As propriedades magnéticas da matéria se originam essencialmente dos momentos magnéticos dos elétrons em camadas incompletas nos átomos (que em geral pertencem à camada 3d (no caso dos elementos do grupo do ferro) e 4f (nas terras-raras)), e de elétrons desemparelhados na banda de condução [5,51]. De acordo com a interação entre estes momentos, os materiais podem ser classificados, de modo geral, como sendo diamagnéticos, paramagnéticos, antiferromagnéticos ou ferromagnéticos.
O diamagnetismo é caracterizado por uma resposta magnética pequena e negativa devido à aplicação de um campo magnético. Nestes materiais, em geral, campos magnéticos geram mudanças no movimento orbital e, como resultado,
verifica-se uma susceptibilidade magnética pequena e negativa () [5,51]. A curva de magnetização (M) vs campo magnético (H), característica para um sistema diamagnético, é representada na Figura 2. 6a. Observa-se uma oposição entre a magnetização induzida e o campo magnético aplicado, resultando em minimização do campo magnético no interior de um material diamagnético.
O paramagnetismo também é caracterizado pela magnetização proporcionalmente linear com o campo magnético. Porém, diferentemente do caso diamagnético, a susceptibilidade magnética, para estes materiais, é positiva e da ordem de O paramagnetismo é comum em sais de metais de transição
diluídos, nos quais íons metálicos com elétrons desemparelhados interagem fracamente entre si. Os spins são orientados aleatoriamente a temperaturas elevadas, porém, na presença de um campo magnético eles se alinham. O comportamento paramagnético resulta em uma curva de M vs H linear e positiva, na direção de acréscimo do campo magnético, como visto na Figura 2. 6b. O paramagnetismo também é observado acima de uma temperatura de ordem magnética [5,51] (como ferromagnética), quando um material deixa de ser ferromagnético e passa para um estado sem magnetização espontânea.
Por sua vez, materiais antiferromagnéticos são aqueles nos quais os momentos atômicos se alinham antiparalelamente, com magnetização resultante nula. Acima da temperatura de ordenamento, chamada temperatura de Néel, o inverso da susceptibilidade elétrica segue uma dependência linear e apresenta características dos materiais paramagnéticos.
O ordenamento ferromagnético é decorrente de uma ordem de longo alcance entre momentos magnéticos de átomos na rede cristalina, fazendo com que todos se alinhem em uma mesma direção cristalina [5,51]. Similarmente aos materiais ferroelétricos (definido na seção 2.2.2), os materiais ferromagnéticos possuem estruturas de domínios, recorrentes da minimização da energia de Gibbs durante a formação da fase ferromagnética, a uma dada temperatura [5]. Devido à presença de dipolos magnéticos, durante a aplicação de campo magnético oscilante, materiais ferromagnéticos apresentam atraso de fase entre a aplicação do campo e a mudança na magnetização, o que caracteriza uma curva de histerese entre magnetização e campo magnético. Um ciclo típico da curva M vs H de um material ferromagnético pode ser visto na Figura 2. 6c. Nestes sistemas propriedades
magnéticas como: magnetização de saturação, magnetização remanescente e campo coercitivo podem ser determinados por meio da curva de magnetização em função do campo magnético.
Figura 2. 6 – Curva M vs. H para materiais: (a) Diamagnéticos; (b) Paramagnéticos; e (c) Ferromagnéticos.
Outro importante ordenamento magnético é conhecido como ferrimagnetismo. Do ponto de vista macroscópico, materiais ferrimagnéticos apresentam momento magnético não nulo, como um material ferromagnético, porém em menor magnitude. Microscopicamente, a diferença entre materiais ferromagnéticos e os ferrimagnéticos é a distribuição atômica na rede cristalina [51,52]. Para o caso dos materiais ferromagnéticos, a distribuição atômica dos átomos é tal que o momento magnético individual é somado. Por outro lado, no ferrimagnetismo, os sítios atômicos da rede possuem elementos diferentes, cujos momentos magnéticos são antiparalelos, como no caso de um material antiferromagnético, porém devido a diferentes íons em cada sítio atômico da rede, o momento total difere de zero, resultando em um momento magnético não nulo macroscopicamente. Na Figura 2. 7 é representada a distribuição de momentos magnéticos dos átomos numa rede bi-dimensional de um material: (a) ferromagnético e (b) ferrimagnético.
(a) (b)
Figura 2. 7 - Representação esquemática da distribuição de dipolos magnéticos em materiais: (a) Ferromagnéticos; e (b) Ferrimagnéticos.
Entre os materiais magnéticos mais utilizados, estão os que apresentam ferrimagnetismo, ou as ferritas [52]. Dependendo da estrutura cristalina, as ferritas podem ser classificadas em: granadas, hexaferrita e espinélio [52,53]. Devido à maior mobilidade catiônica, que possibilita a sintonização das propriedades, as ferritas mais utilizadas são as com estrutura espinélio [53].
A fórmula mínima da estrutura espinélio é a AB2O4, onde A representa os
sítios tetraédricos e B, os octaédricos, os quais estão rodeados por ânions de O2-,
como visto na Figura 2. 8 [52]. Quando os sítios A possuem cátions divalentes, e B cátions trivalentes, a estrutura é conhecida como espinélio normal. Já quando íon divalentes tem preferência pelos sítios octaédricos, enquanto que o íon trivalente ocupa, com igual proporção, os íons octaédricos e tetraédricos, a estrutura é denominada de estrutura espinélio invertida. Em geral, íons divalentes de Mn2+, Fe2+,
Ni2+, Co2+, Cu2+, Zn2+, ou suas combinações são utilizadas para a formação da fase
espinélio. Como exemplo de material com estrutura espinélio invertida, tem-se a fase NiFe2O4. Neste caso, como na condição ideal, íons de Fe3+ estão distribuídos de
forma igualmente provável nos sítios A e B, o que não contribui para a magnetização total da célula. Assim, o momento magnético total, para a ferrita de níquel, é determinado pelo momento magnético dos íons de Ni2+, que neste caso, resulta em ~2,5x105 Am-1 (~45 emu/g) [52].
Figura 2. 8 – Representação da cela unitária para uma estrutura espinélio invertida [52].
Entre as várias aplicações que as ferritas possuem, uma das mais interessantes é a magnetostrição. A magnetostrição é a propriedade dos materiais ferromagnéticos (ou com outro tipo de ordenamento magnético) de se deformarem pela presença de campo magnético externo, ou do efeito inverso, onde uma deformação do material induz magnetização [51,52]. A constante magnetostrictiva m
é definida como a deformação induzida pelo campo magnético de saturação. Para materiais monocristalinos, m é dependente da direção cristalina, porém, em
materiais cerâmicos, o valor de m é uma média dos valores alcançados para os
monocristais. Na tabela 2.1 são mostrados alguns dos valores de constante de magnetostricção de saturação para algumas ferritas policristalinas.
Tabela 2. 1- Constante de magnetostricção de saturação para algumas ferritas policristalinas [52].
Composição mx10-6 Fe3O4 +40 MnFe2O4 -5 CoFe2O4 -110 NiFe2O4 -26 Ni0,56 Fe0,44Fe2O4 0 Ni0,5Zn0,5Fe2O4 -11 MgFe2O4 -6
2.2.4. Classificação dos Materiais: Ponto de Vista do Acoplamento