Materiais - O que são Terras Raras?

Tabela Periódica dos Elementos

Imagem: Geology.com

Física, tecnologia e economia no mundo moderno

        Se você está lendo este texto em um celular, computador ou tablet, há uma chance enorme de que terras raras estejam literalmente nas suas mãos. Esses elementos químicos, apesar do nome curioso, são peças-chave da tecnologia moderna — e também um fator estratégico na economia e na geopolítica mundial.

Mas afinal: o que são terras raras e por que elas importam tanto?

O termo terras raras refere-se a um grupo de 17 elementos químicos da Tabela Periódica (ver imagem acima).

• Os 15 lantanídeos (do lantânio ao lutécio)
• Mais o escândio (Sc) e o ítrio (Y) 

O nome “terras raras” é um pouco enganoso, o que acontece é o seguinte:

• Elementos como cério, lantânio ou neodímio até são relativamente abundantes, mais que, por exemplo, o ouro ou a prata.
• O problema é que raramente aparecem em depósitos concentrados o suficiente para serem extraídos de forma econômica. Normalmente estão diluídos em minerais junto com outros elementos.

Eles recebem esse nome não porque sejam extremamente escassos na crosta terrestre, mas porque:

• dificilmente aparecem em concentrações elevadas,
• são quimicamente muito semelhantes entre si,
• e sua separação e purificação é complexa e cara.

Do ponto de vista da Física do estado sólido, esses elementos se destacam principalmente pelas propriedades magnéticas, ópticas e eletrônicas associadas aos elétrons da camada 4f.

   

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Elementos e aplicações

As tabelas abaixo resume os elementos das terras raras e suas aplicações típicas:

Tabela 1 : Do número atômico 21 ao 62.

Tabela 2 : Do número atômico 63 ao 71.

Por que as terras raras são essenciais?

Fisicamente, esses elementos têm momentos magnéticos elevados, transições eletrônicas precisas e alta estabilidade térmica, tornando-os indispensáveis em:

• motores e veículos elétricos,

• turbinas eólicas,

• telas LED/OLED e fibras ópticas,

• equipamentos médicos (MRI, PET),

• tecnologias militares e aeroespaciais.

Sem eles, a transição energética e tecnológica moderna seria impossível.

Conclusão

        No século XXI, o controle das terras raras é estratégico: embora reservas existam em vários países, a maior parte da extração e do refino está concentrada na China, gerando dependência tecnológica, vulnerabilidade econômica e disputas geopolíticas. EUA, União Europeia, Japão e Brasil consideram-nas recursos tão estratégicos quanto o petróleo no século XX. Mais que elementos químicos, suas propriedades físicas — magnetismo, interação eletromagnética, emissão de luz e transporte de energia — são essenciais para tecnologias avançadas, mostrando como a Física se traduz em poder econômico, industrial e estratégico no mundo real.

Postagens relacionadas: 

Na postagem Construa um Motor Elétrico, mostro a interação entre dois ímãs de Neodímio e como um deles compõe um motor elétrico rudimentar. ( O Neodímio é um dos elementos mais importantes do grupo das terras raras). 

A postagem Teoria da Mecânica Quântica mostra como a física determina a localização dos elétrons em um átomo, essa informação esta relacionada as propriedades dos materiais listados nas tabelas 1 e 2 dessa postagem.

Conceito - O que é tempo ?

Você já preparou um chá ?

Estado inicial - Água e folhas secas dentro do saquinho

    Tempo é aquilo que os relógios medem. Um relógio é um dispositivo que conta ciclos através de um fenômeno mecânico (pêndulo) ou elétrico (oscilador a cristal piezoelétrico, quartzo por exemplo) cujos pulsos devem ter período constante e menor que aqueles que se quer medir. No fundo a medida de tempo, assim como a medida de espaço, é uma comparação. No caso do tempo, uma comparação entre um movimento natural, de período constante, e um outro movimento, o qual se quer medir. Exemplo: o tempo que a Terra leva para completar uma volta em torno do Sol é de 365,25 dias.

     Neste exemplo o que se quer medir é o tempo que a Terra leva para completar uma volta em torno do Sol. A unidade de medida será um movimento de período menor, o dia. O dia é o tempo que a Terra leva para completar uma volta em torno de si mesma. Então a pergunta se resume a: Quantos dias são necessários para que a Terra complete uma volta em torno do Sol ? Nos resta então realizar a contagem desses dias, além de marcar uma referência espacial para o começo e o fim da contagem. 

   Mas há ainda uma outra característica mais fundamental e importante do tempo: a irreversibilidade. No mundo microscópico, a quantidade de partículas é extremamente grande o que implica na necessidade de uma mecânica estatística.

Representação do movimento das moléculas de dois tipos diferentes. 

   Essa teoria descreve o espalhamento da energia no universo como um todo de forma probabilística. As diferentes maneiras com as quais as partículas podem estar distribuídas no espaço são quase infinitas. Enquanto o estado inicial é único.  Isso nos leva a concluir que o "estado seguinte" será quase sempre diferente do anterior e a probabilidade de que o "estado anterior" ocorra novamente é infinitamente pequena.

Poucos minutos depois - O que aconteceu ? 

  Poderia então o tempo ser entendido como o "movimento natural e irreversível das partículas no universo" ?

Astronomia - Sistemas de coordenadas #2

    O sistema de coordenadas alto azimutais é amplamente utilizado em astronomia para descrever a posição de um objeto celeste no céu em relação a um observador em um local específico. Este sistema é baseado em dois parâmetros: a altitude e o azimute.

1. Altitude (ou elevação)

• Mede o ângulo do objeto acima do horizonte.
• Valores variam de $0^\circ$ (no horizonte) a $90^\circ$ (no zênite, ponto diretamente acima do observador).
• Objetos abaixo do horizonte têm altitudes negativas.

2. Azimute

• Mede o ângulo ao longo do horizonte a partir do norte verdadeiro.
• Geralmente, $0^\circ$ corresponde ao norte, $90^\circ$ ao leste, $180^\circ$ ao sul, e $270^\circ$ ao oeste.

Pontos de referência do sistema

• Zênite: O ponto diretamente acima do observador ($90^\circ$ de altitude).
• Nadir: O ponto diretamente abaixo do observador ($-90^\circ$ de altitude).
• Horizonte: O plano tangente à superfície da Terra no local do observador ($0^\circ$ de altitude).

Como funciona ? - O Rádio

        Essa postagem é o registro de um "rádio" que construí (Fig. 1). Esse rádio possui finalidade didática, é feito com 4 componentes e NÃO necessita de pilhas. É isso mesmo, você não leu errado, nada de pilhas ou baterias. A ideia é também buscar um pouco dos primórdios do desenvolvimento da tecnologia de radiocomunicação. 

Fig. 1 - Rádio AM de germânio com antena de quadro.

    Pensar que certo gênio inventor acordou pela manhã e teve a ideia de construir um rádio é no mínimo ingênuo. A invenção do rádio é resultado de um longo processo que envolve centenas de pessoas, começando no final do século XIX até os dias atuais onde o rádio é de certa maneira reinventado em tecnologias de telefonia celular 3G , LTE (4G), redes WAN, Bluetooth e a recente Internet das Coisas. Uma pergunta importante é: Quem fez e quando foi feita a primeira transmissão de informação sem fio?

    Se informação for uma pequena faísca então essa pessoa foi o físico Heinrich Hertz (1857 - 1894), o mesmo Hertz da unidade de frequência, essa foi uma homenagem a ele. Hertz conhecia o trabalho teórico de James Clerk Maxwell (1831 - 1879) que previa a existência de ondas eletromagnéticas. O experimento de Hertz consistia em um circuito elétrico capaz de gerar uma faísca entre os terminais de uma antena. 

    Do outro lado do laboratório de Hertz, a alguns metros, havia um anel metálico e condutor, aberto, com uma pequena esfera em cada extremidade. Quando a faísca era gerada, instantaneamente outra faísca brilhava no anel do outro lado do laboratório. Verificando assim as previsões de Maxwell. 

    A história do rádio passa por um padre gaúcho chamado Landell de Moura (1861 - 1928). Landell patenteou um dispositivo que permitia a comunicação por voz dentre outros dispositivos de comunicação a distância. Landell provavelmente foi o primeiro a transmitir e receber voz através das ondas hertzianas. 

    Agora vamos dar um salto na história até a radiodifusão por amplitude modulada, ou como os mais velhos conhecem: AM. O rádio que é a razão desta postagem (Fig. 2), chamado comumente de Rádio de Galena, detecta ondas eletromagnéticas de amplitude modulada. Cristal de Galena é um cristal semicondutor utilizado em rádios antigos, que por essa razão ganharam o nome de rádios de Galena.

Fig. 2 - Base da antena e detalhe do capacitor de placas.

    O diagrama esquemático (Fig.3) apresenta três componentes: capacitor variável de placas (300pF), diodo de germânio e cápsula piezoelétrica. Esses três componentes e a antena de quadro formam o Rádio de Germânio. 

Fig. 3 - Diagrama esquemático do projeto

     Este projeto é um misto de alguns projetos que eu encontrei na internet entre sites e vídeos. Inicialmente eu havia feito sem a antena de quadro, utilizei então um fio Terra (literalmente na terra) e 20 m de fio como antena. Achei que isso limitaria muito a mobilidade então resolvi fazer a antena. 

    Também é importante ressaltar dois pontos. O primeiro é que o capacitor variável de placas não é vendido em lojas de eletrônica, é preciso pegar de um rádio velho. O segundo é que a cápsula piezoelétrica, apesar de ser encontrada em lojas do ramo, não é o componente mais adequado. O fone mais sensível é o de cristal de Rochele, segundo o consta em artigo escrito pelo Prof. Newton Braga no site: newtoncbraga.com.br

    Por fim posso dizer que valeu a pena ter construído. O rádio realmente funciona! 

 Clique aqui para saber mais sobre o Experimento de Hertz e as Equações de Maxwell ( 1865 )

História da Física - Ondas eletromagnéticas e a invenção do rádio

   A invenção do rádio como conhecemos hoje tem suas raízes no experimento do físico alemão Heinrich Hertz realizado em 1887. Hertz tinha o conhecimento teórico sobre a possibilidade da geração de ondas eletromagnéticas a partir de um circuito centelhador ligado a uma antena, essas ondas viajariam pelo espaço e poderiam ser detectadas por uma segunda antena posicionada a uma certa distância da primeira.  

  A imagem acima mostra as duas antenas usadas por Heinrich Hertz em seu experimento para comprovar a existência das ondas eletromagnéticas. Hertz conhecia o trabalho de seu contemporâneo James Clerk Maxwell que publicou em 1865 um artigo intitulado "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" ( Uma Teoria Dinâmica do Campo Eletromagnético ). O artigo traz um conjunto de equações capaz de descrever a totalidade dos fenômenos elétricos e magnéticos conhecidos na época, bem como relações entre esses fenômenos.

   Na época de Maxwell, originalmente havia 20 equações que descreviam o eletromagnetismo. Maxwell foi capaz de reduzir esse conjunto para 8 equações. Posteriormente, Oliver Heaviside e Josiah Willard Gibbs, utilizando o cálculo vetorial, simplificaram ainda mais as equações de Maxwell, expressando-as de forma mais compacta e elegante no conjunto final de 4 equações vetoriais que conhecemos hoje. Esse trabalho de simplificação ocorreu ao longo das décadas após as contribuições iniciais de Maxwell, resultando nas equações (#) :

$$ \quad \nabla \cdot \mathbf{E} = 0 $$

$$ \quad \nabla \cdot \mathbf{H} = 0 $$

$$\nabla \times \mathbf{E} = -\mu_0 \frac{\partial \mathbf{H}}{\partial t}$$

$$\nabla \times \mathbf{H} = \varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}$$

   Essas são as famosas equações de Maxwell. Essas equações evidenciam uma simetria entre o campo elétrico e o campo magnético. É possível reformular as equações de Maxwell de forma que resultem em duas equações de onda. A solução dessas equações fornece uma expressão para as ondas eletromagnéticas. Ao solucionar essas equações, Maxwell chega na seguinte expressão para a velocidade dessas ondas:

$$ v = \frac{1}{\sqrt{\mu_{0}\varepsilon_{0}}}  $$

   As letras gregas no denominador são respectivamente a permeabilidade magnética do vácuo e a permissividade elétrica do vácuo. Ao substituir o valor numérico dessas duas constantes, Maxwell encontra o valor de v = 2,99792×10^8 m/s que era um valor conhecido na época: O valor da velocidade da luz no vácuo. 

   Desta forma Maxwell conclui que a luz é uma onda eletromagnética. Mas afinal, como uma onda eletromagnética pode ser gerada ? A solução das equações de Maxwell também fornece essa resposta. Portanto foi exatamente isso que Heinrich Hertz se propôs a fazer em seu laboratório: Gerar ondas eletromagnéticas e detectá-las a alguns poucos metros de distância em uma outra antena. Assim nasciam as ondas eletromagnéticas ou como foram posteriormente chamadas: As ondas de rádio. 

   O termo "rádio" utilizado para descrever as ondas eletromagnéticas usadas em comunicações sem fio vem do latim "radius", que significa "raio". Este nome foi escolhido porque as ondas de rádio propagam-se radialmente a partir de sua fonte, da mesma maneira que os "raios de luz" são irradiados a partir de uma fonte luminosa. A palavra "rádio" foi inicialmente aplicada por Marconi, que é conhecido por desenvolver as primeiras comunicações sem fio práticas no final do século XIX e início do século XX.

# Supondo que a densidade de cargas e a densidade de corrente sejam nulas. 

*Caso você não esteja visualizando as expressões matemáticas, clique em "Ver versão para a web".