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Experiência de Relaxação Magnética

Laboratório
Experiência de Relaxação Magnética

Mova clipe de papel 

A Experiência de Relaxação Magnética ilustra um dos princípios envolvidos na Ressonância Nuclear Magnética. Os núcleos em rotação dos átomos de algumas substâncias, incluindo o hidrogênio encontrado na água e nos hidrocarbonetos, podem ser considerados como pequenos ímãs de barra, cada um com um pólo norte e um pólo sul. Esses núcleos se alinharão em relação a um campo magnético. Quando o campo magnético é removido, os núcleos tendem a retornar ao seu estado anterior. Esse retorno, chamado de relaxação, leva algum tempo.

O clipe de papel de nossa experiência também pode ser considerado como sendo composto por muitos ímãs pequenos chamados de "domínios", que se alinham quando o clipe é colocado em um campo magnético. Os domínios são estruturas cristalinas microscópicas dentro do clipe, cada uma formada por muitos milhões de átomos. Os detalhes do que ocorre dentro dos domínios são discutidos abaixo.

A Investigação

Utilizando uma bússola magnética, medimos a que distância o clipe de papel magnetizado deve estar para produzir uma determinada deflexão da ponta da bússola. Repetimos essa medição a cada vinte minutos, durante 100 minutos. Notamos que com o decorrer do tempo, o clipe teve de ser colocado mais perto para fazer com que a ponta da bússola apresentasse o mesmo deslocamento. Isso ocorre porque o campo magnético do clipe reduz sua intensidade no decorrer do tempo.

Por Que Ocorre a Relaxação do Clipe de Papel?

Quando o campo magnético é aplicado ao clipe, os domínios tendem a se alinhar entre si. Quando a fonte do magnetismo é removida, o movimento térmico no clipe tende a posicionar os domínios de forma aleatória, resultando em um campo magnético enfraquecido. Em outras palavras, uma vez que o clipe não está a uma temperatura de zero absoluto, existe algum movimento dos domínios. Isso tende a desordená-los no decorrer do tempo.

Um modo de fazer com que a relaxação do clipe magnetizado ocorra mais rapidamente é jogá-lo contra uma superfície dura. A parada súbita que ocorre no impacto agita os domínios e coloca alguns deles em posições aleatórias. Você pode verificar isso executando a experiência de relaxação, mas em vez de permitir que a relaxação do clipe ocorra gradualmente, jogue o objeto no chão entre as medições de seu campo magnético.

Clipes de Papel, Hidrogênio e RMN

Na RMN, os núcleos de hidrogênio da água ou dos hidrocarbonetos são alinhados e, então, ocorre a relaxação. Em nossa experiência isso ocorre com os domínios de ferro no clipe de papel. Existem algumas outras diferenças importantes:

  • A relaxação dos núcleos de hidrogênio ocorre em questão de segundos. No caso dos domínios de ferro no clipe, a relaxação acontece durante um período muito mais longo. Isso facilita a medição e o registro da diminuição da intensidade do campo magnético.
  • Na RMN, existem dois campos magnéticos. Um tem origem em um ímã permanente. O segundo é causado por um eletroímã. Em seu estado relaxado inicial, os núcleos de hidrogênio estão alinhados com o campo do ímã permanente. A ferramenta de RMN foi projetada de modo que o campo eletromagnético seja perpendicular ao campo do ímã permanente, forçando os núcleos de hidrogênio em rotação a se desalinharem em relação a esse campo. Quando o eletroímã é desativado, os núcleos tendem a retornar ao seu estado inicial, alinhando-se em relação ao campo do ímã permanente. No clipe, os domínios de ferro estão em desordem e apontando para todas as direções. Ao conectarmos uma bobina a uma bateria, criamos um campo magnético que faz com que os domínios se alinhem. Quando desconectamos a bateria, o campo magnético é suprimido, e os domínios começam a se desordenar novamente.
  • Na experiência utilizamos uma bateria que produz uma corrente contínua, ou CC. Um dos terminais da bateria é positivo, e o outro, negativo. Isso cria um campo magnético estável na bobina, com o Norte continuamente em um sentido, e o Sul no sentido oposto. Em uma ferramenta de RMN, a eletricidade se propaga em uma corrente alternada, ou CA. Os pólos norte e sul se alternam muitos milhões de vezes por segundo. Essa oscilação combina com a freqüência natural dos núcleos de hidrogênio – a "Ressonância" na RMN. Leia mais sobre esse assunto em Como a RMN Funciona.

Indo Mais Fundo

A especialista do SEED Denise Freed oferece uma explicação mais detalhada sobre o magnetismo no clipe de papel:

  • Em cada um dos milhões de átomos de ferro em um domínio existem elétrons girando que funcionam como pequenos ímãs de barra, de modo muito semelhante aos prótons que giram nos átomos de hidrogênio. Na maioria dos materiais, os spins dos elétrons estão combinados de modo que seus momentos magnéticos se cancelam.
  • Em materiais como o ferro, duas coisas ocorrem. Primeiro, os elétrons não estão combinados de modo normal e seus campos magnéticos não são anulados. Segundo, além da interação magnética normal entre os elétrons, existe uma segunda interação causada exclusivamente pelos efeitos quânticos, a qual também faz com que os elétrons tendam a se alinhar. Essa segunda interação é muito mais intensa que a interação magnética normal. Na verdade, os campos magnéticos dos elétrons (e também dos nêutrons) são tão pequenos que eles nunca seriam capazes de se alinhar nos domínios. Eles seriam muito pequenos para reagir às flutuações térmicas. Assim, é a segunda interação, chamada de interação de troca, que causa o alinhamento dos spins em domínios nos materiais como o ferro. Uma vez que essa interação alinha os spins exatamente como a interação magnética, mas com maior intensidade, para propósitos simples, continua sendo razoável pensar nos elétrons como pequenos ímãs. O mecanismo de alinhamento em relação ao campo magnético externo aplicado é realmente muito semelhante no caso dos elétrons e no caso dos núcleos.
  • Em cada domínio, os elétrons em rotação estão alinhados com seus vizinhos, mas os domínios não estão alinhados com os domínios vizinhos. Quando o clipe é colocado no campo do eletroímã, são os domínios que realmente se alinham. Quando o clipe não está mais no campo do eletroímã, os domínios tendem a retornar ao seu estado desordenado. Entretanto, os elétrons em rotação na borda de um domínio tendem a permanecer alinhados em relação aos elétrons em rotação na borda do domínio vizinho. Uma certa quantidade de energia é necessária para superar essa atração e restabelecer o estado original. Golpear o clipe de papel é um modo de fornecer essa energia. Se você esperar o suficiente, as flutuações naturais, existentes em situações em que a temperatura não é de zero absoluto, também fornecerão energia suficiente para que os domínios retornem à sua orientação aleatória.

Esta discussão leva a algumas outras experiências possíveis. Pense sobre o que você espera que ocorra em cada caso. Quão satisfatórios são seus resultados em comparação às suas previsões?

  • Como o tempo de relaxação do clipe de papel é afetado se você golpeá-lo com um martelo ou jogá-lo no chão entre as medições da intensidade de seu campo magnético?
  • O que ocorreria se você golpeasse o clipe durante os dez segundos de sua exposição ao campo eletromagnético, mas não durante os 100 minutos do período de relaxação?
  • Como a temperatura do clipe de papel afeta a taxa de relaxação? O que aconteceria se o clipe estivesse aquecido enquanto exposto ao campo eletromagnético, mas não durante a relaxação? E se o clipe estivesse frio durante a magnetização e aquecido durante a relaxação?

O Programa de Módulos de Física na Indústria da Rutgers oferece mais informações sobre o magnetismo dos sólidos.

Você pode fazer o download dos arquivos PDF da Experiência de Relaxação e das instruções de Construindo um Eletroímã. Esses documentos podem ser impressos e copiados para distribuição a seus alunos.