Domínios magnéticos
(Ponto Curie)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

A teoria dos domínios do magnetismo
O relato de William Gilbert sobre suas primeiras experiências com ímãs naturais, publicado em 1600, talvez represente o primeiro estudo científico do magnetismo. Nos anos seguintes, as descobertas feitas por Coulomb, Oersted e Ampère aumentaram nosso conhecimento do comportamento dos ímãs e da natureza das forças magnéticas. Entretanto, os físicos acreditam que somente durante este último século é que começaram a compreender a verdadeira natureza do magnetismo. A opinião atual é que as propriedades magnéticas da matéria são de origem elétrica, resultante, talvez, dos movimentos dos elétrons dentro dos átomos das substâncias. Como o elétron é uma partícula eletricamente carregada, esta teoria sugere que o magnetismo é uma propriedade de uma carga em movimento. Se assim for, podemos explicar a energia associada às forças magnéticas usando leis conhecidas da Física.
Dois tipos de movimentos eletrônicos são importantes neste moderno modelo posto para explicar o magnetismo.
Primeiro um elétron girando em torno do núcleo de um átomo confere uma propriedade magnética à estrutura atômica.

Quando os átomos de uma substância são sujeitos à força magnética de um ímã forte, a força afeta essa propriedade magnética, opondo-se ao movimento dos elétrons. Os átomos são, assim, repelidos pelo ímã; isto é diamagnetismo; se o movimento do elétron em torno do núcleo fosse seu único movimento, todas as substâncias seriam diamagnéticas. A repulsão diamagnética é bastante fraca em sua ação sobre a massa total de uma substância, porque os movimentos térmicos dentro da substância mantêm os ímãs do átomo agitando-se em direções caóticas, de modo que tendem a neutralizarem-se mutuamente.

O Segundo tipo de movimento eletrônico é o "spin" do elétron em torno do seu próprio eixo. A propriedade magnética da matéria parece originar-se basicamente do spin dos elétrons; cada elétron que gira sobre si mesmo atua como um pequenino imã permanente. Spins opostos são indicados como + e - spins; os elétrons que giram em direções opostas tendem a formar pares e, assim, neutralizam seu caráter magnético.

O caráter magnético de um átomo, como um todo, pode ser fraco devido à interação mútua entre os spins eletrônicos.
As propriedades magnéticas estão associadas a ambos os tipos de movimentos eletrônicos. Os átomos de algumas substâncias podem possuir características de ímã permanente devido a um desequilíbrio  entre órbitas e spins. Esses átomos atuam como pequeninos ímãs, chamados dipolos, e são atraídos por ímãs fortes. Substâncias nas quais esse efeito excede o diamagnetismo comum a todos os átomos mostram a propriedade do paramagnetismo.
Nos átomos das substâncias ferromagnéticas existem elétrons não-emparelhados cujos spins são orientados na mesma direção. O ferro, o cobalto e o níquel, os elementos de terras raras, gadolínio e disprósio, algumas ligas desses e de outros elementos e certos óxidos metálicos, chamados ferritas, exibem fortes propriedades ferromagnéticas.
Os níveis quânticos eletrônicos internos, ou camadas, das estruturas atômicas da maioria dos elementos contém apenas elétrons emparelhados. O nível quântico mais alto, ou camada externa, de cada um dos gases nobres (exceto o hélio) consiste de um octeto estável de elétrons, composto de quatro pares eletrônicos, e os átomos de outros elementos atingem essa configuração estável formando ligações químicas. Somente em certos elementos de transição, que têm camadas internas incompletas, é que os elétrons não-emparelhados resultam em propriedades ferromagnéticas.

A configuração eletrônica do átomo do ferro, na ilustração abaixo, mostra quatro elétrons não-emparelhados no terceiro nível quântico principal. Os spins identicamente orientados desses elétrons explicam seu forte ferromagnetismo.

Os domínios magnéticos
Do que se disse acima pareceria que todo pedaço de ferro deveria comportar-se como ímã. Todavia, os átomos são agora agrupados em microscópicas regiões magnéticas, chamadas domínios. Os átomos em cada domínio são magneticamente polarizados, paralelamente a um eixo de cristal. De ordinário, esses domínios são orientados em todas as direções possíveis paralelas aos eixos de cristal, de modo que tendem a cancelar-se mutuamente, e o magnetismo liquido é essencialmente zero. Na ilustração abaixo, a polaridade de cada domínio em um material desmagnetizado é representada por uma seta.

Quando um material ferromagnético é colocado num campo magnético externo e se torna imantado, acredita-se que ocorram dois efeitos. Os domínios favoravelmente orientados no campo magnético podem aumentar de tamanho à custa dos domínios adjacentes. Outros domínios podem tornar-se mais favoravelmente orientados com respeito ao campo externo. Se os limites dos domínios permanecem aumentados até certo ponto, depois que a força magnetizadora externa foi retirada, diz-se que o material está "permanentemente" imantado.

A temperatura Curie
Quando a temperatura de um material ferromagnético é elevada acima de certo valor crítico, as regiões dos domínios desaparecem e o material se torna simplesmente paramagnético. Esta temperatura é conhecida como ponto Curie, e é normalmente inferior ao ponto de fusão da substância. Os pontos Curie para certas substâncias ferromagnéticas constam da seguinte tabela.

PONTOS CURIE DE ELEMENTOS FERROMAGNÉTICOS

A fotomicrografia
Os físicos aperfeiçoaram uma técnica que lhes permite ver e fotografar os domínios microscópicos num material ferromagnético, sendo os domínios delineados com partículas coloidais de óxido de ferro. Uma fotomicrografia típica de domínios magnéticos aparece na ilustração a seguir, e esta técnica pode ser usada para indicar o que ocorre dentro de um ímã quando ele é sujeito a várias manipulações  experimentais.

Uma tecnologia de ímãs, baseada num grupo de substâncias ferromagnéticas conhecidas como ferritas, resulta em ímãs fortes e resistentes, dotados de propriedades únicas. As ferritas são óxidos de ferro combinados com óxidos de outros metais como o manganês, o cobalto, o níquel, o cobre e o magnésio, os quais são pulverizados, moldados na forma desejada sob pressão e aquecidos a temperaturas elevadas. Como óxidos, as ferritas têm resistência elétrica muito elevada, propriedade extremamente importante em algumas aplicações dos materiais ferromagnéticos.
A pedra-ímã original é um material desse tipo, comumente chamado óxido de ferro magnético; quimicamente, é uma combinação de óxido de ferro (II), Fe0, e óxido de ferro (III) Fe₂0₃. Julga-se que sua fórmula seja Fe(Fe0₂)₂.