Propriedades Magnéticas dos Materiais

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1 . Propriedades Magnéticas dos Materiais Os materiais magnéticos são utilizados em inúmeras aplicações: motores eléctricos, 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.

2 Propriedades Magnéticas dos Materiais 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: r H = 0.4"ni l E induz um campo, B (de indução), dado por r e z r r B = µ 0 H e z em que µ o é a permeabilida de magnética no vazio

3 Aumento do campo de indução Se existir, por exemplo uma barra de ferro no interior do solenóide campo de indução, B, aumenta. Porquê? Nota: B tem como unidades o Tesla (V.s/m2), H tem como unidades (A/m)

4 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 factor de proporcionalidade é a permeabilidade magnética no vazio. r B = µ 0 r r ( ) H + M

5 A susceptibiliade magnética Uma vez que M resulta da aplicação de H, é natural que M seja proporcional a H ou seja, r M = " r H χ designa-se por susceptibiliade magnética do material. A susceptibilidade magnética permite classificar os materiais em termos das suas propriedades magnéticas.

6 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 opôe-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) Materiais Ferromagneticos (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 antipararlelamente. Materiais Ferrimagnéticos (ferrites, magnetites, em geral óxidos metálicos) os iões têm dipolos magnéticos de intensidade diferente. Logo existe sempre um momento resultante.

7 Porquê estes comportamentos diferentes? A base física para as propriedades magnéticas dos materiais resulta do movimento dos electrões. Quer o movimento orbital em torno do núcleo quer o movimento de rotação (spin).

8 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 eléctrónicas totalmente preenchidas. O paramagnetismo (χ >0) normalmente aparece associado a átomos com electrões desemparelhados na última camada. O movimento orbital dos e- resulta sempre numa contribuição diamagnética, enquanto que o spin pode resultar numa contribuição paramagnética.

9 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.

10 Domínios Magnéticos Quando expostos a um campo aplicado externo, os domínios tendem a alinhar-se segundo a direcção do campo aplicado, à custa do crecimento dos dominios com orientações favoráveis (b) ou da reorientação dos dipolos (c).

11 Domínios Magnéticos A B Imagem dos domínios magnéticos numa liga YFe 11-x Ti x Obtida por microscopia de força atómica. 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)

12 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 iões 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. As ferrites, em geral, têm baixas condutividades eléctricas e por isso têm algumas aplicações em electrónica: transformadores, indutores de alta frequência, cabeças de gravação magnética, etc.

13 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 electrões. 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. As flutuações de origem térmica tendem a desalinhar aleatoriamente estes domínios magnéticos, enfraquecendo a sua interacção 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

14 Ferromagnetismo Os principais materiais ferromagnéticos à temperatura ambiente com aplicações em engenharia são: O Fe ( T c = 1063 K) O Co (T c = 1390 K) O Ni (T c = 627 K) Os metais de transição Dy, Gd, Tb, Ho também são ferromagnéticos à temperatura ambiente.

15 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 Os materiais magneticamente macios utilizam-se sobretudo em aplicações onde existam campos magneticos alternados e as perdas de energia devem ser minimizadas. Os materiais magneticamente duros utilizam-se em ímanes permanentes. Hc: campo coercivo Bs: campo remanescente

16 Aplicações Ímanes permanentes (materiais magneticamente duros) (campaínhas, altifalantes, relés, rotores em motores eléctricos, etc.)

17 Aplicações Transformadores: o material está sujeito a campos magnéticos e eléctricos alternados: deve ser magneticamente macio.

18 Aplicações 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 B r e um pequeno H c. Porquê? Para poder reter a magnetização quando o campo aplicado é retirado (elevado B r ), e para poder ser magnetizado e desmagnetizado (limpo, reformatado) com facilidade (pequeno H c ).

19 Imagem por microscopia de força atómica de uma fita de cassete de video (Cr 2 O 4 ) A espessura dos domínios magnéticos é cerca de 400 nm, ou seja 4x10-7 m, ou seja 40 milhões de caracteres por metro...