FUNDAMENTOS DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
O comportamento magnético é determinado primeiramente pela
estrutura eletrônica de um material, a qual promove a formação de
dipolos magnéticos.
As interações entre esses dipolos determina
comportamento magnético que é observado.
o
tipo
de
O comportamento magnético pode ser modificado pela
composição, microestrutura e pelo processamento desses materiais
básicos.
DIPOLOS MAGNÉTICOS E MOMENTOS MAGNÉTICOS.
A magnetização ocorre quando os dipolos permanentes ou induzidos
são orientados por uma interação entre o material magnético e o
campo magnético.
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
A magnetização de um material aumenta a influência do campo
magnético, permitindo que maior energia seja armazenada, quando
comparada com a magnetização de um material não magnético.
Essa energia pode ser armazenada permanentemente
temporariamente e pode ser utilizada para realizar trabalho.
ou
Cada elétron, no átomo, possui dois momentos magnéticos.
O momento magnético é simplesmente a força do campo magnético
associada com o elétron.
Esse momento, chamado de Magneton de Bohr, é definido por:
q.h
Magneton de Bohr =
= 9,27 × 10 − 24 A.m 2
4.π .me
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MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
Onde, "q" é a carga do elétron, "h" é a constante de Planck e "me" é a
massa do elétron.
Os momentos magnéticos são causados pelas movimentações dos
orbitais dos elétrons ao redor do núcleo.
O spin dos elétrons, são causados pelas movimentações dos orbitais
dos elétrons ao redor dos seus próprios eixos.
O spin do elétron produz um campo magnético, com uma direção
dependente do número quântico mS.
Elétrons orbitando ao redor do núcleo cria um campo magnético ao
redor do átomo.
Os momentos magnéticos de cada par de elétron num determinado
nível de energia são opostos.
Sempre que um nível de energia estiver completamente cheio, não
haverá momento magnético líquido (resultante).
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
Espera-se que um átomo, de um elemento com número atômico
desconhecido, tenha um momento magnético resultante devido aos
seus elétrons desemparelhados.
Em muitos desses elementos, o elétron desemparelhado é um
elétron de valência. Uma vez que os elétrons de valência interagem
entre si, os momentos magnéticos, em média, cancelam-se e nenhum
momento magnético é associado ao material.
Os metais de transição, têm um nível de energia mais interno que
não está completamente preenchido.
Os elementos que vão desde o Scandio até o Cobre, cujas
estruturas eletrônicas são mostradas na Tabela 1, são exemplos
típicos.
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MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
Tabela 1: Os spins eletrônicos no nível de energia 3d nos metais de
transição, com as setas indicando a direção do spin.
METAL
3d
4s
Sc
↑
↑↓
Ti
↑
↑
V
↑
↑
↑
Cr
↑
↑
↑
↑
↑
↑
Mn
↑
↑
↑
↑
↑
↑↓
Fe
↑↓
↑
↑
↑
↑
↑↓
Co
↑↓
↑↓
↑
↑
↑
↑↓
Ni
↑↓
↑↓
↑↓
↑
↑
↑↓
Cu
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑
↑↓
↑↓
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PROF. DR. MARCELO MARTINS
Exceto para o Cromo e o Cobre, os elétrons de valência no nível 4s
são emparelhados para os demais elementos.
os elétrons não emparelhados no Cromo e no Cobre são
cancelados por interações com outros átomos.
O Cobre também tem uma camada 3d completamente preenchida e
dessa forma não mostra um momento resultante.
Os elétrons no nível 3d dos elementos
remanescentes não entram nas camadas em pares.
de
transição
Apenas quando metade do nível 3d for preenchido, formam-se
pares contendo spins opostos. Dessa forma, cada átomo num metal
de transição, tem um momento magnético permanente, que está
relacionado ao número de elétrons desemparelhados.
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MATERIAIS
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MAGNETIZAÇÃO, PERMEABILIDADE E O CAMPO MAGNÉTICO.
Quando uma corrente elétrica passa por uma bobina com "n" espiras,
um campo magnético "H" é produzido, com a intensidade de:
H=
n.I
"n": é o número de espiras,
" ": é o comprimento da bobina em metros, e
"I" é a corrente em Ampère.
onde
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MATERIAIS
INDUTÂNCIA
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MATERIAL: B = µ .H = µ0.H + µ0.M
µ0.M
VÁCUO: B = µ0.H
CAMPO MAGNÉTICO
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Uma corrente passando por uma bobina induz um campo
magnético "H", com uma densidade de fluxo "B". A densidade é
maior quando um núcleo magnético é colocado dentro da bobina.
A unidade de "H" é dada em A/m. Uma unidade alternativa para o
campo magnético é o Oersted, obtido pela multiplicação de A/m por
4.πx10-3, conforme Tabela 2.
Quando um campo magnético é aplicado a uma região onde existe
vácuo, linhas de fluxo magnético são induzidas. O número de linhas
de fluxo, chamado de densidade e fluxo, ou indutância "B", está
relacionado com o campo aplicado por:
B = µ0.H
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Tabela 2: Unidades para o comportamento magnético.
Unidades cgs
SI Unidades
Conversão
Indutância B
Gauss
Tesla
(Weber/m2)
1T = 104 Gauss
Campo H
Oersted
A/m
1A/m = 4π.10-3
Oesrted
Magnetização
M
Oersted
A/m
1A/m = 4π.10-3
Oesrted
Permeabilidade
µ0
1
Gauss/Oersted
4π.10-7
Weber/A.m
(Henry/m)
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"B" é a indutância, "H" é o campo magnético e "µ0" é uma constante
chamada de permeabilidade magnética do vácuo. Se "H" for expresso
em unidades de Oesrted, então "B" é em Gauss e "µ0" é
1Gauss/Oersted. Em outro sistema de unidades: se "H" for expresso
em A/m, "B" será em Tesla (também chamado de Weber/m2) e µ0 é
4π.10-7 Weber/A.m (também chamado Henry/m).
Quando se coloca um material dentro da bobina, a indutância
magnética é determinada por:
B = µ.H
onde "µ" é a permeabilidade magnética do material.
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Se os momentos magnéticos fortalecem o campo aplicado, então µ
> µ0 e o campo magnético é amplificado.
Se os momentos magnéticos se opõem ao campo, então, µ < µ0.
Pode-se descrever a influência do material magnético por meio da
permeabilidade relativa µr, onde:
µ
µr =
µ0
Uma grande permeabilidade relativa significa que o material
amplifica o efeito do campo magnético.
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A magnetização "M" representa o aumento na indutância devido ao
núcleo do material. Então pode-se re-escrever a equação para a
indutância como:
B = µ 0 .H + µ 0 .M
A susceptibilidade magnética "χ", que é a relação entre a
magnetização e o campo aplicado, dá a amplificação produzida pelo
material:
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M
χ=
H
Ambos, "µr" e "χ" referem-se ao grau pelo qual o material intensifica
o campo magnético, e estão dessa forma, relacionados por:
µr = 1 + χ
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Para importantes materiais magnéticos, o termo "µ0.M" é muito maior
que "µ0.H". Assim, para esses materiais:
B ≅ µ 0 .M
Normalmente, deseja-se produzir uma elevada indutância "B" ou
uma elevada magnetização "M". Assim, é aconselhável selecionar
materiais que tenham uma alta permeabilidade relativa, ou alta
susceptibilidade magnética.
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EXEMPLO 1:
Calcule a Magnetização máxima, ou saturação, que se espera do
elemento Ferro. O parâmetro de rede para o Ferro com estrutura
Cúbica de Corpo Centrado (CCC) é de 2,866Å.
SOLUÇÃO:
Baseado nos spins eletrônicos desemparelhados, espera-se que
cada átomo tenha quatro elétrons que atuam como dipolos
magnéticos, vide distribuição eletrônica desse elemento.
Sabe-se que a estrutura CCC contém 2 átomos por célula unitária.
Então, o número de átomos por metro cúbico de Ferro é dado por:
Número de átomos
2 átomos/célula
28
8
,
496
10
=
=
×
m3
(2,866 × 10 -10 m) 3 / célula
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A magnetização "M" é então:
M = 8,496 × 10 28 (átomos / m 3 ).(4 magnetons/átomo).(9,27 × 10 -24 ) A.m 2 / magneton
M = 3,15 × 10 6 A / m, em um metro cúbico.
M = (3,15 × 10 6 A / m).(4.π × 10 −3 ) oersted/A/m.
M = 39.600 oersted.
INTERAÇÕES ENTRE DIPOLOS MAGNÉTIOS E O CAMPO
MAGNÉTICO.
Quando um campo magnético é aplicado a uma "coleção" de átomos,
vários tipos de comportamentos são observados, conforme ilustrado
na Figura.
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MATERIAIS
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A Figura descreve o efeito do material do núcleo sobre a densidade
de fluxo. O momento magnético opõe-se ao campo nos materiais
diamagnéticos. Momentos Magnéticos progressivamente mais fortes
estão presentes nos materiais paramagnéticos, ferrimagnéticos e
ferromagnéticos.
COMPORTAMENTO DIAMAGNÉTICO.
PERMEABILIDADE RELATIVA ≅ 0,99995
Materiais tais como: cobre, prata, ouro e alumina são diamagnéticos
a temperatura ambiente.
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ATUANDO SOBRE O
ÁTOMO.
ESSES DIPOLOS
OPÕEM-SE AO
CAMPO MAGNÉTICO,
RESULTANDO
M < 0.
CAMPO MAGNÉTICO
INFLUENCIA O MOMENTO
MAGNÉTICO CAUSADO
PELOS ELÉTRONS.
INDUZ DIPOLO NO
ÁTOMO INTEIRO.
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PARAMAGNETISMO:
PRESENÇA DE ELÉTRONS
DESEMPARELHADOS
NO ÁTOMO.
PROMOÇÃO DE UMA
MAGNETIZAÇÃO
POSITIVA (M > 0).
CAMPO MAGNÉTICO
MOMENTO
MAGNÉTICO
LÍQUIDO ASSOCIADO
A CADA ÁTOMO.
OS DIPOLOS ALINHAM-SE
COM O CAMPO.
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Entretanto, uma vez que os dipolos não se interagem, campos
magnéticos extremamente altos são necessários para alinhar todos
os dipolos. Além disso, o efeito é perdido tão rápido quanto o campo
magnético for removido. Esse efeito, chamado paramagnetismo, é
encontrado em metais tais como: alumínio, titânio e ligas de cobre. A
permeabilidade relativa de materiais paramagnéticos encontram-se
entre 1,00 e 1,01.
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FERROMAGNETISMO
NÍVEIS DE ENERGIA NÃO
PREENCHIDOS NO 3d
DO FERRO.
GRANDES
MAGNETIZAÇÕES,
MESMO PARA
PEQUENOS CAMPOS
µr ≅ 106.
CAMPO MAGNÉTICO
PRESENÇA DE
ELÉTRONS
DESEMPARELHADOS
OS DIPOLOS PERMANENTES
ALINHAM-SE COM O CAMPO.
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ANTIFERROMAGNETISMO
EM MATERIAIS COMO
Mn, Cr, MnO e NiO.
RESULTANDO EM
MAGNETIZAÇÃO
NULA, (M = 0).
CAMPO MAGNÉTICO
OS DIPOLOS ALINHAM-SE
EM OPOSIÇÃO UNS
AOS OUTROS.
PRODUÇÃO DE
MOMENTOS
MAGNÉTICOS
NAS VIZINHANÇAS
DOS DIPOLOS.
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FERRIMAGNETISMO
EM MATERIAIS CERÂMICOS
≠s ÍONS POSSUEM ≠s
MOMENTOS MAGNÉTICOS.
RESULTANDO EM
AMPLIFICAÇÕES
DO CAMPO
IMPOSTO.
CAMPO MAGNÉTICO
DIPOLOS DO Fe "A"
ALINHAM-SE E
DIPOLOS DO Fe "B"
NÃO SE ALINHAM
COM O CAMPO.
MAGNETIZAÇÃO LÍQUIDA
DEVIDO ÀS DIFERENÇAS NAS
RESISTÊNCIAS DOS DIPOLOS.
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MATERIAIS
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EXEMPLO 2:
Projeto/Seleção de Materiais para um Solenóide.
Quer se produzir uma bobina solenóide, que proporcione uma
indutância de no mínimo 2000 gauss, quando uma corrente de 10mA
flui através do condutor. Devido às limitações de espaço, a bobina
seria composta por 10 espiras com 1cm de comprimento. Selecione
um núcleo para a bobina.
SOLUÇÃO:
Primeiramente, deve-se determinar o campo magnético "H" produzido
pela bobina. Assim,
H=
n.I
Então, substituindo-se os valores, tem-se:
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MATERIAIS
(10).(10 × 10 −3 )
A
H=
=
10
.
−2
(1 × 10 )
m
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Transformando em outro sistema
de unidades, tem-se:
A
−3 oersted
= 0,126 oersted.
H = 10 .(4.π × 10 )
m
Am
Se a indutância B deve ser no mínimo 2000 gauss, então a
permeabilidade do material do núcleo será:
B 2000
µ= =
= 15.873 gauss/oersted.
H 0,126
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A permeabilidade relativa do material do núcleo deve ser no
mínimo:
µ 15.873
µr = =
= 15.873 .
1
µ0
De acordo com a Tabela 3, nota-se que o Permalloy 45 possui uma
permeabilidade relativa de 25.000 e poderia ser uma boa escolha para
o material do núcleo.
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MATERIAIS
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ESTRUTURA DE DOMÍNIOS E O "LOOP" DE HISTERESE.
No interior dos cristais de um material ferromagnético, uma
subestrutura composta de domínios magnéticos é produzida, mesmo
na ausência de um campo externo. Os domínios são regiões no
material na qual todos os dipolos estão alinhados. Num material que
nunca foi exposto a um campo magnético, os domínios individuais
têm uma orientação aleatória. A magnetização residual no material
como um todo é zero.
Contornos, chamados paredes de Bloch, separam os domínios
individuais.
As paredes de Bloch são zonas estreitas nas quais a direção do
momento magnético muda gradualmente e continuamente de um
domínio para o próximo, conforme Figura 5.
Os domínios são muito pequenos, cerca de 0,005cm ou menos,
enquanto as paredes de Bloch são da ordem de 100nm de espessura.
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
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Figura 5: Os momentos magnéticos em átomos adjacentes mudam
continuamente a direção através dos contornos entre os domínios.
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MATERIAIS
MOVIMENTO DOS DOMÍNIOS NUM CAMPO MAGNÉTICO.
Quando um campo magnético é imposto a um material, os
domínios nas vizinhanças alinham-se com o campo e crescem às
custas dos domínios não alinhados.
Para os domínios crescerem as paredes de Bloch devem mover-se;
o campo fornece a força requerida para esse movimento.
Inicialmente os domínios crescem com dificuldade, e quando estão
relativamente grandes, aumentos significativos no campo magnético
são requeridos para produzirem pequenas magnetizações.
Essa condição está indicada na Figura seguinte por uma modesta
inclinação, que é a permeabilidade inicial do material.
À medida que o campo aumenta em intensidade, de forma
favorável, os domínios orientados crescem mais facilmente, com a
permeabilidade aumentando da mesma forma.
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MATERIAIS
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Uma permeabilidade máxima pode ser calculada, conforme
mostrado na Figura.
Eventualmente, os domínios orientados desfavoravelmente
desaparecem e a rotação completa o alinhamento dos domínios com
o campo.
A saturação magnética, produzida quando todos os domínios são
orientados apropriadamente, é a maior quantidade de magnetização
que o material pode obter.
Quando um campo magnético é aplicado a um material magnético,
a magnetização inicialmente aumenta vagarosamente, então mais
rapidamente à medida que os domínios começam a crescer.
Posteriormente, a magnetização diminui, conforme os domínios
sofrem rotação para atingir a saturação.
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
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EFEITO DA REMOÇÃO DO CAMPO.
Quando o campo for removido, a resistência oferecida pelas
paredes dos domínios evita o recrescimento dos domínios em
orientações aleatórias.
Como resultado, muitos dos domínios permanecem orientados
próximos da direção original do campo e uma magnetização residual,
conhecida como remanescência (Br), permanece no material.
O material age como um magneto (ímã) permanente. A Figura
seguinte mostra esse efeito na curva magnetização-campo.
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
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MATERIAIS
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EFEITO DE UM CAMPO ALTERNANTE.
Se um campo magnético for aplicado na direção reversa, os
domínios crescem com um alinhamento na direção oposta.
Um campo coersivo "Hc" (ou coercitividade) é requerido para
forçar os domínios a serem aleatoriamente orientados e cancelar o
efeito do outro.
Aumentando-se a intensidade do campo, os domínios de
saturação serão alinhados na direção oposta.
À medida que o campo alterna continuamente, a relação entre
magnetização e campo forma um "loop" de histerese.
A área contida dentro do "loop" de histerese, está relacionada
com a energia consumida durante um ciclo da alternância do
campo.
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
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O comportamento de um material num campo magnético está
relacionado ao tamanho e a forma do "loop" de histerese, conforme
Figura.
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MATERIAIS
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MATERIAIS MAGNÉTICOS PARA APLICAÇÕES ELÉTRICAS.
Materiais ferromagnéticos são usados para melhorar o campo
magnético produzido, quando uma corrente elétrica é passada
através do material.
Esse campo magnético deve realizar algum tipo de trabalho.
As aplicações incluem núcleos para eletroímãs, motores elétricos,
transformadores, geradores e outros equipamentos elétricos.
Devido a esses dispositivos utilizarem um campo alternante, o
material do núcleo é continuamente solicitado através do "loop" de
histerese.
Materiais
magnéticos
para
aplicações
elétricas,
são
frequentemente chamados de ímãs "moles" e têm várias
características:
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
ELEVADA MAGNETIZAÇÃO
DE SATURAÇÃO.
ALTA PERMEABILIDADE.
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PERMITE AO MATERIAL
REALIZAR ALGUM
TIPO DE TRABALHO.
MAGNETIZAÇÃO DE
SATURAÇÃO COM
PEQUENOS CAMPOS.
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
CAMPO COERSITIVO
PEQUENO.
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REORIENTAÇÃO DOS
DOMÍNIOS COM
PEQUENOS CAMPOS
MAGNÉTICOS.
BAIXA REMANESCÊNCIA.
ELIMINA TODA
MAGNETIZAÇÃO SE
O CAMPO EXTERNO
FOR REMOVIDO.
PEQUENO "LOOP" DE
HISTERESE.
MINIMIZAÇÃO
DAS PERDAS
DURANTE A
OPERAÇÃO.
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MATERIAIS
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As propriedades de vários ímãs "moles" importantes são listadas na
Tabela 3.
Tabela 3: Propriedades de ímãs "moles" selecionados, ou materiais
elétricos, magnéticos.
PERMEAB.
RELATIVA
MÁXIMA
INDUTÂNCIA DE
SATURAÇÃO
(gauss)
CAMPO
COERCIVO
(oersted)
Ferro (99,5%)
5.000
21.400
0,9
Fe - 3%Si (orientado)
50.000
20.100
0,09
Fe - 3%Si (não orientado)
8.000
20.100
0,7
Permalloy 45 (55%Fe–45% Ni)
25.000
16.000
0,25
Supermalloy
5%Mo)
800.000
8.000
0,006
MATERIAL
(79%Ni-16%Fe-
A6 Ferroxcube (Mn,Zn)Fe2O4
4.000
B2 Ferroxcube (Ni,Zn)Fe2O4
3.000
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MATERIAIS
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A potência do ímã está relacionada com o tamanho do "loop" de
histerese, ou ao máximo produto de "B" por "H".
A área do maior retângulo que pode ser desenhado nos segundo ou
quarto quadrantes da curva B x H, está relacionada à energia
requerida para desmagnetizar o ímã (Figura seguinte).
Para o produto ser maior, ambos: a remanescência e o campo
coercivo deveriam ser maiores.
O maior retângulo desenhado no segundo ou no quarto quadrantes
da curva B.H, dá o produto máximo BH. (BH)Máx está relacionado à
potência, ou energia requerida para desmagnetizar o ímã permanente .
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
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EXEMPLO 3:
Determine a potência, ou o produto BH, para o material magnético
cujas propriedades são mostradas na Figura.
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SOLUÇÃO:
Vários retângulos foram desenhados (em verde) no quarto quadrante
da curva B-H. O produto B.H de cada um é:
BH1 = 12.000 x 280 = 3,36 x 106 gauss.oersted.
BH2 = 11.000 x 360 = 3,96 x 106 gauss.oersted.
BH3 = 10.000 x 420 = 4,2 x 106 gauss.oersted.
BH4 = 9.000 x 460 = 4,14 x 106 gauss.oersted.
BH5 = 8.000 x 500 4,0 x 106 gauss.oersted.
Dessa forma, a potência é cerca de 4,2 x 106 gauss.oersted.
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MATERIAIS
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EXEMPLO 4:
Selecione um material magnético apropriado para as seguintes
aplicações: motor de alta eficiência elétrica; dispositivo magnético
para manter portas de armários fechadas; um ímã usado em
amperímetros e voltímetros; e imagem de ressonância magnética.
SOLUÇÃO:
Motor de alta eficiência elétrica: Para minimizar as perdas por
histerese, deve-se utilizar um aço silício com grãos orientados,
aproveitando de seu comportamento anisotrópico e de seu pequeno
"loop" de histerese. Uma vez que a liga ferro-silício é eletricamente
condutiva, pode-se produzir uma estrutura laminada, com finas tiras
do aço ao silício, intercaladas entre um material dielétrico não
condutivo. Tiras mais finas que 0,5mm seriam recomendadas.
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
Ímãs para dispositivos de portas de armários: Os trincos magnéticos
usados para prender portas devem ser ímãs permanentes; entretanto,
o custo baixo é a característica de projeto mais importante do que
alta potência. Um aço ferrítico inexpressível, ou uma ferrita
BaO.6Fe2O3, seriam recomendados.
Ímãs para um amperímetro ou voltímetro: Para essas aplicações,
ligas Alnico são efetivas. Sabe-se que essas ligas são as menos
sensitivas para mudanças na temperatura, assegurando leituras
precisas nas correntes ou voltagens numa considerável faixa de
temperaturas.
Imagem por ressonância magnética: Uma das aplicações para o MRI,
está no diagnóstico médico. Nesse caso, deseja-se um ímã
permanente muito potente. Um material magnético do tipo Nd2Fe12B,
que tem um produto B.H excepcionalmente alto, poderia ser
recomendado para essa aplicação.
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
A TEMPERATURA DE CURIE.
Quando a temperatura de um material ferromagnético aumenta, a
energia térmica adicionada, aumenta a mobilidade dos domínios,
tornando-os mais fáceis de serem alinhados, mas também evitando
um alinhamento remanescente quando o campo magnético for
removido.
Consequentemente,
a
saturação
magnética,
a
remanescência e o campo coersivo são todos reduzidos em altas
temperaturas (Figura seguinte).
Se a temperatura de Curie é excedida, o comportamento
ferromagnético desaparece. A Temperatura de Curie (Tabela 5), a qual
depende do material, pode ser alterada por meio de elementos de liga.
Os dipolos podem ainda estar alinhados em um campo magnético
acima da Temperatura de Curie, mas eles tornam-se aleatoriamente
alinhados quando o campo for removido. Acima da Temperatura de
Curie, o material mostra-se com comportamento paramagnético.
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
Efeito da temperatura sobre o "loop" de histerese
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
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Efeito da temperatura sobre a remanescência. O comportamento
ferromagnético desaparece acima da Temperatura de Curie.
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Tabela 5: Temperatura de Curie para alguns materiais.
MATERIAL
TEMPERATURA DE CURIE (ºC)
Gadolínio
16
Nd2Fe12B
310
Níquel
358
BaO.6Fe2O3
450
Co5Sm
725
Ferro
770
Alnico 1
780
Cunico
855
Alnico 5
900
Cobalto
1131
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
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EXEMPLO 5: Projeto/Seleção de Materiais para um ímã em altas
temperaturas.
Selecione um ímã permanente para uma aplicação num veículo
aeroespacial que deve re-entrar na atmosfera terrestre. Durante a reentrada, o ímã pode estar exposto a campos magnéticos tão altos
quanto 600 oersted e pode rapidamente atingir temperaturas tão altas
quanto 500ºC. Assim, deseja-se um material que tenha a maior
potência possível, mantendo sua magnetização após re-entrar.
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS
MATERIAIS
PROF. DR. MARCELO MARTINS
SOLUÇÃO.
É necessário, primeiramente, selecionar materiais potenciais,
tendo suficiente campo coercivo Hc e Temperatura de Curie que reentram sem sofrer desmagnetização. Da Tabela 5, pode-se eliminar
materiais tais como Gadolínio, Níquel, Nd2Fe12B, e as ferritas
cerâmicas, desde que suas respectivas Temperaturas de Curie
estejam abaixo de 500ºC. Da Tabela 4, outros materiais, tais como:
Cunife e Alnico 1, podem ser eliminados porque seus campos
coersivos estão abaixo de 600 oersted. Dos materiais magnéticos
permanentes remanescentes na Tabela 4, Alnico 12 tem a menor
potência e pode ser eliminado. Assim, a escolha está entre o Alnico
5 e o Co5Sm. O Co5Sm tem quatro vezes mais potência do que o
Alnico 5 e, baseado na performance, poderia ser a melhor escolha.
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MATERIAIS MAGNÉTICOS.
Serão considerados apenas as ligas metálicas típicas e os materiais
cerâmicos usados em aplicações magnéticas.
Metais Magnéticos. Ferro puro, níquel e cobalto não são normalmente
usados para aplicações elétricas porque eles têm altas
condutividades elétricas e "loops" de histerese relativamente
grandes, levando-os à excessivas perdas de potências. Eles são,
entretanto, ímãs permanentes relativamente pobres; os domínios são
facilmente reorientados e tanto a remanência (remanescência) quanto
o produto B.H são pequenos comparados com aqueles de ligas mais
complexas. Algumas mudanças nas propriedades magnéticas são
obtidas pela introdução de defeitos na estrutura. Discordâncias,
contornos de grãos, interfaces entre fases e defeitos pontuais
ajudam a preservar os contornos dos domínios, mantendo dessa
forma, os domínios alinhados quando o campo magnetizante original
for removido.
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Ligas Ferro-Níquel. Algumas ligas ferro-níquel, tal qual o Permalloy
têm altas permeabilidades, tornando-os úteis como ímãs moles. Um
exemplo de uma aplicação para esses ímãs é a "cabeça", que
armazena ou lê informações num disco de computador, Figura 12.
Conforme o disco roda, abaixo da "cabeça", uma corrente produz um
campo magnético na "cabeça". Esse campo, magnetiza uma porção
do disco
A direção do campo magnético produzido na "cabeça", determina a
orientação das partículas magnéticas embebidas no disco e,
consequentemente, armazena informações. As informações podem
ser recuperadas, fazendo-se o disco girar novamente.
A região magnetizada no disco induz uma corrente na "cabeça"; a
direção da corrente depende da direção do campo magnético no
disco.
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Ferro-Silício.
A adição de 3% a5% de silício no ferro, produz uma liga que após,
processamento adequado, é muito útil em aplicações elétricas tais
como motores e geradores. Usa-se a anisotropia do comportamento
magnético da liga ferro-silício para obter-se a melhor performance.
Como resultado de uma laminação e subsequente recozimento, a
textura de uma fita metálica desse material é formada na qual as
direções <100> são alinhadas em cada cristal.
Devido ao fato da liga ferro-silíco ser facilmente magnetizada nas
direções <100>, o campo requerido para dar a saturação magnética é
muito pequeno, e pode-se observar um pequeno "loop" de histerese
e também uma pequena remanescência, conforme Figura 13.
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