COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS MATERIAIS

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1 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: q. h Magneton de Bohr = 4. π. m e = 9, A. m 2, onde: "q" é a carga do elétron, "h" é a constante de Planck e "m e " 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

2 Figura 1: Origem dos dipolos magnéticos: (a) O spin do elétron produz um campo magnético, com uma direção dependente do número quântico m S. (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

3 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

4 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. Indutância Material: B = µ.h = µ 0.H + µ 0.M µ 0.M Vácuo: B = µ 0.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

5 Tabela 2: Unidades para o comportamento magnético. Unidades cgs SI Unidades Conversão Indutância B Gauss Tesla 1T = 10 4 Gauss (Weber/m 2 ) Campo H Oersted A/m 1A/m = 4π.10-3 Oesrted Magnetização M Oersted A/m 1A/m = 4π.10-3 Permeabilidade µ 0 1 Gauss/Oersted 4π.10-7 Weber/A.m (Henry/m) 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 = µ 0.H, onde: "B" é a indutância, "H" é o campo magnético e "µ 0 " é uma constante chamada de permeabilidade magnética do vácuo. Se "H" for expresso em unidades de Oesrted, então "B" é em Gauss e "µ 0 " é 1Gauss/Oersted. Em outro sistema de unidades: se "H" for expresso em A/m, "B" será em Tesla (também chamado de Weber/m 2 ) e µ 0 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 > µ 0, um maior número 5

6 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 < µ 0. Pode-se descrever a influência do material magnético por meio da permeabilidade relativa µ r, onde: µ = r µ µ 0 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 H +. M. µ 0 0 A susceptibilidade magnética χ, que é a relação entre a magnetização e o campo aplicado, dá a amplificação produzida pelo material: χ = M H Ambos, µ r e χ referem-se ao grau pelo qual o material intensifica o campo magnético, e estão dessa forma, relacionados por: 6

7 µ =1+ χ r Para importantes materiais magnéticos, o termo µ 0 M é muito maior que µ 0 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. 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 m 2 átomos/célula (2, m) / célula 28 = = 8, A magnetização "M" é então: 7

8 M = 8, M = 3,15 10 M = (3,15 10 M = oersted. 6 ( átomos / m A/ m, em um metro cúbico A/ m).(4. π 10 3 ).(4 magnetons/átomo).(9, ) oersted/a/m. -24 ) A.m 2 / magneton 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 2. Indutância H Ferromagnético µ >> µ 0 H Ferrimagnético µ >> µ 0 H Paramagnético µ > µ 0 µ 0.H Diamagnético µ < µ 0 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

9 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

10 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: 3 (10).(10 10 ) A H = = (1 10 ) m unidades, tem-se: A H = 10.(4. π 10 m 3 oersted ) A m Transformando em outro sistema de = 0,126 oersted. 10

11 Se a indutância B deve ser no mínimo 2000 gauss, então a permeabilidade do material do núcleo será: = H B µ = 2000 = gauss/oersted. 0,126 A permeabilidade relativa do material do núcleo deve ser no mínimo: µ µ r = = = µ 1 0 De acordo com a Tabela 3, nota-se que o Permalloy 45 possui uma permeabilidade relativa de 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

12 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

13 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 (B r ), permanece no material. O material age como um magneto (ímã) permanente. A Figura 7 mostra esse efeito na curva magnetização-campo. 13

14 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 H c (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

15 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

16 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 INDUTÂNCIA DE SATURAÇÃO (gauss) CAMPO COERCIVO (oersted) Ferro (99,5%) ,9 Fe - 3%Si (orientado) ,09 Fe - 3%Si (não orientado) ,7 Permalloy 45 (55%Fe 45% Ni) ,25 Supermalloy (79%Ni-16%Fe ,006 5%Mo) A6 Ferroxcube (Mn,Zn)Fe 2 O B2 Ferroxcube (Ni,Zn)Fe 2 O 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

17 perdas de energia em Joules e aquecimentos, ou R.I 2. 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

18 Tabela 4: Propriedades de materiais magnéticos duros, ou permanentes. MATERIAL REMANES- CÊNCIA (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) Co 5 Sm BaO.6Fe 2 O SrO. 6Fe 2 O Neodínio-Ferro-Boro (Nd 2 Fe 12 B) 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

19 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: BH 1 = x 280 = 3,36 x 10 6 gauss.oersted. 19

20 BH 2 = x 360 = 3,96 x 10 6 gauss.oersted. BH 3 = x 420 = 4,2 x 10 6 gauss.oersted. BH 4 = x 460 = 4,14 x 10 6 gauss.oersted. BH 5 = x 500 4,0 x 10 6 gauss.oersted. Dessa forma, a potência é cerca de 4,2 x 10 6 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.6Fe 2 O 3, 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

21 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

22 (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 Nd 2 Fe 12 B 310 Níquel 358 BaO.6Fe 2 O Co 5 Sm 725 Ferro 770 Alnico Cunico 855 Alnico Cobalto

23 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 H c e Temperatura de Curie que re-entram sem desmagnetizá-los. Da Tabela 5, pode-se eliminar materiais tais como Gadolínio, Níquel, Nd 2 Fe 12 B, 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 Co 5 Sm. O Co 5 Sm 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 23

24 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 24

25 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. 25

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