Aula_MSP_Propriedades_Magnéticas_Materiais Ligia - site

ESTO006-17: MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas (CECS)

Prof. Lígia Maia

INTRODUÇÃO

 Entende-se por

“Propriedades magnéticas” a resposta de um material a um

campo magnético

.

 Resposta:

 Ser atraído ou não

 Ser magnetizados de modo permanente

 Ser magnetizado de modo não permanente

• Geradores elétricos (máquinas que convertem movimento em eletricidade) • Motores elétricos (máquinas que usam eletricidade para produzir movimento) • Rádios

• Televisões • Vídeos • Telefones

• Computadores

• Dispositivos de armazenamento de dados (discos rígidos, fitas magnéticas etc)

• Cartões magnéticos • Alto-falantes

• Muitos dos nossos dispositivos tecnológicos modernos dependem do

magnetismo e dos materiais magnéticos:

INTRODUÇÃO

 Região com forças magnéticas presente nas proximidades de um dipolo

magnético.

 É produzido por cargas elétricas em movimento:



Corrente elétrica

em um condutor;

 Um

magneto permanente

(ímã)  O

movimento dos elétrons

(spin e orbital) dos átomos deste magneto.

• LINHAS DE FORÇA

são utilizadas para representar o campo magnético.

• Para cada ponto do espaço, a reta tangente à linha de força fornece

a direção do campo naquele ponto.

• A intensidade do campo se relaciona com

o número de linhas de

força

que atravessam uma área unitária na direção perpendicular à

definida pelas linhas de força.

CAMPO MAGNÉTICO

Configurações das linhas de força dos campos magnéticos obtidas com limalha de ferro para três geometrias diferentes de fios

que conduzem corrente elétrica e para um magneto permanente (segundo D. Jiles, pág. 5).

onde r é a distância radial em relação ao eixo definido pelo fio. I I L H N voltas

CAMPO MAGNÉTICO

• Quando uma corrente elétrica constante I flui em uma

bobina formada por N espiras proximamente espaçadas ao longo de um comprimento L

Um campo magnético H, aproximadamente constante, é gerado na região central da bobina. A intensidade de H é

• A intensidade do campo magnético H criado por um fio retilíneo longo e que conduz uma corrente elétrica I vale

r

H = N

I

/

L

H = I

/

2

p

r

(A/m)

I I L H N voltas

INDUÇÃO MAGNÉTICA

• A intensidade do campo magnético dentro do material é igual ao campo ao qual ele foi sujeito?

I

I

H B

Quando um material é sujeito a um campo magnético

Qual a relação entre a

permeabilidade magnética e o tipo

de material????

Não!

Ela depende do material

I I L H N voltas

INDUÇÃO MAGNÉTICA

• A intensidade do campo magnético dentro do material é igual ao campo ao qual ele foi sujeito?

I

I

H B

Quando um material é sujeito a um campo magnético

Não!

• Intensidade do campo no interior de um material sujeito a um campo magnético externo  INDUÇÃO MAGNÉTICA ou DENSIDADE DO FLUXO MAGNÉTICO

• A indução magnética B₀ no vácuo é

• A indução magnética B no interior de um material sólido vale

(T ou Wb/m2= V/s.m2)

• Definimos a PERMEABILIDADE RELATIVA DO MATERIAL como

B

₀

= 

₀

H

B = H



_r

= / 

₀

(1)

(2) onde



₀ é a PERMEABILIDADE MAGNÉTICA DO VÁCUO e vale



₀ = 4px10-7H/m (ou Wb/A.m).

I I L H N voltas

INDUÇÃO MAGNÉTICA

• A intensidade do campo magnético dentro do material é igual ao campo ao qual ele foi sujeito?

I

I

H B

Quando um material é sujeito a um campo magnético

Não!

• A indução magnética B no interior de um material sólido vale

(T ou Wb/m2= V/s-m2)

• Definimos a PERMEABILIDADE RELATIVA DO MATERIAL como

B

₀

= 

₀

H

B = H



_r

= / 

₀

sendo



a PERMEABILIDADE MAGNÉTICA DO MATERIAL.

no vácuo

•A permeabilidade magnética é

uma medida da facilidade com a

qual B pode ser induzido num

material na presença de H.

MAGNETIZAÇÃO

• A

MAGNETIZAÇÃO

M

de um material indica como o material responde a um

campo magnético externo. Por definição, a magnetização é

• A magnetização se correlaciona com o campo magnético por meio da

relação

B = B

₀

+ 

₀

M = 

0

H + 

0

M

M =



_m

H

• Combinando as equações obtemos



_m

=



_r

- 1

Assim, M é o campo magnético que leva em conta desvios no valor da

indução magnética B

, em relação ao seu valor no vácuo,

originados

pela presença de um meio material.

onde



_m

é a

SUSCEPTIBILIDADE MAGNÉTICA

do material.

•A susceptibilidade magnética do material se relaciona com a permeabilidade relativa do material

MAGNETIZAÇÃO

Susceptibilidade magnética



_m

Chama-se susceptibilidade magnética de uma substância ao quociente da

intensidade de imantação adquirida por indução por essa substância, pelo

campo magnético indutor, quando esse campo é produzido no vácuo.

O MAGNETISMO DOS MATERIAIS

• O momento magnético (orbital e de spin) dos elétrons, dos átomos que

formam a matéria, dá origem a

dipolos magnéticos microscópicos.

• Esses dipolos magnéticos permitem associar

momentos magnéticos

aos átomos

.

• Assim, cada átomo pode ser pensado como se fosse um pequeno

imã.

• A

magnetização de um material é definida como o momento

magnético dos dipolos por unidade de volume.

O MAGNETISMO DOS MATERIAIS

• Dependendo da origem dos dipolos magnéticos e da natureza da

interação entre eles, os materiais podem ser classificados em uma das

seguintes categorias:

• Consideraremos nesta aula os

três primeiros.

DIAMAGNÉTICOS PARAMAGNÉTICOS FERROMAGNÉTICOS ANTIFERROMAGNÉTICOS FERRIMAGNÉTICOS

B = H



m

=



r

- 1

O MAGNETISMO DOS MATERIAIS

• Dependendo da origem dos dipolos magnéticos e da natureza da

interação entre eles, os materiais podem ser classificados em uma das

seguintes categorias:

B = H



m

=



r

- 1

 Materiais diamagnéticos

 Os momentos magnéticos dos elétrons se cancelam nos átomos

 Magnetismo induzido por uma mudança no movimento orbital dos elétrons

 Gera pequenos valores negativos de _m

o campo de magnetização opõe-se ao campo aplicado e desaparece quando se

retira o campo aplicado

Ex: Zn Cd Cu, Ag, Sn



_r

= 1

O MAGNETISMO DOS MATERIAIS

• Dependendo da origem dos dipolos magnéticos e da natureza da

interação entre eles, os materiais podem ser classificados em uma das

seguintes categorias:

B = H



m

=



r

- 1

 Materiais paramagnéticos

 Os momentos magnéticos dos elétrons não se cancelam nos átomos

 Cada átomo é um dipolo permanente

 Gera pequenos valores positivos de _m

o campo de magnetização desaparece

quando se retira o campo aplicado

Ex: Al, Ca, Pt, Ti



_r

= 1



_r

> 1

O MAGNETISMO DOS MATERIAIS

• Dependendo da origem dos dipolos magnéticos e da natureza da

interação entre eles, os materiais podem ser classificados em uma das

seguintes categorias:

B = H



m

=



r

- 1

 Materiais ferromagnéticos

 Os momentos magnéticos dos elétrons não se cancelam nos átomos

 Cada átomo é um dipolo permanente

 Gera grandes valores positivos de _m

o campo de magnetização se mantêm

quando se retira o campo aplicado

Ex: o Fe, o Ni e o Co



_r

= 1



_r

>>> 1

O MAGNETISMO DOS MATERIAIS

• Dependendo da origem dos dipolos magnéticos e da natureza da

interação entre eles, os materiais podem ser classificados em uma das

seguintes categorias:

 Materiais ferromagnéticos

magnetização se mantêm

alinhamentos cooperativos de momentos de spin



_r

= 1



_r

>>> 1

O MAGNETISMO DOS MATERIAIS

• Dependendo da origem dos dipolos magnéticos e da natureza da

interação entre eles, os materiais podem ser classificados em uma das

seguintes categorias:

 Materiais ferromagnéticos

Como a susceptibilidade dos materiais é muito elevada, eles amplificam

fortemente os campos magnéticos externos.



_r

= 1



_r

>>> 1

_m

_{ 10}

6

 H << M  B

 

₀

M

B = 

₀

H + 

₀

M = B

₀

+ 

₀

M

DOMÍNIOS MAGNÉTICOS e PAREDES DE DOMÍNIO

• Em materiais ferromagnéticos

• Eles contém domínios magnéticos  regiões microscópicas onde os momentos de dipolo magnético se encontram alinhados (mesma direção e sentido).

• Em um material policristalino, cada grão pode conter mais de um domínio.

Parede de domínio  a direção da magnetização varia gradualmente.

DOMÍNIOS MAGNÉTICOS e PAREDES DE DOMÍNIO

• Amostra não magnetizada  a soma vetorial das

magnetizações de todos os domínios é igual a zero.

• Amostra magnetizada  a soma vetorial das

magnetizações de todos os domínios é igual diferente de zero.

• A magnitude do campo M para um sólido como um todo é a soma vetorial das magnetizações de todos os domínios, onde a contribuição de cada domínio é ponderada de acordo com a sua fração volumétrica.

CURVA DE MAGNETIZAÇÃO INICIAL

• B e H não são linearmente

pro-porcionais para os materiais ferromagnéticos.

• Uma vez que a permeabilidade,



é a inclinação da curva B em função de H (isto é, dB/dH),

pode-se obpode-servar que



varia e é

dependente do valor de H.

• Ocasionalmente, a permeabilidade inicial



_i (dB/dH para H = 0) é especificada como uma proprie-dade do material.

• O valor máximo de B é denomina-do INDUÇÃO DE SATURAÇÃO (B_s) e a magnetização correspondente é a MAGNETIZAÇÃO DE SATURAÇÃO (M_s).

Curva obtida para B (ou M) em função do campo externo H, para uma amostra ini-cialmente desmagnetizada, à medida que a

• Inicialmente, os momentos dos domí-nios constituintes estão orientados aleatoriamente de tal modo que não existe qualquer campo B (ou M) líquido.

• À medida que um campo H é aplicado, os domínios que estão fa-voravelmente orientados em relação à direção de H crescem às custas dos domínios com orientações desfavoráveis.

• Esse processo continua com o au-mento de H, até que a amostra ma-croscópica se torne um único domínio (ou um mono-domínio), o qual se encontra praticamente alinhado com H.

• A saturação é atingida quando esse domínio, por meio de rotação, fica orientado com H.

À medida que um campo externo H é aplicado, os domínios mudam de forma e de tamanho mediante o movimento das paredes de domínio.

MAGNETIZAÇÃO E HISTERESE

• Se a partir da saturação inicial (ponto S) o campo H passa a ser reduzido, a

curva de magnetização não retorna se-guindo seu trajeto original.

Produz-se um efeito de HISTERESE, onde B se defasa em relação a H, ou diminui a uma taxa mais baixa.

• O efeito de histerese é gerado pela resistência à movimentação de pare-des de domínio.

• A REMANÊNCIA (B_r) corresponde ao

cam-po B residual na amostra após a retirada do campo H (ou seja, quando H = 0).

• A COERCIVIDADE (H_c) corresponde ao campo magnético H necessário para reduzir o campo B no interior da amostra a zero.

Indução magnética (B) em função do campo magnético externo (H) para um material ferromagnético saturado ciclicamente em um campo H positivo e negativo (pontos S e S’). O CICLO DE HISTERESE é representado pela linha sólida; a linha tracejada indica a curva de magnetização inicial.

• Materiais

MAGNETICAMENTE MOLES

baixa REMANÊNCIA (B

_r

)

(campo B

residual)

• Fácil de ser magnetizado e

desmagnetizado

• Materiais

MAGNETICAMENTE DUROS

alta REMANÊNCIA (B

_r

)

Ímãs Permanentes

MAGNETIZAÇÃO E HISTERESE

UNIDADES MAGNÉTICAS

Grandeza Símbolo Unidade (SI) CGS Conversão

derivada primária Indução

magnética

B tesla (Wb/m2) kg / s-C gauss 1 Wb/m2 = 104 gauss

Campo magnético

H amp-volta/m C/ m-s oersted 1 amp-volta/m = 4p x 10-3 oersted

Magnetização M amp-volta/m C/m-s maxwell/cm2 1 amp-volta/m = 4p x 10-3 maxwell/cm2

Permeabilidade magnética  henry/m Wb / amp m kg m / C2 sem unidade 4p x 10-7 henry/m = 1 emu Permeabilidade relativa

r sem unidade sem unidade sem

unidade Susceptibilidade

magnética

 sem unidade sem unidade sem unidade