COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS MATERIAIS
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 o tipo de
comportamento magnético que é observado. 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. A magnetização aumenta a influência do campo magnético,
permitindo que maior energia seja armazenada seja bem maior do que
aquela que seria também armazenada se o material não fosse magnético.
Essa
energia
pode
ser
armazenada
permanentemente
ou
temporariamente e pode ser utilizada para realizar trabalho.
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:
Magneton de Bohr =
q.h
= 9,27 × 10 − 24 A.m 2
4.π .me
, 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 e o spin dos elétrons, são
causados pelas movimentações dos orbitais dos elétrons ao redor dos
seus próprios eixos, conforme Figura 1.
1
Figura 1: Origem dos dipolos magnéticos: (a) O spin do elétron produz um
campo magnético, com uma direção dependente do número quântico mS.
(b) Elétrons orbitando ao redor do núcleo cria um campo magnético ao
redor do átomo.
Quando se estuda estrutura eletrônica da matéria e números
quânticos, verifica-se que cada nível discreto de energia poderia conter
apenas dois elétrons, e cada um tendo um spin oposto. Os momentos
magnéticos de cada par de elétron num determinado nível de energia são
opostos. Consequentemente, sempre que um nível de energia estiver
completamente cheio, não haverá momento magnético líquido (resultante).
Baseado nesse princípio, espera-se que um átomo, de um elemento
com número atômico desconhecido, tenha um momento magnético
resultante a partir de elétrons desemparelhados, mas isso não é o caso.
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.
Entretanto, certos elementos, tais como 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. Exceto para
o Cromo e o Cobre, os elétrons de valência no nível 4s são parelhados; os
elétrons não parelhados 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.
2
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
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑
Os elétrons no nível 3d dos elementos de transição remanescentes
não entram nas camadas em pares. Assim, como no Manganês, os
primeiros cinco elétrons possuem o mesmo spin. Apenas quando metade
do nível 3d for preenchido, formam 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. Cada átomo comporta-se como um dipolo magnético.
A resposta do átomo a um campo magnétco aplicado depende de
como os dipolos magnéticos, representados por cada átomo, reagem ao
campo. Muitos dos elementos de transição reagem de uma tal maneira
que a soma dos momentos magnéticos dos átomos individuais seja zero.
Entretanto, os átomos no Níquel, Ferro e Cobalto sofrem uma mudança na
interação, por meio da qual a orientação do dipolo em um átomo influencia
as vizinhanças do átomo a ter a mesma orientação do dipolo, produzindo
uma amplificação desejavel do efeito do campo magnético.
MAGNETIZAÇÃO, PERMEABILIDADE E O CAMPO MAGNÉTICO.
Considere a relação entre o campo magnético e a magnetização. A
Figura 2 ilustra uma bobina tendo "n" espiras. Quando uma corrente
elétrica passa pela bobina, um campo magnético "H" é produzido, com a
intensidade de:
3
H=
n.I
, onde:
n: é o número de espiras,
" ": é o comprimento da bobina em metros, e
"I" é a corrente em Ampère.
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.
Material: B = µ.H = µ0.H + µ0.M
Indutância
µ0.M
Vácuo: B = µ0.H
Campo Magnético
Figura 2: 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.
4
Tabela 2: Unidades para o comportamento magnético.
Unidades cgs
SI Unidades
Indutância B
Gauss
Tesla
(Weber/m2)
Campo H
Oersted
A/m
Magnetização M
Oersted
A/m
Permeabilidade
µ0
1 Gauss/Oersted
4π.10-7
Weber/A.m
(Henry/m)
Conversão
1T = 104 Gauss
1A/m = 4π.10-3
Oesrted
1A/m = 4π.10-3
Oesrted
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
, onde:
"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 pela maneira na qual induziu e pela maneira
como os dipolos magnéticos permanentes interagem com o campo. A
indutância agora é dada por:
B = µ.H
onde "µ" é a permeabilidade do material no campo. Se os momentos
magnéticos fortalecem o campo aplicado, então µ
> µ0, um maior número
5
de linhas de fluxo, que podem realizar trabalho são criadas, e o campo
magnético é amplificado. Se os momentos magnéticos opõem-se ao
campo, então, µ < µ0.
Pode-se descrever a influência do material magnético por meio da
permeabilidade relativa µr, onde:
µr =
µ
µ0
Uma grande permeabilidade relativa significa que o material amplifica
o efeito do campo magnético. Assim, a permeabilidade relativa tem a
mesma importância que a constante dielétrica, ou permissividade relativa,
tem em dielétricos.
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:
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:
6
µr = 1 + χ
Para importantes materiais magnéticos, o termo µ0M é muito maior
que µ0H. 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.
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 2,866 .
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
=
= 8,496 × 10 28
3
-10
3
m
(2,866 × 10 m) / célula
A magnetização "M" é então:
7
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
MAGNÉTICO.
ENTRE
DIPOLOS
MAGNÉTIOS
E
O
CAMPO
Quando um campo magnético é aplicado a uma "coleção" de
átomos, vários tipos de comportamentos são observados, conforme
ilustrado na Figura 2.
Indutância
H
H
Ferromagnético
µ >> µ0
Ferrimagnético
µ >> µ0
H
Paramagnético
µ > µ0
µ0.H
Diamagnético
µ < µ0
H
Figura 2: 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.
8
Comportamento Diamagnético.
Um campo magnético atuando sobre um átomo induz um dipolo
magnético para o átomo inteiro, por influenciar o momento magnético
causado pelos elétrons orbitantes. Esses dipolos opõem-se ao campo
magnético, fazendo com que a magnetização seja menor que zero. Esse
comportamento, chamado diamagnetismo, dá uma permeabilidade relativa
de cerca de 0,99995 (ou uma susceptibilidade relativa). Materiais tais
como: cobre, prata, ouro e alumina são diamagnéticos a temperatura
ambiente. Supercondutores devem ser diamagnéticos; eles perdem suas
supercondutividades quando outros efeitos magnéticos, tal como
paramagnetismo, tornam-se ativos e permitem que o campo penetre no
material.
Paramagnetismo.
Quando materiais têm elétrons desemparelhados, um momento
magnético líquido (resultante), devido ao spin do elétron, está associado a
cada átomo. Quando um campo magnético é aplicado, os dipolos alihamse com o campo, causando uma magnetização positiva.
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.
Ferromagnetismo.
O comportamento ferromagnético é causado pelos níveis de energia
não preenchidos no nível 3d do ferro, níquel e cobalto. Comportamento
similar é encontrado em poucos outros materiais, incluindo Gadolínio. Em
materiais ferromagnéticos, os dipolos permanentes, desemparelhados
alinham-se com o campo magnético devido à troca de interação, ou
reforçamento mútuo dos dipolos. Grandes magnetizações são obtidas
mesmo para pequenos campos magnéticos, dando permeabilidades
relativas tão altas quanto 106.
9
Antiferromagnetismo.
Em materiais tais como: manganês, cromo, MnO e NiO, os
momentos magnéticos produzidos nas vizinhanças dos dipolos, alinham-se
em oposição um ao outro sob o mesmo campo magnético, mesmo que a
resistência de cada dipolo seja muito alta. Esses materiais são
antiferromagnéticos e têm magnetização zero.
Ferrimagnetismo.
Em materiais cerâmicos, diferentes íons têm diferentes momentos
magnéticos. Num campo magnético, os dipolos de ferro A podem alinharse com o campo, enquanto os dipolos de ferro B opõem-se ao campo.
Mas, devido às resistências dos dipolos não serem iguais, resulta uma
magnetização líquida. Os materiais ferrimagnéticos podem proporcionar
boas amplificações do campo imposto.
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:
(10).(10 × 10 −3 )
A
H=
=
10
.
(1 × 10 −2 )
m
Transformando
em
outro
sistema
de
unidades, tem-se:
H = 10
A
oersted
.(4.π × 10 −3 )
= 0,126 oersted.
m
Am
10
Se a indutância B deve ser no mínimo 2000 gauss, então a
permeabilidade do material do núcleo será:
µ=
B 2000
=
= 15.873 gauss/oersted.
H 0,126
A permeabilidade relativa do material do núcleo deve ser no mínimo:
µr =
µ 15.873
=
= 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.
ESTRUTURA DE DOMÍNIOS E O "LOOP" DE HISTERESE.
Materiais ferromagnéticos têm suas poderosas influências na
magnetização, devido à interação positiva entre os dipolos das vizinhanças
dos átomos. Dentro da estrutura do grão 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.
11
Domínio
Parede
Bloch
Domínio
Figura 5: Os momentos magnéticos em átomos adjacentes mudam
continuamente a direção através dos contornos entre os domínios.
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 no campo magnético são requeridos
para produzirem pequenas magnetizações. Essa condição está indicada
na Figura 6 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. 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.
12
Figura 6: 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.
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 7 mostra esse efeito
na curva magnetização-campo.
13
Figura 7: Loop de histerese ferromagnético, mostrando o efeito do campo
magnético na indutância ou magnetização. O alinhamento do dipolo
conduz à saturação magnética (ponto 3), uma remanescência (ponto 4) e
um camo coercivo (ponto 5).
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.
14
APLICAÇÃO DA CURVA MAGNETIZAÇÃO x CAMPO.
O comportamento de um material num campo magnético está
relacionado ao tamanho e a forma do "loop" de histerese, conforme Figura
8.
Figura 8: Comparação entre "loops" de histerese para três aplicações de
materiais ferromagnéticos: aplicações elétricas, aplicações em
computadores e ímãs permanentes.
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 ciclado através do "loop" de histerese. Materiais
magnéticos para aplicações elétricas, são frequentemente chamados de
ímãs "moles" e têm várias características:
15
1 – Elevada magnetização de saturação.
2 – Alta permeabilidade.
3 – Pequeno campo coercitivo.
4 – Pequena remanescência.
5 – Pequeno "loop" de histerese.
6 – Rápida resposta aos campos magnéticos de altas frequências.
7 – Alta resistividade elétrica.
Elevadas magnetização de saturações permitem ao material realizar
algum tipo de trabalho, enquanto alta permeabilidade faz com que a
magnetização de saturação seja obtida com a imposição de pequenos
campos magnéticos. Um pequeno campo coercivo também indica que os
domínios podem ser reorientados com pequenos campos magnéticos.
Uma pequena remanescência é desejada tal que nenhuma magnetização
permaneça quando o campo externo for removido. Essas características
também conduzem a um pequeno loop" de histerese, minimizando dessa
forma as perdas de energia durante a operação. As propriedades de vários
ímãs "moles" importantes são listadas na Tabela 3.
Tabela 3: Propriedades de ímãs "moles" selecionados, ou materiais
elétricos, magnéticos.
MATERIAL
PERMEAB.
RELATIVA
MÁXIMA
Ferro (99,5%)
Fe - 3%Si (orientado)
Fe - 3%Si (não orientado)
Permalloy 45 (55%Fe–45% Ni)
Supermalloy (79%Ni-16%Fe5%Mo)
A6 Ferroxcube (Mn,Zn)Fe2O4
B2 Ferroxcube (Ni,Zn)Fe2O4
5.000
50.000
8.000
25.000
800.000
INDUTÂNCIA
DE
SATURAÇÃO
(gauss)
21.400
20.100
20.100
16.000
8.000
CAMPO
COERCIVO
(oersted)
0,9
0,09
0,7
0,25
0,006
4.000
3.000
Se a frequência do campo aplicado for tão alta que os domínios não
podem ser alinhados em cada ciclo, o dispositivo pode aquecer devido à
fricção do dipolo. Além disso, altas frequências naturalmente roduzem
mais aquecimento porque o material oscicla mais frequente através do
"loop" de histerese, perdendo energia a cada ciclo. Par aplicações em
altas frequências, os materiais devem permitir que os dipolos sejam
alinhados em taxas excepcionalmente rápidas.
A energia pode também ser dissipada por aquecimento se correntes
parasitas forem produzidas. Durante a operação, correntes elétricas
podem ser induzidas no material magnético. Essas correntes produzem
16
perdas de energia em Joules e aquecimentos, ou R.I2. Perdas por
correntes parasitas são paricularmente severas quando o material opera
em altas frequências. Se a resistividade elétrica for alta, as perdas por
correntes parasitas podem ser mantida no mínimo. Ímãs "moles",
produzidos a partir de materiais cerâmicos, têm uma alta resistividade e
dessa forma são menos sujeitos a aquecer que os ímãs metálicos.
MATERIAIS MAGNÉTICOS PARA MEMÓRIAS DE COMPUTADORES.
Materiais magnéticos são utilizados para armazenarem bits de
informações nos computadores. A memória é armazenada magnetizando o
material numa certa direção. Por exemplo, se o pólo norte é para cima, o
bit de informação armazenado é 1. Se o pólo norte for para baixo, então
um zero (0) é armazenado.
Para essa aplicação, materiais com "loop" de histerese quadrado,
baixa remanescência, baixa magnetização de saturação e um pequeno
campo coercivo são preferidos. Ferritas contendo manganês, magnésio,
ou cobalto podem satisfazer esses requisitos. O "loop" quadrado assegura
que um bit de informação colocado no material permaneça armazenado;
uma mudança abrupta na magnetização é requerida para remover a
informação do local armazenado no ímã ferroso. Além disso, a
magnetização é produzida por campos externos pequenos, então, o
campo coercivo, a magnetização de saturação e a remanescência seriam
baixos.
MATERIAIS MAGNÉTICOS PARA ÍMÃS PERMANENTES.
Finalmente, materiais magnéticos são usados para fazer fortes ímãs
permanentes (Tabela 4). Ímãs permanentes fortes, frequentemente
chamados de ímãs duros, requerem as seguintes condições:
1 – Elevada remanescência (domínios estáveis).
2 – Alta permeabilidade.
3 – Alto campo coercivo.
4 – Grande "loop" de histerese.
5 – Alta energia (ou produto B.H).
17
Tabela 4: Propriedades de materiais magnéticos duros, ou permanentes.
MATERIAL
REMANESCÊNCIA
(gauss)
CAMPO
COERCIVO
(oersted)
(´B.H)máx
(gauss.oersted)
Aço (0,9%C; 1,0%Mn)
Alnico 1 (21%Ni, 12%Al, 5%Co, Fe
rest.)
Alnico 5 (24%Co, 14% Ni, 8% Al,
3%Cu, Fe rest.)
Alnico 12 (35%Co, 18%Ni, 8%Ti, 6%
Al, Fe rest.)
Cunife (60%Cu, 20%Fe, 20% Ni)
Co5Sm
BaO.6Fe2O3
SrO. 6Fe2O3
Neodínio-Ferro-Boro (Nd2Fe12B)
10.000
7.100
50
440
200.000
1.400.000
13.100
640
6.000.000
5.800
950
1.600.000
5.400
9.500
4.000
3.400
12.000
550
9.500
2.400
3.300
11.000
1.500.000
25.000.000
2.500.000
3.700.000
45.000.000
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 9). Para o produto ser maior, ambos: a remanescência e o
campo coercivo deveriam ser maiores.
Figura 9: O maior retângulo desenhado no segundo ou no quarto
quadrantes da curva B.H, dá o produto máximo BH. (BH)Máx está
18
relacionado à potência, ou energia requerida para desmagnetizar o ímã
permanente.
EXEMPLO 3:
Determine a potência, ou o produto BH, para o material magnético
cujas propriedades são mostradas na Figura 10.
Figura 10: Quarto quadrante da curva B-H para um material magnético
permanente.
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.
19
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.
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.
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
20
muito potente. Um material magnético do tipo Nd2Fe12B, que tem um
produto B.H excepcionalmente alto, poderia ser recomendado para essa
aplicação.
A TEMPERATURA DE CURIE.
Quando a temperatura de um material ferromagnético é aumentada,
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 11).
(a)
21
(b)
Figura 11: O efeito da temperatura sobre: (a) o "loop" de histerese e (b) A
remanescência (remanência). O comportamento ferromagnético
desaparece acima da Temperatura de Curie.
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.
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
22
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.
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.
SOLUÇÃO.
É necessário, primeiramente, selecionar materiais potenciais, tendo
suficiente campo coercivo Hc e Temperatura de Curie que re-entram sem
desmagnetizá-los. 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.
MATERIAIS MAGNÉTICOS.
Serão considerados apenas as ligas metálicas típicas e os materiais
cerâmicos usados em aplicações magnéticas, e discutir como suas
propriedades e comportamentos podem ser melhorados.
Metais Magnéticos. Ferro puro, níquel e cobalto não são normalmente
usados para aplicações elétricas porque eles têm altas condutividades
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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.
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 rada,
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.
Figura 12: A informação pode ser armazenada ou recuperada de um disco
magnético, pelo uso de uma "cabeça" eletromagnética. A corrente na
"cabeça" magnetiza os domínios no disco durante a armazenagem; os
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domínios no disco induzem uma corrente na cabeça durante a
recuperação.
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.
Figura 13: A curva de magnetização inicial para a liga ferro-silício é
altamente anisotrópica. A magnetização é mais fácil quando as direções
<100> estão alinhadas com o campo.
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