MATERIAIS MAGNÉTICOS Fundamentos iniciais O magnetismo é um fenômeno pelo qual alguns materiais impõem uma força ou influência de atração ou de repulsão sobre outros materiais. As propriedades magnéticas são muito importantes para diversas aplicações que nos cercam. Geradores; Motores; Transformadores; Componentes eletrônicos;

MATERIAIS MAGNÉTICOS Conceitos básicos DIPOLOS MAGNÉTICOS As forças magnéticas são geradas pelo movimento de partículas carregadas eletricamente. Esse movimento gera em torno das partículas uma região de influência denominada de campo. As distribuições de campo podem ser representadas por linhas de força.

MATERIAIS MAGNÉTICOS Os dipolos magnéticos podem ser considerados como pequenos ímãs compostos por um pólo norte e um pólo sul. Associado ao dipolo magnético está o momento de dipolo magnético (grandeza vetorial) que é representado por uma seta.

MATERIAIS MAGNÉTICOS Origens dos momentos magnéticos As propriedades magnéticas macroscópicas dos materiais são consequência dos momentos magnéticos (é uma medida da intensidade da fonte de campo magnético). Os momentos magnéticos que os elétrons possuem se originam de duas fontes: Devido à rotação em torno do núcleo, caso em que se comporta como um pequeno circuito por onde circula corrente elétrica. O campo magnético gerado possui um momento magnético orientado ao longo do eixo de rotação.

MATERIAIS MAGNÉTICOS Cada elétron pode ser considerado como estivesse girando ao redor de um eixo. O momento magnético tem sua origem nesse movimento de rotação e está direcionado ao longo do eixo de rotação. Cada elétron, então pode ser considerado como um pequeno ímã que possui momentos magnéticos orbital e de spin.

MATERIAIS MAGNÉTICOS O momento magnético mais fundamental é o magnéton de Bohr, μB que possui uma magnitude de 9,27 x 10-24 A-m2. Para cada elétron em um átomo, o momento de spin é +- μB . A contribuição do momento magnético orbital é ml μB , em que ml é o número quântico magnético do elétron. O que acontece então no átomo? Em cada átomo individual os momentos orbitais de alguns pares de elétrons se cancelam mutuamente. Isto é válido também para os momentos de spin. O momento magnético resultante de um átomo é o somatório dos momentos magnéticos (orbital + spin) de cada elétron que constitui o átomo.

MATERIAIS MAGNÉTICOS GRANDEZAS MAGNÉTICAS O comportamento do campo magnético pode ser descrito em termos de vários vetores de campo. O campo magnético aplicado externamente algumas vezes é chamado de intensidade de campo magnético (H). Se o campo magnético for gerador por meio de uma bobina cilíndrica (solenóide), a intensidade de campo magnético pode ser calculada por:

MATERIAIS MAGNÉTICOS GRANDEZAS MAGNÉTICAS

MATERIAIS MAGNÉTICOS GRANDEZAS MAGNÉTICAS A indução magnética ou densidade de campo magnético (B) representa a magnitude da força do campo interno de uma substância que está sujeita a um campo H. A unidade de B é o tesla ou weber/m2. A intensidade de campo magnético e densidade de campo magnético estão relacionados por: O parâmetro μ é chamado de permeabilidade que é uma propriedade do meio específico através do qual o campo H passa e por onde B é medido.

MATERIAIS MAGNÉTICOS DIAMAGNETISMO É uma forma muito fraca de magnetismo que não é permanente e que persiste apenas enquanto um campo externo é aplicado. Ele é induzido por uma mudança no movimento orbital dos elétrons causada pela aplicação do campo externo aplicado. O campo induzido se opõe ao campo externo aplicado. FORMA DE MAGNETISMO QUE NÃO APRESENTA IMPORTÂNCIA PRÁTICA.

MATERIAIS MAGNÉTICOS DIAMAGNETISMO As setas na figura acima representam momentos de dipolo atômico de uma material diamagnético quando submetido a um campo externo (H). Exemplos: óxido de alumínio, cobre, ouro, mercúrio.

MATERIAIS MAGNÉTICOS PARAMAGNETISMO Em certos materiais sólidos não há cancelamento total de todos os momentos magnéticos associado a cada elétron constituinte de um determinado átomo. Ou seja, cada átomo apresenta um momento de dipolo magnético permanente. Esse momento é resultante dos momentos orbital e de spin que não foram cancelados. Acontece que a orientação de cada momento magnético de cada átomo isolado do material é aleatória e consequentemente o material não apresentação qualquer magnetização macroscópica.

MATERIAIS MAGNÉTICOS PARAMAGNETISMO Com base na figura, existem duas situações:

MATERIAIS MAGNÉTICOS PARAMAGNETISMO Campo externo H=0 Campo externo diferente de zero No material paramagnético, os dipolos estão livres para girar e eles tendem a se alinhar preferencialmente na direção do campo externo aplicado. Esse alinhamento contribui para o aumento do campo externo.

MATERIAIS MAGNÉTICOS FERROMAGNETISMO Os materiais que fazem parte desta categoria possuem um momento magnético permanenente na ausência de um campo externo. Apresentam valores elevados de magnetização quando submetidos a um campo externo. Exemplos: ferro, cobalto, níquel.

MATERIAIS MAGNÉTICOS FERROMAGNETISMO Os momentos magnéticos permanentes nos materiais ferromagnéticos são originados a partir dos momentos magnéticos devidos aos spins dos elétrons.

MATERIAIS MAGNÉTICOS INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA

MATERIAIS MAGNÉTICOS Aumento da vibração dos átomos; A tendência é tornar aleatória a as direções de quaisquer momentos magnéticos. À medida que a temperatura é elevada, a magnetização de saturação diminui até chegar a zero numa temperatura denominada de temperatura de Curie.

MATERIAIS MAGNÉTICOS DOMÍNIOS E HISTERESE Domínios ? São pequenas regiões no material ferromagnético onde existe uma alinhamento mútuo de todos de todos os momentos de dipolo magnéticos em uma mesma direção. Os domínios adjacentes estão separados por uma parede e cada um está magnetizado com sua magnetização de saturação.

MATERIAIS MAGNÉTICOS

MATERIAIS MAGNÉTICOS DOMÍNIOS E HISTERESE A figura abaixo mostra as etapas de magnetização de um material ferromagnético para diferentes valores de campo externo aplicado. Considere que o material está inicialmente não desmagnetizado:

MATERIAIS MAGNÉTICOS DOMÍNIOS E HISTERESE Como a permeabilidade é a inclinação da curva de B em função de H, pode ser observado com base na figura anterior que esta é variável e dependente do valor de H. A inclinação de B em função de H no ponto H=0 é especificada como uma propriedade do material denominada de permeabilidade inicial µi. O que acontece se a direção do campo externo aplicado for invertida? Isto é uma característica de campo alternado produzido por corrente alternada. Quando um material ferromagnético for submetido a um campo alternado irá aparecer um fenômeno denominado de histerese.

MATERIAIS MAGNÉTICOS DOMÍNIOS E HISTERESE A histerese pode ser considerada como uma defasagem do campo B em relação ao campo H aplicado.

MATERIAIS MAGNÉTICOS DOMÍNIOS E HISTERESE O comportamento da histerese e da magnetização pode ser explicado pelo movimento das paredes dos domínios. Quando um campo é aplicado, os domínios mudam de forma e tamanho. No ponto de saturação, a amostra do material se torna um único domínio. Quando o campo H é invertido, inicialmente o único domínio é invertido. Depois são formados domínios magnéticos na direção do novo campo. Entretanto, existe uma resistência ao movimento por parte das paredes dos domínios que ocorre em resposta ao aumento do campo H aplicado na direção oposta.

MATERIAIS MAGNÉTICOS DOMÍNIOS E HISTERESE É possível obter outros ciclos de histerese sem que necessariamente o material atinja a saturação.

MATERIAIS MAGNÉTICOS DOMÍNIOS E HISTERESE

MATERIAIS MAGNÉTICOS Materiais magnéticos moles A área do ciclo de histerese representa uma perda de energia por unidade de volume do material por ciclo de magnetização-desmagnetização. Essa perda de energia é refletida em calor que é gerado no interior da amostra magnética.

MATERIAIS MAGNÉTICOS Os materiais magnéticos moles são usados em dispositivos que estão sujeitos a campos alternados e nos quais as perdas de energia devem ser baixas. Utilizado em núcleos de transformadores. Material que possui uma elevada permeabilidade inicial, além de uma baixa coercividade. Consegue atingir sua magnetização de saturação com um campo relativamente baixo.

MATERIAIS MAGNÉTICOS Materiais magnéticos duros São usados em ímãs permanentes que devem possuir uma alta resistência à desmagnetização.