A teoria eletromagnética moderna define duas relações constitutivas que determinam dois novos campos vetoriais além dos tradicionais campos elétrico \(\vec{E}\) e densidade magnética \(\vec{B}\).
Essas relações são usualmente escritas da seguinte maneira para materiais isotrópicos (propriedades independentes da direção):
\(\vec{D}=\epsilon\vec{E}\)
e
\(\vec{B}=\mu\vec{H}\)
Infelizmente, da maneira como é escrita a segunda equação, é muito comum concluir-se equivocadamente que o campo \(\vec{B}\) é determinado pelo campo \(\vec{H}\). Portanto, o ideal seria escrevê-la como \(\vec{H} = \frac{\vec{B}}{\mu}\) pois o campo \(\vec{H}\) decorre das propriedades magnéticas do material (parâmetro \(\mu\)) e do campo densidade magnética \(\vec{B}\).
Tanto o campo \(\vec{D}\) quanto o \(\vec{H}\) são meras abstrações matemáticas para fenômenos macroscópicos que envolvam materiais (não-vácuo). Não há que se falar em campos \(\vec{D}\) e \(\vec{H}\) a nível microscópico, pois os parâmetros \(\varepsilon\) e \(\mu\) são formulados estatisticamente para estimar os efeitos dos átomos do material (nível macroscópico) em questão na presença dos campos \(\vec{E}\) e \(\vec{B}\).
Campos Elétricos
Dessarte, o parâmetro \(\epsilon\) define razoavelmente a reação de determinada matéria na presença de um campo elétrico. A permissividade relativa também pode ser escrita em termos da susceptibilidade elétrica \(\chi_e\):
\(\epsilon = \epsilon_o(1 + \chi_e)\),
que por sua vez determina o campo de polarização elétrica média \(\vec{P}\):
\(\vec{P}=\epsilon_o\chi_e\vec{E}\)
Esse campo \(\vec{P}\) define a reação devido apenas à matéria e se somará ao campo \(\vec{E}\) externo aplicado, resultando no campo \(\vec{D}\) resultante:
\(\vec{D}=\epsilon_o\vec{E} + \vec{P}\)
\(\vec{D}=\epsilon\vec{E} = \epsilon_o\epsilon_r\vec{E}\)
sendo \(\epsilon_o\), a permissividade no espaço livre e \(\epsilon_r\), a permissividade relativa.
Quanto maior o valor de \(\epsilon_r\) e, em consequência, de \(\epsilon\), mais dielétrico será o material. Esse valor é determinado pela capacidade de polarização das moléculas do material.
Campos Magnéticos
O parâmetro \(\mu\) descreve um fenômeno bem mais complexo: a magnetização, teorizado pelo alinhamento de dipolos atômicos que resultam no campo de magnetização \(\vec{M}\).
Semelhante ao parâmetro \(\epsilon_o\), \(\mu\) pode ser escrito em termos da susceptibilidade magnética \(\chi_m\):
\(\mu = (1 + \chi_m)\mu_o = \mu_o\mu_r\)
\(\vec{M} = \chi_m\vec{H}\)
sendo \(\mu_r\), a permissividade relativa e \(\mu_o\), a permissividade no espaço livre.
Há várias possibilidades de reação da matéria ao campo \(\vec{B}\) externo:
- Materiais diamagnéticos: compostos com \(\mu_r\) um pouco menor que 1 (entre 0,9999 e 0,99999). Por isso, são considerados não-magnéticos na prática. Os dipolos magnéticos são criados por indução.
- Materiais puramente diamagnéticos (\(\chi_m\) = -1): trata-se dos materiais semicondutores. A permeabilidade é nula e o campo \(\vec{B}\) dentro do material é sempre nulo.
- Materiais paramagnéticos: materiais nos quais a permissividade relativa é levemente maior que 1. Os dipolos magnéticos existem intrinsecamente na matéria e apenas alguns deles são alinhados na presença de um campo externo.
- Materiais ferromagnéticos: são os mais úteis, pois apresentam \(\mu_r\) >> 1 possibilitando altos valores de magnetização, bem como sua retenção em determinados compostos. Em geral, a magnetização em materiais ferromagnéticos é um processo não-linear. Portanto, \(\mu_r\) não é mais uma constante. Como nos materiais paramagnéticos, os domínios magnéticos são intrínsecos à matéria e são, portanto, apenas alinhados na presença do campo \(\vec{B}\).