoasque trabalham tanto na teoria quanto na experiencia comdoutorado em 13 instituicoes do Pas, sao elas: USP, UFF,UFPE, CBPF, UFRGS, UNICAMP, UFMG, UFRGN, PUC-RJ, UFRJ, UFCE, UFSCAR, UFES.

Acredita-se que a pouca interacao entre os pesquisadoresteoricos e experimentais, na pesquisa relacionada ao Mag-netismo, seja provavelmente devido a que a malhor parte dosteoricos no Brasil trabalham com modelos abstractos muito

distante daqueles que representam os materiais. O resul-tado da uma interacao relativamente pequena entre fsicosteoricos e experimentais, nao e uma caracterstica apenas doMagnetismo. Com a melhoria dos laboratorios da Fsica Ex-perimental no Pas e o aumento da maturidade dos fsicos, ainteracao entre teoricos e experimentais tem crescido grad-ualmente. Isto se verifica tanto entre pesquisadores deuma mesma instituicao, como de instituicoes diferentes, atemesmo localizadas em regioes distantes do Pas.

As dificultades da area do Magnetismo no Brasildecorrem de varios fatores. Do ponto de vista dapesquisa basica pode-se destacar quatro: o pequeno numerode pesquisadores, a escolha dos temas de pesquisa, adeficiencia dos laboratorios e a falta de pessoal e equipa-mentos para a preparacao de materiais magneticos.

Agradecimento

Agradeco ao Angelo Morrone do Laboratorio de Mag-netismo do Instituto de Fsica da UFRGS, por suas valiosasobservacoes, crticas e sugestoes a este trabalho.

Referencias

1. S. M. Rezende, A Fsica de Materiais e DispositivosEletronicos, Editora da Universidade Federal de Per-nambuco, Recife, (1996).

2. A Fsica no Brasil na Proxima Decada, Fsica daMateria Condensada, Sociedade Brasileira de Fsica,Instituto de Fsica, USP. (1990).

3. B.D. Cullity, Introduction to Magnetic Materials,Addison-Wesley Publishing Company, Philippines,(1972).

4. M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen VanDau, F. Petroff, P. Etienne, G. Creuzet, A. Frederichand J. Chazela, Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988)

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