Aula 9-1 Materiais Magnéticos. Física Geral e Experimental III Prof. Cláudio Graça Capítulo 9

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1 Aula 9-1 Materiais Magnéticos Física Geral e Experimental III Prof. Cláudio Graça Capítulo 9

2 Propriedades Magnéticas dos Materiais Pierre Curie mostrou que as propriedades magnéticas da matéria mudam a uma certa temperatura, conhecida como ponto Curie e junto com Pierre Ernst Weiss, postulou a existência de um campo molecular, em materiais como o ferro, justificando a existência de uma temperatura critica, onde ocorre mudança de fase...

3 Propriedades Magnéticas dos Materiais Todas as substâncias sejam elas sólidas, líquidas ou gasosas mostram alguma característica magnética, em todas as temperaturas. Dessa forma, o magnetismo é uma propriedade básica de qualquer material. As propriedades magnéticas dos materiais têm sua origem na estrutura eletrônica dos átomos. Do ponto de vista clássico, são de dois tipos os movimentos, associados ao elétron que podem explicar a origem dos momentos magnéticos: o momento angular orbital do elétron, e o momento angular do spin do elétron

4 Propriedades Magnéticas dos Materiais Quando algum material é colocado em um campo magnético externo B o, os momentos magnéticos atômicos individuais no material contribuem para a sua resposta ao campo magnético B M, a indução magnética B é descrita abaixo [4]: B= Bo+B M. O campo magnético externo B o tende a alinhar os momentos magnéticos dipolares (tanto induzidos como permanentes) dentro do material, nesta situação o material é dito magnetizado. Descreve-se um material magnetizado por sua magnetização B M, que é definida como a soma de todos os momentos magnéticos elementares, por unidade de volume. Para materiais do tipo paramagnéticos e ferromagnéticos, B M está na mesma direção de B o ; para materiais diamagnéticos, B M é contrário a B o. Para materiais paramagnéticos e diamagnéticos, na maioria das situações a magnetização é proporcional ao campo magnético aplicado. A magnetização nos materiais varia, desde diamagnético até ferromagnético.

5 Magnetização B B B m o B o m 1 B B B o m m Material m Alumínio 2,3x10-5 Bismuto -1,7x10-4 Cobre -0,98x10-5 Ouro -3,6x10-5 Prata -2,6x10-5 Titânio 7,06x10-5 Nitrogênio -5,0X10-9 Oxigênio -2,09x10-6

6 Magnetização Bo dr B dr 1 o(1 B dr I o H dr I B H m I o o I o m o o ) No sistema SI o valor de B (indução magnética), é medido em Tesla. Gauss é do CGS. 1G=10-4 T H o chamado campo magnético é dado em A/m. Oersted (Oe)=1000/4 A/m

7 Caracterização de Materiais Magnéticos Diamagnéticos Paramagnéticos Ferromagnéticos Ferrimagnéticos Antiferromagnéticos

8 Caracterização de Materiais Magnéticos Principais tipos de comportamentos magnéticos conhecidos

9 Dipolo Magnético 2 3/ 2 2 ) ( 2 z a m B o Onde 2 a I m O limite do campo para Z>>a 3 2 z m B o é o momento de dipolo magnético!

10 Origem das Propriedades Magnéticas Elétron girando em torno do núcleo gera uma corrente: J L S O momento magnético orbital será: L m vr e No caso do momento angular de SPIN: S 1 A soma dos momentos angulares orbitais e de spin, resulta em: 2

11 Origem das Propriedades Magnéticas Elétron girando em torno do núcleo gera uma corrente: I q t 2 e r v O momento magnético orbital será: Ir o onde L 2 evr 2 m vr e el 2m e No caso do momento angular de SPIN: A soma dos momentos angulares orbitais e de spin, resulta em: e ms S m m m o onde J m s L S g e 2m e J

12 Classificação dos materiais em termos de propriedades magnéticas Materiais diamagnéticos (Ex. Zn Cd Cu, Ag, Sn) pequenos valores negativos de (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 (o campo de magnetização desaparece quando de retira o campo aplicado) Materiais Ferromagneticos (o Fe, o Ni e o Co) - é grande (>>1). O campo de magnetização mantém-se quando se remove o campo aplicado. Materiais Ferrimagnéticos (ferrites, magnetites, em geral óxidos metálicos) os íons têm dipolos magnéticos de intensidade diferente. Logo existe sempre um momento resultante.

13 Propriedades dos materiais em termos da susceptibilidade magnética As substâncias ferromagnéticas são fortemente atraídas pelos ímãs. Já as substâncias paramagnéticas e diamagnéticas são, na maioria das vezes, denominadas de substâncias não magnéticas, pois seus efeitos são muito pequenos quando sobre a influência de um campo magnético.

14 Caracterização de Materiais Magnéticos II Propriedades magnéticas dos materiais são conseqüência dos momentos magnéticos atômicos Paramagnéticos: possuem momento magnético atômico permanente Diamagnéticos: não possuem momento magnético atômico Ferromagnéticos: fortes momentos atômicos ordenados. Os elétrons possuem spin quantizado: s = +-1/2. os elétrons possuem momento magnético e atuam como espiras de corrente de dimensões atômicas, com momento de dipolo µ = +- eh/4πm = 9.27e-24 J/T. Os elétrons também possuem momento magnético devido ao movimento orbital, que também é quantizado.

15 Diamagnetismo Diamagnetismo: todos os materiais! O campo magnético induzido se opõe ao campo magnético externo, gerando uma repulsão de pequena intensidade. As variações do Campo Externo, geram variações no momento orbital dos elétrons. A susceptibilidade diamagnética é negativa B<B o Os materiais diamagnéticos são repelidos pelo campo externo, observando-se a repulsão das linhas de campo magnético.

16 Diamagnetismo: efeito Meissner Em 1908, o holandês Heike Kamerlingh Onnes descobriu que para uma temperatura diferente do zero absoluto, a resistividade elétrica de alguns materiais era nula. A essa temperatura crítica T c, materiais como o mercúrio, atingem o estado supercondutor. Isto se tornou ainda mais evidente após a descoberta em 1933, por Meissner e Ochsenfeld, de outra importante propriedade de um material no estado supercondutor: o diamagnetismo perfeito. Eles descobriram que um campo magnético externo aplicado em um material no estado supercondutor é expelido de seu interior. O Efeito Meissner como mostra a Figura corrente induzida gera uma campo contrário ao externo.

17 Diamagnetismo Ao aplicar um campo magnético externo, o movimento do eletron permanece na mesma órbita, mas a sua velocidade é alterada, assim: F E mv R o mv mvo R R evb O sinal ± descreve as duas possíveis orientações orbitais dos elétrons. Assim, os módulos da velocidade e do momento magnético diminuem para um elétron que se move conforme a figura e aumentam, para um elétron que se move em sentido contrário. E como, no primeiro caso, o momento magnético é paralelo ao campo magnético externo e no segundo caso, antiparalelo, a aplicação desse campo numa substância de momento magnético resultante nulo induz, na substância, um momento magnético de sentido contrário ao do campo. Portanto, a substância é repelida pelo imã que cria o campo.

18 Diamagnetismo:Teoria de Larmor v R 2 2 vo R 2 2 evbo Rm Efeito diamagnético, em átomos com dois elétrons, mostrando o momento magnético atômico: (a) Sem campo magnético externo; L (b) com campo externo. 2 2 v vo 2 R R 2 evb Rm A frequência de Larmor é dada por: L eb 2m dia ~ 10 5

19 Diamagnetismo Todas as substâncias são compostas de átomos e moléculas nos quais os elétrons ocupam órbitas definidas e, evidentemente, o diamagnetismo é uma propriedade geral que também ocorre quando os átomos possuam momentos magnéticos permanentes, já mencionados no paramagnetismo. No caso geral, pode-se dizer que a susceptibilidade magnética será a soma dos dois efeitos, dia para O valor do termo diamagnético, como já foi mencionado, em geral, é muito inferior, em módulo, ao paramagnético. Os materiais chamados diamagnéticos são aqueles que não possuem dipolos magnéticos permanentes, em virtude dos seus átomos ou íons possuírem camadas eletrônicas completas. Os gases nobres, como o He, Ne, Ar, Kr, Xe são portanto diamagnéticos, bem como os compostos como o NaCl, KBr e LiF, da mesma forma, por possuírem camadas completas.

20 Paramagnetismo O paramagnetismo consiste na tendência que os dipolos magnéticos atômicos (orbitais e de spin) têm de se alinharem paralelamente com um campo magnético externo. A susceptibilidade é então positiva mas pequena. O paramagnetismo requer que os átomos possuam, individualmente, dipolos magnéticos permanentes. Os materiais paramagnéticos em campos magnéticos sofrem o mesmo tipo de atração e repulsão que os ímãs normais, mas quando o campo é removido o movimento Browniano rompe o alinhamento magnético. Dipolos na ausência de campo magnético T C T Lei de Curie Dipolos em um campo magnético fraco T C T Dipolos em um campo magnético forte Lei de Curie-Weiss

21 Paramagnetismo Paramagnetismo: átomos com momentos magnéticos permanentes Campo externo alinha os momentos magnéticos surgindo o efeito paramagnético Ocorre a competição entre o efeito de alinhamento magnético e a energia cinética da agitação térmica (movimento Browniano) Átomos com momento magnético atômico não nulo, mas cuja orientação espacial é aleatoriamente distribuída. O campo magnético externo se acopla a estes momentos magnéticos gerando uma atração de pequena intensidade. Paramagnetismo Curie T C T Paramagnetismo Curie-Weiss T C T

22 Paramagnetismo: Lei de Curie Sobre baixos campos magnéticos, os materiais paramagnéticos exibem a magnetização na mesma direção do campo externo, e de acordo com a lei de Curie: T C T ; B M C T B o B M é a magnetização resultante. B o é a densidade do fluxo magnético do campo aplicado, medido em tesla. T é a temperatura absoluta, medida em kelvin. C é uma constante específica de cada material (sua Constante de Curie). Esta lei indica que os materiais paramagnéticos tendem a se tornar cada vez mais magnéticos enquanto o campo magnético aumentar, e cada vez menos magnéticos ao aumentar a temperatura. A lei de Curie é incompleta, pois não prediz a saturação que ocorre quando a maioria dos dipolos magnéticos estão alinhados, pois a magnetização será a máxima possível, e não crescerá mais, independentemente de

23 Paramagnetismo: Curie-Weiss Quando uma pequena interação entre os momentos magnéticos de diferentes átomos é adicionada a interação com campo magnético aplicado, temos o paramagnetismo de Curie-Weiss. Esta interação entre os momentos (interação de troca) pode ajudar a alinhar momentos adjacentes na mesma direção ou pode ajudar a alinhar a vizinhança na direção oposta. A susceptibilidade de Curie-Weiss é dada por: C T ; T B M C B T o Sendo Ө a chamada temperatura de Curie. Ө está relacionada com a intensidade da interação entre os dipolos, e o sinal informa se esta interação ajuda a alinhar os momentos na mesma direção (Ө > 0), neste caso existe uma rede de interação ferromagnético e para Tc = Ө,onde Tc é a temperatura de Curie o sistema sofre uma transição ferromagnético ou se ajuda a alinhar os dipolos na direção oposta ao campo (Ө < 0), neste caso existe uma rede de interação antiferromagnética entre os momentos.

24 Ferromagnetismo Os materiais ferromagnéticos assim como os paramagnéticos ocorrem nos átomos que possuem momentos de dipolo magnéticos resultantes permanentes. O que diferencia os materiais ferromagnéticos dos paramagnéticos é que nos primeiros existe uma forte interação entre momentos de dipolo atômicos vizinhos que os mantêm alinhados, mesmo quando o campo magnético externo é removido. Nos materiais ferromagnéticos existe forte interação entre os spins. O resultado é tal que um grande número de spins alinha-se numa mesma direção formando os domínios magnéticos. A temperatura a partir da qual um material ferromagnético passa a ser paramagnético é denominada temperatura de Curie Uma teoria para o ferromagnetismo baseada nos momentos magnéticos atômicos, foi proposta por Pierre Weiss. Neste modelo, cada dipolo magnético atômico sofre a ação de um campo magnético médio criado pelos vizinhos, que tende a fazer com que os vizinhos muito próximos formem um domínio de momentos magnéticos na mesma direção. Este campo efetivo, é chamado campo molecular de Weiss e é proporcional à magnetização local do domínio. A origem do campo molecular de Weiss\index{magnetização!local} é atribuída a uma energia de troca entre dois elétrons cuja diferença de energia eletrostática resulta de que os spins paralelos possuam uma energia mínima de troca.

25 Propriedades dos Materiais Ferromagnéticos Parede Bloch Domínios Magnéticos

26 Ferromagnetismo (a) Em materiais magnéticos, como o ferro e o aço, os campos magnéticos dos elétrons se alinham formando regiões que apresentam magnetismo espontâneo. Essas regiões são chamadas de domínios. (b) Em uma peça não-magnetizada de um material magnético os domínios estão distribuídos de forma aleatória e o campo magnético total em qualquer direção é zero (c) Quando esse material sofre a ação de um campo magnético externo, os domínios que estão aproximadamente alinhados com o campo aplicado crescem à custa dos outros domínio

27 Ferromagnetismo Alguns materiais (Fe, Ni, ), possuem momentos magnéticos, fortemente alinhados em pequenos domínios cristalinos, denominados domínios magnéticos. Um campo magnético externo, alinha esses domínios e causa a existência de um campo muito forte na mesma direção. A magnetização permanece a mesma após a retirada do campo magnético externo. O aquecimento acima da temperatura Curie, destrói a magnetização permanente.

28 Ferro Puro Aço p/imãs permanentes Histerese Magnética Quando uma substância ferromagnética é sujeita a uma magnetização alternada há uma perda de energia que se transforma em calor e que é, por unidade de volume, proporcional à área do ciclo de histerese cada vez que este é percorrido.

29 Histerese Magnética Diferentes processos atuam ao longo da curva de magnetização e de histerese mas os principais são a movimentação de paredes e a rotação de domínios. A energia dissipada na magnetização do material é dada pela área da curva de magnetização (interior à curva de histerese), (B o * B). Nas aplicações em corrente alternada a 60Hz, o material é magnetizado e desmagnetizado 60 vezes por segundo. A variação do fluxo gera perdas magnéticas devidas principalmente à histerese e às correntes de Foucault. O valor relativo dessas perdas depende da composição do material. A microestrutura têm muita influência nas perdas de histerese enquanto que a resistividade e a espessura têm influencia muito grande nas perdas pelas correntes parasitas.

30 Aplicações de materiais Magnéticos Materiais Duros Materiais Moles Materiais Intermediários Ferrite de Ba Aço sílicio Fe 2 O 3 Samário-Co Ferro CrO 2 Neodimio-Fe-Bo Mumetal (μmetal) Tintas metálicas de Fe e Co

31 Aplicações de materiais Magnéticos Conformação Mecânica Matriz de estamparia de chapas utilizando a conformação eletromagnética

32 Aplicações de materiais Magnéticos Tomógrafo NMR (MIR) Imagens Médicas

33 Aplicações de materiais Magnéticos Todos os materiais possuem propriedades magnética: Diamagnéticas todos Paramagnéticos...alguns Ferromagnéticos...alguns Não esqueçam! As propriedades magnéticas dependem dos momentos de dipolo Magnético...que todos os átomos possuem...e o núcleo também! Estudos científicos não confirmaram se o uso de ímãs estáticos tem algum efeito sobre a dor ou u tratamento de outras doenças. Testes clínicos sugerem que as vantagens atribuídas aos ímãs podem, na verdade, vir do passar do tempo, de um amortecimento extra nas palmilhas magnéticas ou do efeito placebo. Colchões e travesseiros magnéticos podem ser de melhor qualidade, mas não tem efeiro magnético... Além disso, normalmente a água potável não contém elementos que possam ser magnetizados, fazendo que a idéia da água potável magnetizada é questionável.