Prof. Gustavo Oliveira Cavalcanti

Transcrição

1 Teoria dos Dispositivos Semicondutores Prof. Gustavo Oliveira Cavalcanti

2 Origem histórica Pedras denominadas de magnetitas que atraiam pedaços de ferro Localidade: Magnésia (Ásia) Magnetita Composto de óxido salino de ferro Fe 3 O 4 Outro imã natural A própria terra, cuja propriedade de orientar a agulha magnética de uma bússola é conhecida a muito tempo Aplicações Máquinas girantes, transformadores, galvanômetros, alto-falantes, etc.

3 Campo magnético O espaço em torno de um imã ou de um condutor percorrido por uma corrente elétrica Densidade de fluxo magnético Também chamado indução magnética é representado por linhas de fluxo magnético

4 Densidade de fluxo magnético B A tangente a uma linha de fluxo em qualquer ponto fornece a direção de B neste ponto As linhas de fluxo magnético são fechadas sobre si mesmas Ao contrário das linhas de força abertas do campo elétrico As linhas de fluxo são espaçadas de modo que o número de linhas por unidade de área da superfície normal às mesmas é proporcional ao módulo de B A grandeza de B é maior junto ao condutor e decresce quando a distância aumenta O sentido do campo pode ser obtido pela regra da mão direita Segurando o condutor com a mão direita e o dedo polegar apontando para a direção da corrente, o vetor B está apontando para a direção dos dedos

5 No sistema S.I a unidade de B é Tesla ou Weber/m 2

6 O alinhamento de todos os domínios em uma direção origina um efeito aditivo, o qual pode ou não permanecer após a retirada do campo externo. Para designar quando o alinhamento magnético é permanentemente retido ou não, são usados os termos material magnético duro e material magnético mole, respectivamente.

7 Classificação Materiais magnéticos moles (soft) Materiais magnéticos duros (hard) Características em função do laço de histerese

8 Os materiais magnéticos moles se caracterizam Alta permeabilidade magnética Pequena força coercitiva Pequenas perdas por histerese (laço estreito) Aplicações Circuitos magnéticos de máquinas girantes, trafos, relés, etc.

9 Os materiais magnéticos duros se caracterizam Moderada ou baixa permeabilidade Força coercitiva elevada Perdas por histerese elevadas (laço largo) Aplicações Imãs permanentes em instrumentos de medida, altofalantes, etc

10 moles Ciclo estreito de histerese, Hc muito pequeno Reduzidas perdas Elevada permeabilidade Alta importância para aplicações elétricas Estes materiais são constituídos de ligas binárias Ferro + carbono Ferro + silício Ferro + níquel Ferro + cobalto Ferro + alumínio

11 moles Uma das mais importantes é chamada de ferro + silício que oferece grande redução de perdas. Principais vantagens: Reação do Si com as impurezas do ferro que são eliminadas, com conseqüente aumento da permeabilidade A presença do Si faz com que seja aumentada a resistividade da chapa Quanto maior a proporção de Si, mais interessantes ficam as propriedades, entretanto há um inconveniente. A chapa aumenta sua fragilidade na medida que aumenta o teor de Si na liga, fato este que limita a porcentagem do Si a um máximo de 5% e ainda assim restritos a dispositivos estáticos (trafos).

12 moles Propriedades típicas de vários materiais magnéticos moles Material Composição Permeabilidad e relativa inicial µ i Commercial iron ingot Saturação Densidade de fluxo B [tesla] Histerese Ciclo curto [j/m 2 ] Resistividade p (ohms-m) 99,95 Fe 150 2, x10-7 Ferro-silicone 97Fe, 3Si , x10-7 Permalloy 55Fe, 45Ni x10-7 Supermalloy Ferroxcube A Ferroxcube B 79Ni, 15Fe, 5Mo, 0.5Mn 48MnFe2O4, 52ZnFe2O4 36NiFe2O4, 64ZnFe2O x

13 duros Características Ciclo de histerese mais largo, Hc elevado Perdas elevadas por histerese São apropriados para construção de imãs permanentes Os imãs permanentes são de grande utilidade, pois se constituem num meio prático de conservar o campo magnético, sem a necessidade de nenhuma fonte externa de energia. Não há aquecimento

14 duros Características essenciais Densidade de fluxo remanente elevada (Br elevado) Obter no entreferro, uma densidade de fluxo magnético maior possível, com um mínimo de material magnético (volume) O volume de material magnético é mínimo quando o produto BxH é máximo Que essa densidade de fluxo remanente não se perca ao ser submetido a campos desmagnetizantes, ou seja, apresente um campo coercitivo elevado (Hc alto)

15 duros Material Aço tungstênio Propriedades típicas de vários materiais magnéticos duros Composiçã o 92.8Fe, 6W, 0.5Cr, 0.7C Br remanescente [tesla] Hc coercitivo (BH) max [Kj/m3] Temperatura curie [ o C] Resistividade [ohms-m] x10-7 Cunife 20Fe, x Ni, 60Cu Sintered alnico 8 Sintered ferrite 3 34Fe, 7Al, 15Ni, 35Co, 4Cu, 5Ti BaO- 6Fe2O Cobalt rare SmCo x10-7 Sintered neodymium irom-boron Nd2Fe14B x10-6

16 Classificação (permeabilidade relativa): Diamagnéticos vidro, água (1-175x10-6 ), antimônio, bismuto (0, ), chumbo, cobre, gases raros, ouro (1-35x10-6 ), prata (1-20x10-6 )

17 Classificação (permeabilidade relativa): Paramagnéticos Oxigênio (1+1,5x10-6 ), sódio, sais de ferro e de níquel, alumínio (1+22x10-6 ), silício, Paládio (1+690x10-6 ), Platina (1+330x10-6 )

18 Classificação (permeabilidade relativa): Ferromagnéticos Ferro de transformador (5500), níquel (50), cobalto (60), aço ( ), ferro puro (8000)

19 Diminuição da Permeabilidade dos materiais ferromagnéticos com aumento da temperatura. A permeabilidade relativa cai praticamente para a unidade a uma temperatura (diferente para diferentes substâncias) temperatura curie. Ao se elevar a temperatura o material acaba por perder suas propriedades magnéticas. Para cada material magnético existe uma temperatura característica, denominada ponto curie no qual o material se torna não magnético (amagnético) A permeabilidade relativa de uma amostra de ferro, sendo H constante é igual a e sua temperatura curie é cerca de C. Níquel C Cobalto C

20 Relutância Oposição ao estabelecimento do fluxo no circuito magnético.

21 Força Magnetomotriz Corrente passando por uma espira.

22 Relação entre Fluxo e Relutância Lei de Faraday Corrente elétrica temporária era registrada no galvanômetro quando o campo magnético sofria uma variação.

23 Lei de Lenz

24 Metais ferromagnéticos Ferro Grande aplicação industrial, maior susceptibilidade magnética e mais econômico. Alta permeabilidade, reduzidas perdas de histerese Temperatura curie aproximada de C e indução de saturação de 2,25T. Cobalto Permeabilidade aumentada com a temperatura, indução de saturação de 1,7T e temperatura Curie de C. Níquel Indução de saturação de 0,65T e temperatura Curie de C

25 Ferrites Designam-se com este nome uma família de materiais (descobertos recentemente) de estrutura análoga à magnetita Fe 3 O 4 Fórmula geral M ++ O.Fe 2 O 3 Onde M representa o átomo de um metal (bivalente)- Co, Ni, Mn, Fe, etc. NiOFe 2 O 3 ferrite de níquel FeOFe 2 O 3 = Fe 3 O 4 ferrite de ferro magnetita Em composição com dois metais (bivalentes), tem-se a seguinte fórmula geral am a ++. bm b ++ Fe 2 O 3, onde a + b = 1 a e b representam a proporção dos dois metais

26 Ferrites Características das Ferrites São materiais sintetizados de alta resistividade ρ > 10 6 Propriedades magnéticas análogas as do ferro mas, com B sat (0,2-0,5 T) e µ baixos. Podem ser obtidas industrialmente para moldagem de peças de formas complicadas Perdas por correntes de Foucault baixas Utilizam-se em dispositivos de alta freqüência (100 MHz) Utilizam-se também como imãs permanentes

27 duros Principais ligas usadas para imãs permanentes Aço ao carbono 0,6 a 1% C e 0,3 a 0,8% Mn Aço ao tungstênio 0,6 a 1%, 4 a 6% W e 5% Mn Aço ao cromo 0,6 a 1% C, 1 a 5% Cr e 0,5 Mn Aço cromo/cobalto 16% Cr e 9% Co Aço cobalto Cunife 36% Co, 4% W e 6% Cr 60% Cu + 20% Ni + 20% Fe Cunico 35% Cu + 24% Ni + 41% Co Vicalloy 34%Fe + 52%Co + 14% V

28 Eletroímãs

29 Relés Eletromagnéticos

30 Transformadores