Por Chris Deziel, atualizado em 24 de março de 2022

O magnetismo e a eletricidade são fenômenos profundamente interligados que muitas vezes podem ser vistos como as duas faces da mesma moeda. O comportamento magnético dos metais origina-se do arranjo dos elétrons em suas camadas atômicas.

Cada elemento possui características magnéticas, embora a maioria seja sutil e não seja facilmente aparente. Os metais que atraem ímãs compartilham uma característica comum:elétrons desemparelhados em suas camadas mais externas. Esta configuração eletrônica é o principal impulsionador do magnetismo.

Diamagnetismo, Paramagnetismo e Ferromagnetismo

Metais que podem ser permanentemente magnetizados são chamados de ferromagnéticos . A lista é curta e o termo deriva da palavra latina para ferro, ferrum .

Em contraste, paramagnético os materiais ficam temporariamente magnetizados quando expostos a um campo magnético. A classe inclui não apenas metais, mas também moléculas covalentes, como oxigênio (O₂) e vários sólidos iônicos.

Qualquer coisa que não seja ferromagnética nem paramagnética é diamagnética . As substâncias diamagnéticas exibem uma ligeira repulsão aos campos magnéticos, de modo que um ímã convencional não as atrai. Na realidade, todos os materiais apresentam diamagnetismo até certo ponto.

Como os elétrons geram campos magnéticos

De acordo com o modelo atômico aceito, o núcleo contém prótons carregados positivamente e nêutrons eletricamente neutros, mantidos juntos pela força nuclear forte. Ao redor do núcleo há uma nuvem de elétrons ocupando níveis de energia ou camadas discretas. Esses elétrons são responsáveis ​​pelas propriedades magnéticas de um átomo.

Quando um elétron orbita o núcleo, ele produz um campo elétrico variável que, pelas equações de Maxwell, gera um campo magnético. A magnitude do campo é igual à área dentro da órbita multiplicada pela corrente. Cada elétron contribui com uma corrente minúscula, e o momento magnético resultante é medido em magnetons de Bohr. Num átomo típico, os campos magnéticos de todos os elétrons em órbita se cancelam, deixando um momento líquido zero.

Spin do elétron:o fator dominante

Além do movimento orbital, os elétrons possuem uma propriedade intrínseca chamada spin , o que é crucial na determinação do comportamento magnético. Spin não é uma rotação clássica, mas um momento angular intrínseco. Elétrons com spin “para cima” têm spin positivo, enquanto aqueles com spin “para baixo” têm spin negativo.

Como o spin tende a ser desequilibrado, muitas vezes produz um momento magnético líquido em um átomo, enquanto as contribuições orbitais podem ser canceladas. Assim, o spin domina o movimento orbital na formação das propriedades magnéticas.

Elétrons desemparelhados e momentos magnéticos

Os elétrons ocupam camadas em pares de spin-up e spin-down, normalmente resultando em momento magnético líquido zero. O mais externo, ou valência , shell determina o caráter magnético de um elemento. Um elétron desemparelhado nesta camada cria um momento magnético líquido, tornando o elemento magnético; elétrons de valência totalmente emparelhados levam ao diamagnetismo.

Esta regra vale para a maioria dos elementos, embora certos metais de transição como o ferro (Fe) tenham elétrons de valência que podem residir em camadas de energia mais baixas.

Diamagnetismo:a resposta universal

Como cada loop de elétrons gera um campo magnético, todos os materiais apresentam diamagnetismo. Quando um campo magnético externo é aplicado, as correntes induzidas se opõem ao campo – uma consequência da Lei de Lenz. Esta fraca repulsão está presente em todas as substâncias, mas muitas vezes é demasiado ligeira para ser detectada sem equipamento sensível.

O momento magnético total, J , é igual à soma do momento angular orbital e de spin. Quando J  =0, o átomo não é magnético; quando J  ≠0, é magnético, exigindo pelo menos um elétron desemparelhado.

Exemplos de metais diamagnéticos incluem:

• Zinco
• Mercúrio
• Estanho
• Telúrio
• Ouro
• Prata
• Cobre

Num campo magnético forte, um objeto diamagnético, como uma barra de ouro, orientar-se-á perpendicularmente às linhas do campo, demonstrando a sua resistência subtil.

Paramagnetismo em Metais

Metais com pelo menos um elétron desemparelhado na camada externa são paramagnéticos. Eles se alinham com um campo magnético externo, mas perdem esse alinhamento quando o campo é removido. Metais paramagnéticos comuns incluem:

• Magnésio
• Alumínio
• Tungstênio
• Platina

Embora não sejam atraídos por um ímã permanente, seus momentos magnéticos induzidos podem ser detectados com instrumentos sensíveis.

Natureza Paramagnética do Oxigênio

O paramagnetismo não é exclusivo dos metais. Moléculas como o O₂ exibem isso, enquanto não-metais como o cálcio também são paramagnéticos. Uma demonstração clássica envolve colocar oxigênio líquido entre os pólos de um poderoso eletroímã; o oxigênio sobe pelos pólos e vaporiza, formando uma nuvem de gás visível. A mesma experiência com nitrogênio líquido, que é diamagnético, não mostra movimento.

Ferromagnetismo e Magnetização Permanente

Os elementos ferromagnéticos ficam magnetizados em um campo externo e retêm essa magnetização posteriormente. A chave é a presença de múltiplos elétrons desemparelhados e a formação de domínios magnéticos. Quando um campo magnético é aplicado, os domínios se alinham e o alinhamento persiste mesmo depois que o campo é removido – um fenômeno conhecido como histerese, que pode durar anos.

Os elementos ferromagnéticos incluem:

• Ferro
• Níquel
• Cobalto
• Gadolínio
• Rutênio

Os ímãs permanentes de alto desempenho são normalmente ímãs de terras raras. Os ímãs de neodímio (NdFeB) e os ímãs de samário-cobalto (SmCo) combinam um núcleo ferromagnético com um elemento paramagnético de terras raras. Os ímãs de ferrite (óxido de ferro) e alnico (AlNiCo) também são ferromagnéticos, mas geralmente mais fracos.

O Ponto Curie:A Temperatura Limita o Magnetismo

Todo material magnético tem uma temperatura característica, o ponto Curie , acima do qual sua ordem magnética entra em colapso. Para o ferro, o ponto Curie é 1.418°F (770°C); para cobalto, é 2.050°F (1.121°C). Acima dessas temperaturas, o material torna-se paramagnético ou diamagnético. O resfriamento abaixo do ponto Curie restaura o ferromagnetismo.

Ferrimagnetismo vs. Ferromagnetismo:O Caso da Magnetita

A magnetita (Fe₃O₄) é frequentemente descrita como ferromagnética, mas é, na verdade, ferrimagnética. Sua estrutura cristalina contém duas redes interpenetrantes – octaédrica e tetraédrica – com momentos magnéticos opostos, mas desiguais, resultando em um momento magnético líquido. Outros materiais ferrimagnéticos incluem granada de ítrio-ferro e pirrotita.

Antiferromagnetismo e a temperatura de Néel

Abaixo da temperatura Néel de um material , certos metais, ligas e sólidos iônicos passam de paramagnéticos para antiferromagnéticos, perdendo sua resposta a campos magnéticos externos. No antiferromagnetismo, os spins vizinhos alinham-se de forma antiparalela, anulando-se mutuamente.

As temperaturas do Néel podem ser extremamente baixas (≈–150°C) ou próximas da temperatura ambiente, dependendo do composto. Apenas alguns elementos, como o cromo e o manganês, apresentam antiferromagnetismo. Compostos antiferromagnéticos notáveis ​​incluem óxido de manganês (MnO), algumas formas de óxido de ferro (Fe₂O₃) e ferrita de bismuto (BiFeO₃).

À medida que a temperatura aumenta, a ordem antiferromagnética enfraquece, atingindo um pico de resposta paramagnética na temperatura de Néel antes que a agitação térmica diminua o alinhamento.

Embora a maioria dos metais comuns sejam ferromagnéticos ou paramagnéticos, a compreensão dessas classificações magnéticas revela por que certos metais não são afetados pelos ímãs convencionais.