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PROPRIEDADES MAGNTICAS
A maioria dos elementos e materiais noexibe propriedades magnticas.
Materiais que exibem propriedades
magnticas:
Ferro, Nquel, Cobalto, Gadolnio, algumasligas (SmCo5, Nd2Fe14B, ...)
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Propriedades Magnticas dos Materiais
Os materiais magnticos so utilizados em inmeras aplicaes: motores eltricos, geradores armazenamento de informao(quer como suporte da informao (fitas magnticas, discos decomputador, etc.), quer como ferramentas de gravao ou leitura dainformao armazenada em bandas magnticas.)
Iremos tentar perceber umpouco da fsica do comportamentomagntico de materiais.
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O movimento de uma carga elctrica resulta na criao de um
campo magntico. Um enrolamento de fio condutor (solenide),
com n espiras, atravessado por uma corrente i origina um campo
magntico, H, dado por:
E induz um campo, B (de induo), dado por
em que o a permeabilidade magntica no vcuo
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PERMEABILIDADE MAGNTICA
Permeabilidade Magntica ()-est relacionada com a intensidadede magnetizao.
A intensidade de magnetizao
varia em funo da intensidade docampo aplicado.
caracterstica do material
= tg = B/H
dada em Gauss/Oersted
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O Campo de Magnetizao
Quando um material submetido a um campo magntico H (campo
aplicado), originado um campo de magnetizao do material, M.
O campo de induo magntica gerado, B, proporcional soma de H
e M.
O fator de proporcionalidade a permeabilidade magntica no vcuo.
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A susceptibilidade magntica
Uma vez que M resulta da aplicao de H, natural que M seja
proporcional a H ou seja,
designa-se por susceptibilidade magntica do material.
A susceptibilidade magntica permite classificar os materiais em
termos das suas propriedades magnticas.
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Classificao dos materiais em termos de
propriedades magnticas
Materiais diamagnticos (Ex. Zn, Cd, Cu, Ag, Sn) pequenos
valores negativos de (ou seja, o campo de magnetizao
ope-se ao campo aplicado e desaparece quando de retira o
campo aplicado)
Materiais Paramagnticos (ex. Al, Ca, Pt, Ti) pequenos
valores positivos de (o campo de magnetizao desaparece
quando de retira o campo aplicado)
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Materiais Ferromagnticos (o Fe, o Ni e o Co) - grande (>1).O campo de magnetizao mantm-se quando se remove ocampo aplicado.
Materiais Antiferromagnticos (Mn, Cr) - =0. Os dipolosmagnticos alinham-se antiparalelamente.
Materiais Ferrimagnticos (ferrites, magnetites, em geralxidos metlicos) os ions tm dipolos magnticos deintensidade diferente. Logo existe sempre um momento
resultante.
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Porqu estes comportamentos diferentes ?A base fsica para as propriedades magnticas dos materiais resulta
do movimento dos eltrons.
Quer o movimento orbital em torno do ncleo quer o movimento de
rotao (spin).
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Diamagnetismo e Paramagnetismo
Quer o diamagnetismo quer o paramagnetismo so formas fracas deinterao entre os slidos e um campo magntico aplicado.
O diamagnetismo ( 0) normalmente aparece associado a tomos
com eletrons desemparelhados na ltima camada.
O movimento orbital dos e- resulta sempre numa contribuio
diamagntica, enquanto que o spin pode resultar numa contribuioparamagntica.
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O diamagnetismo est associado aos momentos magnticos orbitais dos
eltrons nos tomos ou molculas que constituem a substncia em
questo. Por isso, est presente em todas as substncias embora, na
maioria, com uma intensidade to pequena que sua presena
mascarada por outros comportamentos.
Nos supercondutores, parece que o diamagnetismo suficientementeintenso para que o campo magntico resultante no interior da amostra
seja nulo.
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Ao se aplicar um campo magntico a uma substncia qualquer,
cada eltron que se move nos tomos ou molculas fica sujeito a
uma fora adicional que provoca uma perturbao no seumovimento equivalente a uma mudana no mdulo da sua
velocidade e, portanto, uma mudana no mdulo do seu
momento magntico orbital.
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Domnios magnticosSo regies da estrutura do
material onde todos os tomoscooperam magneticamente, ouseja, so zonas de magnetizao
espontnea (
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Domnios Magnticos
De modo a minimizar a sua energia magnetosttica (associada ao fecho
das linhas de campo), os dipolos formam domnios magnticos de
dimenses relativamente reduzidas (por vezes submicromtricas).
Os domnios esto separados por limites de domnio designados por
paredes de Bloch.
Domnios Magnticos
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Domnios Magnticos
Quando expostos a um campo aplicado externo, os domnios
tendem a alinhar-se segundo a direo do campo aplicado, custa
do crescimento dos domnios com orientaes favorveis (b) ou da
reorientao dos dipolos (c).
D i M ti
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Domnios Magnticos
Imagem dos domniosmagnticos numa liga
YFe11-xTixObtida por microscopiade fora atmica.Notem que os domnios
magnticos na zona A e B(amp em c) tm cerca de300 nm de espessura.
A
B
(fonte: Daniela Nunes, Tese de Mestrado, IST, Abril de 2008)
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Antiferromagnetismo e Ferrimagnetismo
O antiferromagnetismo exibido por algunsmateriais e resulta do alinhamento em sentidosopostos dos dipolos magnticos. Como resultado os
materiais antiferromagnticos apresentam =0.Exemplos de materiais antiferromagnticos: Mn e Cr.
O ferrimagnetismo surge em alguns materiaiscermicos em que os ons tm diferentes momentosmagnticos. Como tal h um momento magnticosresultante. Os materiais ferrimagnticos naturais so
conhecidos genericamente por ferrites, sendo amagnetite Fe3O4, a mais conhecida , uma vez que um mineral nativo em muitas regies do planeta.
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As ferrites, em geral, tm baixas condutividades eltricas e por
isso tm algumas aplicaes em electrnica:transformadores, indutores de alta frequncia, cabeas degravao magntica, etc.
Ferromagnetismo
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Os slidos ferromagnticos so aqueles que apresentam >>1.
So materiais que apresentam uma forte interao entre os
dipolos magnticos locais (domnios magnticos) associados a
spins desemparelhados dos eletrons.
Ou seja, os dominos magnticos locais permanecem aps aremoo do campo aplicado da resultando que o campo de
magnetizao permanece aps a remoo do campo
aplicado.
i
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Ferromagnetismo
a propriedade de concentrar as linhas de fora
magntica, caracterizada pela permeabilidademagntica.
Ferromagnticos- permeabilidade magntica >1 (subst.Paramagnticas) - eltrons desemparelhados
Ferro, Cobalto, Nquel e Gadolnio
Outros metais-permeabilidade magntica
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As flutuaes de origemtrmica tendem a desalinharaleatoriamente estes domniosmagnticos, enfraquecendo a
sua interao e, como tal osmateriais ferromagnticos s oso abaixo de umadeterminada temperatura
crtica designada porTemperatura de Curie.Existe um valor mximo de M,designado por magnetizao
de saturao
Ponto de Curie
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Ponto de Curie
a temperatura na qual os domnios
magnticos so destrudos.
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Os principais materiais ferromagnticos temperatura ambiente
com aplicaes em engenharia so:
O Fe ( Tc = 1063 K)
O Co (Tc = 1390 K)
O Ni (Tc = 627 K)
Os metais de transio Dy (Disprsio), Gd (Gadolnio), Tb (Trbio)
e Ho (Hlmio) tambm so ferromagnticos temperatura
ambiente.
Curvas de magnetizao:
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histerese, materiais magneticamente duros e magneticamente macios
Quanto maior a rea dociclo de histerese demagnetizao mais duromagneticamente o
material
Hc: campo coercitivoBs: campo remanescente
C d ti d hi t
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Curva de magnetizao ou de histereseInduo residual (Br) - a induo magntica quese conserva no corpo magnetizado, depois deanulada a intensidade do campo.
dada em Gauss
Fora coercitiva (Hc)- a intensidade de campoque tem de ser aplicado para desmagnetizar.
dado em Oersted
Material com elevado Hc = consome energia para
alinhar os domnios magnticos, de uma direopara outra. A quantidade de energia necessria
para magnetizar proporcional a rea do ciclo de
histerese.
Permeabilidade Magntica ()- a intensidade de
magnetizao. A intensidade de magnetizao variaem funo da intensidade do campo. caracterstica do material
= tg = B/H dada em Gauss/Oersted
Aplicaes
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ms permanentes (materiais magneticamente duros)
campanhas,
altofalantes,
rels,
rotores em motores eltricos,
etc.
Transformadores: o material est sujeito a campos magnticose eltricos alternados: deve ser magneticamente macio.
Armazenamento de informao magntica.
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Os dois principais requisitos que um material deve ter para poder ser
utilizado como armazm de informao magntica ter um elevado
Br e um pequeno Hc.
Porqu? Para poder reter a magnetizao quando o campo aplicado
retirado (elevado Br), e para poder ser magnetizado e desmagnetizado
(limpo, reformatado) com facilidade (pequeno Hc).
Imagem por microscopia de fora atmica
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de uma fita de cassete de vdeo (Cr2O
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A espessura dos domniosmagnticos cerca de 400 nm, ou
seja 4x10-7
m, ou seja 40 milhes decaracteres por metro...
Classificao das ligas magnticas
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Classificao das ligas magnticas
A classificao feita de acordo com a forma
da curva de histerese. O nome esta relacionado com as propriedades
mecnicas/metalrgicas da liga:
Ligas Magnticas Duras
Ligas Magnticas Macias
Ligas magnticas duras
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Ligas magnticas duras
- Se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto Br
- So ligas endurecidas com estruturasdesequilibradas, dispersas
- So utilizadas na fabricao de ims permanentes
Ligas magnticas macias
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Ligas magnticas macias
- Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdasde histerese e baixo Br.
- So ligas organizadas. Geralmente metais puros
com boa qualidade estrutural.
- So empregadas como ligas a serem submetidas magnetizao alternada (ncleos detransformadores)
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Os materiais magneticamente maciosSo utilizados sobretudo emaplicaes onde existam camposmagnticos alternados e as perdas deenergia devem ser minimizadas.
Os materiais magneticamente durosso utilizados em ms permanentes.
CURVA HISTERTICA PARA LIGAS MAG DURAS E MACIAS
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CURVA HISTERTICA PARA LIGAS MAG. DURAS E MACIAS
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Papel dos elementos de liga Aumentam a fora coercitiva ou dureza magntica Diminuem o tamanho de gro
A formao de uma segunda fase, pela adio deelementos de liga (acima do limite de solubilidade), contribui
para o aumento do Hc. Quanto mais elevada a disperso dasegunda fase maior o Hc.
O endurecimento causado pela transformaes de fase ou
pela diminuio do tamanho de gro aumenta o Hc, porqueevita a redistribuio ao acaso dos domnios magnticos.
Campo Eletromagntico gerado por um toride
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Fora Magneto-Motriz
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Regra de Fleming para determinar a relao entre I, H e F
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Regra de Ampre Regra da Mo Direita
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Mo direita envolvendo o condutor com o polegar apontando para o sentidoconvencional da corrente eltrica, os demais dedos indicam o sentido das linhasde campo que envolvem o condutor.