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8 -PROPRIEDADES MAGNÉTICAS
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PROPRIEDADES MAGNÉTICAS
• A maioria dos elementos e materiais não
exibe propriedades magnéticas.
• Materiais que exibem propriedades
magnéticas:
Ferro, Níquel, Cobalto, Gadolínio, algumas
ligas (SmCo5, Nd2Fe14B, ...)
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Propriedades Magnéticas dos Materiais
Os “materiais magnéticos” são utilizados em inúmeras aplicações:
• motores elétricos,
• geradores
• armazenamento de informação
(quer como suporte da informação (fitas magnéticas, discos de
computador, etc.), quer como ferramentas de gravação ou leitura da
informação armazenada em bandas magnéticas.)
Iremos tentar perceber um
pouco da física do comportamento
magnético de materiais.
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O movimento de uma carga eléctrica resulta na criação de um
campo magnético. Um enrolamento de fio condutor (solenóide),
com n espiras, atravessado por uma corrente i origina um campo
magnético, H, dado por:
E induz um campo, B (de indução), dado por
em que μo é a permeabilidade magnética no vácuo
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PERMEABILIDADE MAGNÉTICA
• Permeabilidade Magnética (µ
µ)está relacionada com a intensidade
de magnetização.
• A intensidade de magnetização
varia em função da intensidade do
campo aplicado.
• É característica do material
µ= tg θ = B/H
É dada em Gauss/Oersted
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O Campo de Magnetização
Quando um material é submetido a um campo magnético H (campo
aplicado), é originado um campo de magnetização do material, M.
O campo de indução magnética gerado, B, é proporcional à soma de H
e M.
O fator de proporcionalidade é a permeabilidade magnética no vácuo.
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A susceptibilidade magnética
Uma vez que M resulta da aplicação de H, é natural que M seja
proporcional a H ou seja,
χ designa-se por susceptibilidade magnética do material.
A susceptibilidade magnética permite classificar os materiais em
termos das suas propriedades magnéticas.
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Classificação dos materiais em termos de
propriedades magnéticas
Materiais diamagnéticos (Ex. Zn, Cd, Cu, Ag, Sn) – pequenos
valores negativos de χ (ou seja, o campo de magnetização
opõe-se ao campo aplicado e desaparece quando de retira o
campo aplicado)
Materiais Paramagnéticos (ex. Al, Ca, Pt, Ti) – pequenos
valores positivos de χ (o campo de magnetização desaparece
quando de retira o campo aplicado)
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Materiais Ferromagnéticos (o Fe, o Ni e o Co) - χ é grande (>1).
O campo de magnetização mantém-se quando se remove o
campo aplicado.
Materiais Antiferromagnéticos (Mn, Cr) - χ=0. Os dipolos
magnéticos alinham-se antiparalelamente.
Materiais Ferrimagnéticos (ferrites, magnetites, em geral
óxidos metálicos) – os ions têm dipolos magnéticos de
intensidade diferente. Logo existe sempre um momento
resultante.
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Porquê estes comportamentos diferentes ?
A base física para as propriedades magnéticas dos materiais resulta
do movimento dos elétrons.
Quer o movimento orbital em torno do núcleo quer o movimento de
rotação (spin).
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Diamagnetismo e Paramagnetismo
Quer o diamagnetismo quer o paramagnetismo são formas fracas de
interação entre os sólidos e um campo magnético aplicado.
O diamagnetismo (χ <0) é normalmente observado em sólidos cujos
átomos apresentam camadas eletrônicas totalmente preenchidas.
O paramagnetismo (χ >0) normalmente aparece associado a átomos
com eletrons desemparelhados na última camada.
O movimento orbital dos e- resulta sempre numa contribuição
diamagnética, enquanto que o spin pode resultar numa contribuição
paramagnética.
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O diamagnetismo está associado aos momentos magnéticos orbitais dos
elétrons nos átomos ou moléculas que constituem a substância em
questão. Por isso, está presente em todas as substâncias embora, na
maioria, com uma intensidade tão pequena que sua presença é
mascarada por outros comportamentos.
Nos supercondutores, parece que o diamagnetismo é suficientemente
intenso para que o campo magnético resultante no interior da amostra
seja nulo.
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Ao se aplicar um campo magnético a uma substância qualquer,
cada elétron que se move nos átomos ou moléculas fica sujeito a
uma força adicional que provoca uma perturbação no seu
movimento equivalente a uma mudança no módulo da sua
velocidade e, portanto, uma mudança no módulo do seu
momento magnético orbital.
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Domínios magnéticos
São regiões da estrutura do
material onde todos os átomos
cooperam magneticamente, ou
seja, são zonas de magnetização
espontânea (<0,05mm).
Quando um campo magnético
é
aplicado,
os
domínios
magnéticos tendem a se alinhar
com o campo e, então, o material
exibe propriedades magnéticas.
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Domínios Magnéticos
De modo a minimizar a sua energia magnetostática (associada ao fecho
das linhas de campo), os dipolos formam domínios magnéticos de
dimensões relativamente reduzidas (por vezes submicrométricas).
Os domínios estão separados por limites de domínio designados por
paredes de Bloch.
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Domínios Magnéticos
Quando expostos a um campo aplicado externo, os domínios
tendem a alinhar-se segundo a direção do campo aplicado, à custa
do crescimento dos domínios com orientações favoráveis (b) ou da
reorientação dos dipolos (c).
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Domínios Magnéticos
A
B
Imagem dos domínios
magnéticos numa liga
YFe11-xTix
Obtida por microscopia
de força atômica.
Notem que os domínios
magnéticos na zona A e B
(amp em c) têm cerca de
300 nm de espessura.
(fonte: Daniela Nunes, Tese de Mestrado, IST, Abril de 2008)
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Antiferromagnetismo e Ferrimagnetismo
O antiferromagnetismo é exibido por alguns
materiais e resulta do alinhamento em sentidos
opostos dos dipolos magnéticos. Como resultado os
materiais antiferromagnéticos apresentam χ=0.
Exemplos de materiais antiferromagnéticos: Mn e Cr.
O ferrimagnetismo surge em alguns materiais
cerâmicos em que os íons têm diferentes momentos
magnéticos. Como tal há um momento magnéticos
resultante. Os materiais ferrimagnéticos naturais são
conhecidos genericamente por ferrites, sendo a
magnetite Fe3O4, a mais conhecida , uma vez que é
um mineral nativo em muitas regiões do planeta.
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As ferrites, em geral, têm baixas condutividades elétricas e por
isso têm algumas aplicações em electrónica:
transformadores, indutores de alta frequência, cabeças de
gravação magnética, etc.
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Ferromagnetismo
Os sólidos ferromagnéticos são aqueles que apresentam χ>>1.
São materiais que apresentam uma forte interação entre os
dipolos magnéticos locais (domínios magnéticos) associados a
spins desemparelhados dos eletrons.
Ou seja, os dominíos magnéticos locais permanecem após a
remoção do campo aplicado daí resultando que o campo de
magnetização permanece após a remoção do campo
aplicado.
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Ferromagnetismo
É a propriedade de concentrar as linhas de força
magnética, caracterizada pela permeabilidade
magnética.
• Ferromagnéticos- permeabilidade magnética >1 (subst.
Paramagnéticas) - elétrons desemparelhados
Ferro, Cobalto, Níquel e Gadolínio
• Outros metais-permeabilidade magnética <1 (subst.
Diamagnéticas) - elétrons emparelhados
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As flutuações de origem
térmica tendem a desalinhar
aleatoriamente estes domínios
magnéticos, enfraquecendo a
sua interação e, como tal os
materiais ferromagnéticos só o
são
abaixo
de
uma
determinada
temperatura
crítica
designada
por
Temperatura de Curie.
Existe um valor máximo de M,
designado por magnetização
de saturação
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Ponto de Curie
É a temperatura na qual os domínios
magnéticos são destruídos.
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Os principais materiais ferromagnéticos à temperatura ambiente
com aplicações em engenharia são:
•O Fe ( Tc = 1063 K)
•O Co (Tc = 1390 K)
•O Ni (Tc = 627 K)
Os metais de transição Dy (Disprósio), Gd (Gadolínio), Tb (Térbio)
e
Ho (Hólmio) também são ferromagnéticos à temperatura
ambiente.
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Curvas de magnetização:
histerese, materiais magneticamente duros e magneticamente macios
Quanto maior é a área do
ciclo de histerese de
magnetização mais “duro
magneticamente” é o
material
Hc: campo coercitivo
Bs: campo remanescente
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Curva de magnetização ou de histerese
Indução residual (Br) - é a indução magnética que
se conserva no corpo magnetizado, depois de
anulada a intensidade do campo.
É dada em Gauss
Força coercitiva (Hc)- é a intensidade de campo
que tem de ser aplicado para desmagnetizar.
É dado em Oersted
Material com elevado Hc = consome energia para
alinhar os domínios magnéticos, de uma direção
para outra. A quantidade de energia necessária
para magnetizar é proporcional a área do ciclo de
histerese.
Permeabilidade Magnética (µ
µ)- é a intensidade de
magnetização. A intensidade de magnetização varia
em função da intensidade do campo. ë
característica do material
µ= tg θ= B/H
É dada em Gauss/Oersted
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Aplicações
Ímãs permanentes (materiais magneticamente duros)
• campaínhas,
• altofalantes,
• relés,
• rotores em motores elétricos,
• etc.
Transformadores: o material está sujeito a campos magnéticos
e elétricos alternados: deve ser magneticamente macio.
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Armazenamento de informação magnética.
Os dois principais requisitos que um material deve ter para poder ser
utilizado como “armazém” de informação magnética é ter um elevado
Br e um pequeno Hc.
Porquê? Para poder reter a magnetização quando o campo aplicado é
retirado (elevado Br), e para poder ser magnetizado e desmagnetizado
(limpo, reformatado) com facilidade (pequeno Hc).
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Imagem por microscopia de força atômica
de uma fita de cassete de vídeo (Cr2O4)
A espessura dos domínios
magnéticos é cerca de 400 nm, ou
seja 4x10-7 m, ou seja 40 milhões de
caracteres por metro...
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Classificação das ligas magnéticas
• A classificação é feita de acordo com a forma
da curva de histerese.
• O nome esta relacionado com as propriedades
mecânicas/metalúrgicas da liga:
• Ligas Magnéticas Duras
• Ligas Magnéticas Macias
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Ligas magnéticas duras
- Se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto Br
- São ligas endurecidas com estruturas
desequilibradas, dispersas
- São utilizadas na fabricação de imãs permanentes
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Ligas magnéticas macias
- Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas
de histerese e baixo Br.
- São ligas organizadas. Geralmente metais puros
com boa qualidade estrutural.
- São empregadas como ligas a serem submetidas
à magnetização alternada (núcleos de
transformadores)
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Os materiais magneticamente macios
São
utilizados
sobretudo
em
aplicações onde existam campos
magnéticos alternados e as perdas de
energia devem ser minimizadas.
Os materiais magneticamente duros
são utilizados em ímãs permanentes.
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CURVA HISTERÉTICA PARA LIGAS MAG. DURAS E MACIAS
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Papel dos elementos de liga
• Aumentam a força coercitiva ou “dureza” magnética
• Diminuem o tamanho de grão
A formação de uma segunda fase, pela adição de
elementos de liga (acima do limite de solubilidade), contribui
para o aumento do Hc. Quanto mais elevada a dispersão da
segunda fase maior o Hc.
O endurecimento causado pela transformações de fase ou
pela diminuição do tamanho de grão aumenta o Hc, porque
evita a redistribuição ao acaso dos domínios magnéticos.
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Campo Eletromagnético gerado por um toróide
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Força Magneto-Motriz
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Regra de Fleming para determinar a relação entre I, H e F
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Regra de Ampère – Regra da Mão Direita
Mão direita envolvendo o condutor com o polegar apontando para o sentido
convencional da corrente elétrica, os demais dedos indicam o sentido das linhas
de campo que envolvem o condutor.
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