Materiais Elétricos

(1)

Curso Superior de Tecnologia em Instalações Elétricas

Professor : ARMANDO LAPA JUNIOR

FA

TE

C

S

P

2018

(2)

Aula 13

2018

(3)

Materiais Magnéticos e

Ligas Magnéticas

Materiais Magnéticos e

Ligas Magnéticas

(4)

* Partículas de Fe

₂

O

₃

e filmes finos para gravação magnética

* Chapas de aço ( Ferro-Silicio) para transformadores e

motores.

* Peças cerâmicas de ferrite para indutores utilizados em

circuitos eletrônicos.

* Imãs de Hexaferrato de Bário e Estrôncio para autofalantes

e outras aplicações.

* Superímãs de terras raras ( neodímio –ferro-boro) para

motores de Hard Discs (HD) e outras aplicações.

* Partículas de Fe

₂

O

₃

e filmes finos para gravação magnética

* Chapas de aço ( Ferro-Silicio) para transformadores e

motores.

* Peças cerâmicas de ferrite para indutores utilizados em

circuitos eletrônicos.

* Imãs de Hexaferrato de Bário e Estrôncio para autofalantes

e outras aplicações.

* Superímãs de terras raras ( neodímio –ferro-boro) para

motores de Hard Discs (HD) e outras aplicações.

m m m m m m m m m m m m

(5)

Ferromagnetismo é o mecanismo básico pelo qual certos

materiais (como ferro, Fe) formam ímãs permanentes, ou

são atraídos por ímãs.

Existem diversos tipos diferentes de magnetismo .

O Ferromagnetismo é o tipo mais forte e é responsável

por fenômenos comuns do magnetismo encontrados na

vida cotidiana.

Outras substâncias respondem fracamente a campos

magnéticos com dois outros tipos de magnetismo:

o paramagnetismo, e o diamagnetismo,

Ferromagnetismo é o mecanismo básico pelo qual certos

materiais (como ferro, Fe) formam ímãs permanentes, ou

são atraídos por ímãs.

Existem diversos tipos diferentes de magnetismo .

O Ferromagnetismo é o tipo mais forte e é responsável

por fenômenos comuns do magnetismo encontrados na

vida cotidiana.

Outras substâncias respondem fracamente a campos

magnéticos com dois outros tipos de magnetismo:

o paramagnetismo, e o diamagnetismo,

(6)

B

= m

H

B

= m

H

B

H

ferro Vácuo

A Permeabilidade magnética é característica

de cada material .Um valor utilizado como

referencia em muitas situações é a

Permeabilidade Magnética do Vácuo (m_o), cujo valor é

A Permeabilidade magnética é característica

de cada material .Um valor utilizado como

referencia em muitas situações é a

Permeabilidade Magnética do Vácuo (m_o), cujo valor é

m

_o

m

= 4p . 10

o

= 4p . 10

-7

_{H /m}

-7

H /m

B

=

m

H

B

=

m

_H

H

m

B

m_o m_ferro m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m m

A Permeabilidade Magnética, simbolizada pela letra grega

m

, é uma grandeza característica de cada material e se refere à sua capacidade em "aceitar" a existência de linhas de indução em seu interior.

Quanto maior for a permeabilidade de um material, mais facilmente se "instalarão" as linhas de indução em seu interior.

A Permeabilidade Magnética, simbolizada pela letra grega

m

, é uma grandeza característica de cada material e se refere à sua capacidade em "aceitar" a existência de linhas de indução em seu interior.

Quanto maior for a permeabilidade de um material, mais facilmente se "instalarão" as linhas de indução em seu interior.

(7)

Ferro DoceFerro Doce

VidroVidro

Linhas de Fluxo

O ferro apresenta uma permeabilidade magnética

muito maior do que a do vidro

m

Fe >>>>

m

Vidro

O ferro apresenta uma permeabilidade magnética

muito maior do que a do vidro

m

Fe >>>>

m

Vidro

m

Fe

m

Vidro

(8)

Domínios

de Weiss

(9)

Atingindo a temperatura de Curie, ocorre um desarranjo na organização dos polos magnéticos e os materiais perdem suas propriedades magnéticas. Esta temperatura, é constante para cada substância,

Ferro: Temperatura de Curie: 770 °C Cobalto: Temperatura de Curie: 1075 °C Níquel: Temperatura de Curie: 365 °C

Gadolínio: Temperatura de Curie: 15 °C Disprósio: Temperatura de Curie: -185,15 °C Térbio: Temperatura de Curie: -54,15 °C Hólmio: Temperatura de Curie: -253,15 °C Érbio: Temperatura de Curie: -220,75 °C Túlio: Temperatura de Curie: -241,15 °C

Európio: Temperatura de Curie: -214,15 °

Ferro: Temperatura de Curie: 770 °C Cobalto: Temperatura de Curie: 1075 °C Níquel: Temperatura de Curie: 365 °C

Gadolínio: Temperatura de Curie: 15 °C Disprósio: Temperatura de Curie: -185,15 °C Térbio: Temperatura de Curie: -54,15 °C Hólmio: Temperatura de Curie: -253,15 °C Érbio: Temperatura de Curie: -220,75 °C Túlio: Temperatura de Curie: -241,15 °C

Európio: Temperatura de Curie: -214,15 °

Temperatura de Curie (T_c), ou o Ponto de Curie, é a temperatura na qual um material ferromagnético perde a sua propriedade de magnetizar-se com a aplicação de um campo magnético.

A desmagnetização do campo magnético ocorre com o aquecimento,

transformando assim o material ferromagnético em paramagnético, porém, este efeito é reversível com a diminuição da agitação térmica.

Temperatura de Curie (T_c), ou o Ponto de Curie, é a temperatura na qual um material ferromagnético perde a sua propriedade de magnetizar-se com a aplicação de um campo magnético.

A desmagnetização do campo magnético ocorre com o aquecimento,

transformando assim o material ferromagnético em paramagnético, porém, este efeito é reversível com a diminuição da agitação térmica.

(10)

Paramagnético Ferromagnético

A desmagnetização do campo magnético ocorre com o aquecimento, transformando assim o material ferromagnético em paramagnético . O ponto de Curie ou temperatura Curie é o valor da temperatura para o qual o material se desmagnetiza e se transforma em paramagnético.

Este efeito é reversível com a diminuição da agitação térmica.

(11)

Curva de

Magnetização : Curva

B x H

Curva de

Magnetização : Curva

B x H

Magnetização de um dado

material , até a saturação

Magnetização de um dado

material , até a saturação

saturação

Campo ( força ) Magnetizante ,H Campo ( força )

Magnetizante ,H _{Campo ( indução ) no} Material, B

Campo ( indução ) no Material, B

Circuito Magnetizante , produz o campo H

Circuito Magnetizante , produz o campo H H H B B

>

(12)

>

Curva de Magnetização

>

_{ciclo de histerese}

Magnetismo Residual ou Remanente Br.

Mantém o material ainda magnetizado, mesmo após a remoção do campo magnético externo H

Força Coercitiva Hc. Intensidade

do campo magnético externo H, que deverá ser aplicado , para o material se desmagnetizar

Saturação

Material com elevada Força Coercitiva Hc.

Consome energia para alinhar os domínios magnéticos de uma direção para a outra. A quantidade de energia necessária na

magnetização é proporcional a área do ciclo de histerese

Histerese

(13)

Materiais (ou ligas) magneticamente duros e moles

• Os materiais magneticamente moles tem sua principal aplicação em núcleos de transformadores, nos meios de gravação magnética, etc, por não precisarem de um campo muito grande para se magnetizar, e de um campo pequeno para se desmagnetizar. São também de grande aplicação, como nos cartões magnéticos, fitas magnéticas para gravação de dados, etc.

Apresentam baixo Hc; ( força

coercitiva)

Têm baixas perdas por histerese;

Alta permeabilidade magnética;

Curva de histerese estreita.

Apresentam baixo Hc; ( força

coercitiva)

Têm baixas perdas por histerese;

Alta permeabilidade magnética;

Curva de histerese estreita.

Materiais magneticamente moles

(14)

• Os materiais magneticamente duros, são de grande

importância para a eletroeletrônica;uma vez magnetizados

mantém o seu nível de magnetização. Imantação permanente.

• Os materiais magneticamente duros, são de grande

importância para a eletroeletrônica;uma vez magnetizados

mantém o seu nível de magnetização. Imantação permanente.

Materiais magneticamente duros

Apresentam elevado Hc;

Apresentam elevado magnetismo remanente Br

Mais difíceis de magnetizar e desmagnetizar;

Utilizados na fabricação de ímãs permanentes.

Apresentam curva de histerese larga.

Apresentam elevado Hc;

Apresentam elevado magnetismo remanente Br

Mais difíceis de magnetizar e desmagnetizar;

Utilizados na fabricação de ímãs permanentes.

Apresentam curva de histerese larga.

Ferrite de Ba Aço silício Fe2O3

Samário-Co Ferro CrO2

Neodimio-Fe-Bo Mumetal (μmetal) Tintas metálicas de Fe e Co Ferrite de Ba Aço silício Fe2O3

Samário-Co Ferro CrO2

Neodimio-Fe-Bo Mumetal (μmetal) Tintas metálicas de Fe e Co Materiais Duros Materiais Moles Materiais Intermediários

(15)

Aço p/imãs permanentes Ferro Puro

Materiais magneticamente

moles

Materiais magneticamente

moles

Materiais magneticamente

_duros

Materiais magneticamente

duros

Baixa força Coercitiva Elevada força Coercitiva

H

_H

Hc

(16)

Curvas de Histerese para Materiais (ou ligas )magneticamente

duros e magneticamente macios ou moles

Curvas de Histerese para Materiais (ou ligas )magneticamente

duros e magneticamente macios ou moles

Materiais magneticamente

duros

Materiais magneticamente

(17)

Ligas magnéticas macias

• 1- Ferro puro

• 2- Aço elétrico ( liga de Ferro e Silício : 3 %- 4,5% )

• 3- Ligas de Ferro-Níquel (Hipernick e Permalloy)

• 4- Alsifer (sistema Al-Si-Fe)

• 5- Perminvar (Ni, Co, Fe)

• 6- Hiperco

• 7- Permendur

• 8- Termalloy e Calmalloy

• 1- Ferro puro

• 2- Aço elétrico ( liga de Ferro e Silício : 3 %- 4,5% )

• 3- Ligas de Ferro-Níquel (Hipernick e Permalloy)

• 4- Alsifer (sistema Al-Si-Fe)

• 5- Perminvar (Ni, Co, Fe)

• 6- Hiperco

• 7- Permendur

• 8- Termalloy e Calmalloy

Materiais ou ligas magneticamente moles ou

macios

Materiais ou ligas magneticamente moles ou

macios

(18)

Materiais ou ligas magneticamente moles ou

macios

Materiais ou ligas magneticamente moles ou

macios

1 - Ferro (Ferro Puro)

Caracteriza-se por uma baixa resistividade e uma alta permeabilidade magnética m para valores elevados de indução, daí serem úteis em aplicações de corrente contínua, que requerem elevadas induções , B ,quando sujeitas a baixos campos magnéticos, H Entre as várias aplicações, destacam-se : carcaças e peças polares de máquinas

elétricas, rotores de geradores elétricos e embreagens eletromagnéticas

1 - Ferro (Ferro Puro)

Caracteriza-se por uma baixa resistividade e uma alta permeabilidade magnética m para valores elevados de indução, daí serem úteis em aplicações de corrente contínua, que requerem elevadas induções , B ,quando sujeitas a baixos campos magnéticos, H Entre as várias aplicações, destacam-se : carcaças e peças polares de máquinas

(19)

• 2- Ferro-silício ( Aço elétrico )

• Ligas com menos de 0.5% de silício empregam-se em pequenos

motores de baixo custo.

• As ligas compreendidas entre 1 e 2.5% de Si, destinam-se a

motores e geradores de rendimento médio, transformadores

baixo custo e , para aplicações em que custo reduzido é mais

importante do que baixas perdas .

• As ligas compreendidas entre 2.5 e 3% de Si, além de serem

utilizadas na construção de motores e geradores em que perdas

baixas ( rendimento elevado ) é essencial, podem ser também

utilizadas na fabricação de transformadores de pequeno e

médio porte.

• 2- Ferro-silício ( Aço elétrico )

• Ligas com menos de 0.5% de silício empregam-se em pequenos

motores de baixo custo.

• As ligas compreendidas entre 1 e 2.5% de Si, destinam-se a

motores e geradores de rendimento médio, transformadores

baixo custo e , para aplicações em que custo reduzido é mais

importante do que baixas perdas .

• As ligas compreendidas entre 2.5 e 3% de Si, além de serem

utilizadas na construção de motores e geradores em que perdas

baixas ( rendimento elevado ) é essencial, podem ser também

utilizadas na fabricação de transformadores de pequeno e

(20)

• As ligas de elevado conteúdo de Si (de 3 a 4.5%) são utilizadas em

transformadores de potência que operem em frequências industriais (50 Hz e 60Hz) e em certas partes dos alternadores e de outras máquinas elétricas, em que baixas perdas e um elevado rendimento assumem uma grande

importância.

• Nos anos 40, conseguiu-se uma diminuição das perdas de energia nos

núcleos dos transformadores com a produção de chapas de ferro-silício com grãos orientados.

• Hoje, são ainda comuns chapas de ferro-silicio com cristais altamente orientados

• As espessuras dessas chapas entre menos de 0,2 mm até cerca de 0,5 mm. • As ligas de elevado conteúdo de Si (de 3 a 4.5%) são utilizadas em

transformadores de potência que operem em frequências industriais (50 Hz e 60Hz) e em certas partes dos alternadores e de outras máquinas elétricas, em que baixas perdas e um elevado rendimento assumem uma grande

importância.

• Nos anos 40, conseguiu-se uma diminuição das perdas de energia nos

núcleos dos transformadores com a produção de chapas de ferro-silício com grãos orientados.

• Hoje, são ainda comuns chapas de ferro-silicio com cristais altamente orientados

• As espessuras dessas chapas entre menos de 0,2 mm até cerca de 0,5 mm.

Aço elétrico

( ferro-silicio)

(21)

• As ligas de elevado conteúdo de Si (de 3 a 4.5%) utilizam-se em

transformadores de potência que operem a frequências industriais (50 Hz e 60Hz) e em certas partes dos alternadores e de outras máquinas

elétricas, em que baixas perdas e um elevado rendimento assumem uma grande importância.

• Nos anos 40, conseguiu-se uma diminuição das perdas de energia nos núcleos dos transformadores com a produção de chapas de ferro-silício com grãos orientados.

• Hoje, são ainda comuns chapas de cristais altamente orientados

• As ligas de elevado conteúdo de Si (de 3 a 4.5%) utilizam-se em

transformadores de potência que operem a frequências industriais (50 Hz e 60Hz) e em certas partes dos alternadores e de outras máquinas

elétricas, em que baixas perdas e um elevado rendimento assumem uma grande importância.

• Nos anos 40, conseguiu-se uma diminuição das perdas de energia nos núcleos dos transformadores com a produção de chapas de ferro-silício com grãos orientados.

• Hoje, são ainda comuns chapas de cristais altamente orientados

Aço elétrico ( ferro-silicio)

Devido as distorções na estrutura cristalina do material, causada

pela presença do Silício, esta liga apresenta menor perda por

histerese do que o ferro puro.

O aço elétrico ( Fe-Si 3,0 % a 4,5% ) é em geral fabricado em chapas

finas ( obtidas por laminação) as quais são largamente utilizadas na

fabricação de núcleos de transformadores para frequências

industriais ( 50 Hz , 60 Hz), bem como circuitos magnéticos para

maioria das máquinas elétricas AC/DC.

Devido as distorções na estrutura cristalina do material, causada

pela presença do Silício, esta liga apresenta menor perda por

histerese do que o ferro puro.

O aço elétrico ( Fe-Si 3,0 % a 4,5% ) é em geral fabricado em chapas

finas ( obtidas por laminação) as quais são largamente utilizadas na

fabricação de núcleos de transformadores para frequências

industriais ( 50 Hz , 60 Hz), bem como circuitos magnéticos para

maioria das máquinas elétricas AC/DC.

(22)

Aço – silício até 4,5 %

Os aços com adição de silicio, planos , de Grão Orientado (GO) e de Grão Não Orientado (GNO) são aços em geral utilizados para aplicações elétricas.

O aço silício GO possui as propriedades magnéticas otimizadas na direção de sua laminação ( orientação dos grãos ), enquanto o GNO apresenta boas propriedades em qualquer direção considerada.

Aço – silício até 4,5 %

Os aços com adição de silicio, planos , de Grão Orientado (GO) e de Grão Não Orientado (GNO) são aços em geral utilizados para aplicações elétricas.

O aço silício GO possui as propriedades magnéticas otimizadas na direção de sua laminação ( orientação dos grãos ), enquanto o GNO apresenta boas propriedades em qualquer direção considerada.

O aço-silício GO (grão orientado) é usado em transformadores de potência e de distribuição de energia elétrica e o GNO (grão não-orientado) é aplicado, principalmente, em geradores de usinas hidrelétricas, Motors elétricos, reatores de lâmpadas fluorescents e compressores herméticos para geladeiras, freezers e ar-condicionado.

(23)

3- Ligas de Ferro-Níquel

• Hipernick: 50% de Ni.

• Permalloy: 78,5% de Ni.

· Possui elevada permeabilidade magnética .

· É importante para aparelhos que trabalham

nos campos de baixa intensidade (rádios,

telefones, telégrafo)

· As propriedades do permalloy dependem fortemente

do tratamento térmico

• Hipernick: 50% de Ni.

• Permalloy: 78,5% de Ni.

· Possui elevada permeabilidade magnética .

· É importante para aparelhos que trabalham

nos

campos de baixa intensidade (rádios,

telefones, telégrafo)

· As propriedades do permalloy dependem fortemente

do tratamento térmico

m > 10000

Utilizam-se em transformadores especiais, transformadores

de instrumentos de medida, bobinas para filtros, cabos

submarinos e numa grande variedade de peças especiais

como relés de ação rápida e armaduras de instrumentos de

medida.

Utilizam-se em transformadores especiais, transformadores

de instrumentos de medida, bobinas para filtros, cabos

submarinos e numa grande variedade de peças especiais

como relés de ação rápida e armaduras de instrumentos de

medida.

(24)

4- Alsifer (sistema Al-Si-Fe)

• Al 5,4% - Si 9,6% - Fe 85%

.

· Esta liga pode substituir a liga permalloy, cuja produção tem custo mais elevado.

· Como a liga alsifer é muito frágil, é impossível a fabricação em chapas. • Al 5,4% - Si 9,6% - Fe 85%

.

· Esta liga pode substituir a liga permalloy, cuja produção tem custo mais elevado.

· Como a liga alsifer é muito frágil, é impossível a fabricação em chapas.

5- Perminvar (Ni, Co, Fe)

45% Ni - 25% Co - 30% Fe

45% Ni - 25% Co - 7.5% Mo - Fe

70% Ni - 7% Co - Fe

· Possuem permeabilidade magnética constante para campos

de 0 a 80-160 A/m.

45% Ni - 25% Co - 30% Fe

45% Ni - 25% Co - 7.5% Mo - Fe

70% Ni - 7% Co - Fe

· Possuem permeabilidade magnética constante para campos

de

0 a 80-160 A/m

.

(25)

7- Permendur (Co, V, Fe)

· 50% Co - 1.8% V - Fe.

· Tem elevada indução de saturação.

· É utilizada na fabricação de instrumentos e aparelhos que

necessitam concentrar, num espaço reduzido, um intenso fluxo de

linhas de força magnética.

· 50% Co - 1.8% V - Fe.

· Tem elevada indução de saturação.

· É utilizada na fabricação de instrumentos e aparelhos que

necessitam concentrar, num espaço reduzido, um intenso fluxo de

linhas de força magnética.

· 26.5-28% de Co e 0.5% C - Fe.

· Esta liga tem alta saturação magnética (924.000 Gauss).

· 26.5-28% de Co e 0.5% C - Fe.

· Esta liga tem alta saturação magnética (924.000 Gauss).

(26)

8- Termalloy (30%Ni-Fe) e Calmalloy (30%Cu-Fe)

·Nestas ligas, a indução sofre uma notável

variação na faixa de - 60C a + 50C

·São empregadas para a correção de erros

dos instrumentos magneto elétricos.

As propriedades não dependem do

tratamento térmico e sim da composição da

liga.

·Nestas ligas, a indução sofre uma notável

variação na faixa de - 60C a + 50C

·São empregadas para a correção de erros

dos instrumentos magneto elétricos.

As propriedades não dependem do

tratamento térmico e sim da composição da

liga.

(27)

Materiais ou ligas magneticamente duros

Apresentam elevado Hc.

Apresentam elevado magnetismo remanente Br.

Mais difíceis de magnetizar e desmagnetizar.

Curva de histerese larga.

Propriedades estáveis ao longo do tempo ( elevado tempo de

relaxação).

Utilizados na fabricação de ímãs permanentes.

Apresentam elevado Hc.

Apresentam elevado magnetismo remanente Br.

Mais difíceis de magnetizar e desmagnetizar.

Curva de histerese larga.

Propriedades estáveis ao longo do tempo ( elevado tempo de

relaxação).

Utilizados na fabricação de ímãs permanentes.

• Os ımãs permanentes ou materiais magneticamente duros,

são de grande importância para eletroeletrônica, uma vez

magnetizados mantém o seu nível de magnetização.

• Os ımãs permanentes ou materiais magneticamente duros,

são de grande importância para eletroeletrônica, uma vez

magnetizados mantém o seu nível de magnetização.

(28)

Ímãs Permanentes

• Para efeito de classificação, os ímãs permanentes

podem ser agrupados em três grandes famílias:

• Alnicos (Al, Ni, Co, Fe) .

• _{Cerâmicos (Ferrites): ferrites de bário e}

ferrites de estrôncio

• _{Terras-raras (SmCo e NdFeB)}

(Samário-Cobalto

• _{e Ferro Boro-Neodímio})

Ímãs Permanentes

Classificação dos Ímãs Permanentes

(29)

Evolução dos Ímãs Permanentes ao longo do tempo

(30)

Curva de Desmagnetização Curva de Desmagnetização

A região de interesse no ciclo de histerese é aquela que pertence ao

segundo quadrante. Este trecho é chamado de curva de desmagnetização e representa as características de um dado ímã.

A região de interesse no ciclo de histerese é aquela que pertence ao

segundo quadrante. Este trecho é chamado de curva de desmagnetização e representa as características de um dado ímã.

(31)

Aço p/imãs permanentes Ferro Puro

Materiais magneticamente

moles

Materiais magneticamente

moles

Materiais magneticamente

_duros

Materiais magneticamente

duros

Baixa força Coercitiva Elevada força Coercitiva

H

_H

Hc

curva de desmagnetização _{curva de} desmagnetização

(32)

O ideal é que os ímãs permanentes apresentem uma alta retentividade ou remanência (ponto Br de interseção da curva de histerese com o eixo B) e uma alta coercitividade (ponto HC de interseção da mesma curva com o eixo horizontal H), expressando assim, a medida da

(33)

Uma característica muito importante em um ímã permanente é o máximo valor para o produto B H.

O máximo produto BH para um

determinado material indica a máxima densidade de energia (J/m3_{) que pode}

ser armazenada no imã composto de certa substância.

Quanto maior o valor do máximo

produto B H, menor será a quantidade de material necessária para que se obtenha um dado valor de fluxo magnético.

O máximo produto BH para um

determinado material indica a máxima densidade de energia (J/m3_{) que pode}

ser armazenada no imã composto de certa substância.

Quanto maior o valor do máximo

produto B H, menor será a quantidade de material necessária para que se obtenha um dado valor de fluxo magnético.

(34)

Curvas de desmagnetização , comparativas , para as diversas ligas utilizadas em ímãs permanentes

(35)

Material Br Hc Hci BHmáx Tmáx(°C) NdFeB 12100 11600 17000 42 100 SmCo 10300 8000 18000 23 250 Ferrite 3600 2900 3000 3.2 350 Alnico 12600 630 n/a 5.3 550

PROPRIEDADES MAGNÉTICAS

O produto BHmax conhecido como produto energético máximo, está relacionado com a energia armazenada num ímã.Quanto maior o produto energético, maior a energia

armazenada e , portanto menos material precisa ser usado, na fabricação do ímã

O produto BHmax conhecido como produto energético máximo, está relacionado com a energia armazenada num ímã.Quanto maior o produto energético, maior a energia

armazenada e , portanto menos material precisa ser usado, na fabricação do ímã

Hci : Coercitividade intrinseca= Força necessária para desmagnetizar um imã permanentemente.

(36)

Evolução dos Ímãs Permanentes ao longo do tempo

(37)

Quadros comparativos , para as diversas ligas utilizadas em ímãs permanentes

Quadros comparativos , para as diversas ligas utilizadas em ímãs permanentes B x H H SmCo Ferrite Alnico NdFeB

(38)

Papel dos elementos de liga

· Aumentam a força coercitiva ou “dureza” magnética

· Diminuem o tamanho dos grãos

• _{A formação de uma segunda fase, pela adição de}

elementos de liga (acima do limite de solubilidade),

contribui para o aumento do Hc. Quanto mais elevada a

dispersão da segunda fase maior o Hc.

• _{O endurecimento causado pela transformações de}

fase ou pela diminuição do tamanho de grão aumentam o

Hc, porque evitam a redistribuição ao acaso dos domínios

magnéticos.

· Aumentam a força coercitiva ou “dureza” magnética

· Diminuem o tamanho dos grãos

• _{A formação de uma segunda fase, pela adição de}

elementos de liga (acima do limite de solubilidade),

contribui para o aumento do Hc. Quanto mais elevada a

dispersão da segunda fase maior o Hc.

• _{O endurecimento causado pela transformações de}

fase ou pela diminuição do tamanho de grão aumentam o

Hc, porque evitam a redistribuição ao acaso dos domínios

magnéticos.

Função dos materiais ou elementos das ligas

(39)

Alnico

As ligas Alnico foram descobertas na década de 1920, e permitiram a produção industrial de ímãs artificiais com indução magnética muito superior à dos

naturais.

Um imã de Alnico é capaz de levantar mais de 1000 vezes seu próprio peso.

Alnico

As ligas Alnico foram descobertas na década de 1920, e permitiram a produção industrial de ímãs artificiais com indução magnética muito superior à dos

naturais.

Um imã de Alnico é capaz de levantar mais de 1000 vezes seu próprio peso.

Alnico são ligas de Fe (Ferro) contendo Al (Alumínio), Ni (Níquel) e Co

(Cobalto), além de outros elementos.

O nome da liga é formado pela justaposição dos símbolos químicos dos elementos (Al, Ni e Co).

Alnico são ligas de Fe (Ferro) contendo Al (Alumínio), Ni (Níquel) e Co

(Cobalto), além de outros elementos.

O nome da liga é formado pela justaposição dos símbolos químicos dos elementos (Al, Ni e Co).

Ligas Alnico

As maiores vantagens dos alnicos são: alta densidade de fluxo magnético remanente (cerca de 1,2 T) e baixos coeficientes de temperatura.

Tais características permitem o uso destes ímãs em altas temperaturas

As maiores vantagens dos alnicos são: alta densidade de fluxo magnético remanente (cerca de 1,2 T) e baixos coeficientes de temperatura.

Tais características permitem o uso destes ímãs em altas temperaturas

(40)

Ligas mais utilizadas : .

.

Propaganda da Jensen Radio Manufacturing Co. para

autofalantes com ímã de Alnico 5 em 1945.

Conforme ilustrado, o Alnico 5 permitiu uma grande redução no tamanho e no peso dos ímãs para a produção de um dado fluxo

magnético.

Propaganda da Jensen Radio Manufacturing Co. para

autofalantes com ímã de Alnico 5 em 1945.

Conforme ilustrado, o Alnico 5 permitiu uma grande redução no tamanho e no peso dos ímãs para a produção de um dado fluxo

magnético.

Alnico 5 : contém aproximadamente Alnico 5 : contém aproximadamente

15%Ni, 25%Co, 9%Al, 3%Cu e 48%Fe

Alnico 12 : contem aproximadamente Alnico 12 : contem aproximadamente

18%Ni, 35%Co, 6%Al, 8%Ti e 33%Fe

(41)

H Hc

B Curvas de Desmagnetização para Alnicos

Curvas de Desmagnetização para Alnicos

(42)

Elementos de liga dos alnicos

Adição de Co : (15-24%)

O Cobalto aumenta o Hc e o Br.

Aumenta também a temperatura de Curie,

o que facilita o tratamento termomagnético.

Adição de Si :(1-2%)

Aumenta o Hc

Baixa a velocidade crítica de resfriamento.

Adição de Cobre :(até 6%)

Substitui o Ní (redução de custos, mantendo as propriedades magnéticas )

Adição de Co

: (15-24%)

O Cobalto aumenta o Hc e o Br.

Aumenta também a temperatura de Curie,

o que facilita o tratamento termomagnético.

Adição de Si

:(1-2%)

Aumenta o Hc

Baixa a velocidade crítica de resfriamento.

Adição de Cobre

:(até 6%)

(43)

As principais aplicações das ligas de ALNICO são : alto-falantes, motores elétricos e geradores de

pequeno porte, válvulas magnétron,captadores de guitarra elétrica etc. Foram também muito usados em instrumentos de medidas, como velocímetros,

tacógrafos, medidores de energia elétrica, etc As principais aplicações das ligas de ALNICO são : alto-falantes, motores elétricos e geradores de pequeno porte, válvulas magnétron,captadores de guitarra elétrica etc. Foram também muito usados em instrumentos de medidas, como velocímetros,

(44)

FERRITE (IMÃ PERMANENTE)

SrO-6(Fe

₂

O

₃

), strontium hexaferrite

• Foram desenvolvidos

nos anos 50 / 60

• Baixo custo

• Alta resistência corrosão

• São frágeis e duros

• Representa mais de 75%

do consumo na área de

ímãs permanentes.

• Foram desenvolvidos

nos anos 50 / 60

• Baixo custo

• Alta resistência corrosão

• São frágeis e duros

• Representa mais de 75%

do consumo na área de

ímãs permanentes.

hexaferrite de estrôncio (SrFe

₁₂

O

₁₉

) e hexaferrite de bário

(BaFe

₁₂

O

₁₉

)

hexaferrite de estrôncio (SrFe

₁₂

O

₁₉

) e hexaferrite de bário

(BaFe

₁₂

O

₁₉

)

(45)

A história das ferrites iniciou-se séculos antes do nascimento de Cristo, 470 AC ~450 AC com a descoberta de pedras que atraíam ferro.

A maioria das reservas destas pedras encontravam-se na Ásia, compostas pelo mineral magnetite ou magnetita (Fe₃O₄).

A história das ferrites iniciou-se séculos antes do nascimento de Cristo, 470 AC ~450 AC com a descoberta de pedras que atraíam ferro.

A maioria das reservas destas pedras encontravam-se na Ásia, compostas pelo mineral magnetite ou magnetita (Fe₃O₄).

Atualmente, são produzidas em inúmeros tamanhos e formas para múltiplas aplicações. Atualmente a China é o principal fabricante de ferrites no mundo ( 75% da produção mundial)

Razão desta mudança prende-se aos baixos custos de produção oferecidos pela China.

Atualmente, são produzidas em inúmeros tamanhos e formas para múltiplas aplicações. Atualmente a China é o principal fabricante de ferrites no mundo ( 75% da produção mundial)

Razão desta mudança prende-se aos baixos custos de produção oferecidos pela China.

A partir de 1930, as investigações intensificaram-se, principalmente no Japão e na Holanda.

No entanto, só em 1945, J Snoek, nos laboratórios da

Philips, foi bem sucedido na produção de uma ferrite macia para aplicações comerciais, aparecendo realmente nos

mercados em 1952.

A partir de 1930, as investigações intensificaram-se, principalmente no Japão e na Holanda.

No entanto, só em 1945, J Snoek, nos laboratórios da

Philips, foi bem sucedido na produção de uma ferrite macia para aplicações comerciais, aparecendo realmente nos

(46)

• Cerâmica Magnética ou Ferrite ( imãs cerâmicos )

• O processo de fabricação consiste na pulverização das matérias-primas até a formação de monocristais.

• Este composto na forma de pó, é então prensado numa forma sob a influência de um campo magnético orientado. Após esta compactação, o material é sinterizado em fornos especiais e moldado para os formatos e dimensões desejados.

• Atualmente, os imãs cerâmicos são os que possuem menor custo. São resistentes à corrosão, ácidos, sais lubrificantes e gases. Max. Temperatura de trabalho 250 o _C.

• Exemplos de aplicações: alto-falantes, motores CC, sensores, núcleo de indutores, etc

• Cerâmica Magnética ou Ferrite ( imãs cerâmicos )

• O processo de fabricação consiste na pulverização das matérias-primas até a formação de monocristais.

• Este composto na forma de pó, é então prensado numa forma sob a influência de um campo magnético orientado. Após esta compactação, o material é sinterizado em fornos especiais e moldado para os formatos e dimensões desejados.

• Atualmente, os imãs cerâmicos são os que possuem menor custo. São resistentes à corrosão, ácidos, sais lubrificantes e gases. Max. Temperatura de trabalho 250 o _C.

• Exemplos de aplicações: alto-falantes, motores CC, sensores, núcleo de indutores, etc

(47)

• As ferrites duras utilizadas em ímãs permanentes têm a fórmula geral do grupo

MO.6 Fe₂O₃, onde M pode representar os metais Ba ou Sr; a estrutura cristalina é hexagonal.

• A principal ferrite deste grupo é a ferrite de bário (BaO.6 Fe₂O₃ ou BaFe₁₂O₁₉) com o nome comercial Ferroxdure.

.

ferrites duras utilizadas em ímãs permanentes ferrites duras utilizadas em ímãs permanentes ferrites moles utilizadas em núcleos ferrites moles utilizadas em núcleos

As ferrites de bário (Ba)têm sido gradativamente substituídas, nos últimos anos, pelas ferrites de estrôncio (Sr), de fórmula geral SrO.6 Fe₂O₃ ou SrFe₁₂O₁₉, as

quais têm propriedades magnéticas superiores às das ferrites de bário.

As ferrites de bário (Ba)têm sido gradativamente substituídas, nos últimos anos, pelas ferrites de estrôncio (Sr), de fórmula geral SrO.6 Fe₂O₃ ou SrFe₁₂O₁₉, as

quais têm propriedades magnéticas superiores às das ferrites de bário.

(48)

• Terras Raras

(49)

Samário-Cobalto (SmCo)

Os imãs de Samário-Cobalto (SmCo) foram desenvolvidos em 1960, como resultado da pesquisa de novos materiais magnéticos baseados em ligas de Fe, Co, Ni e Terras Raras. São produzidos prensando-se as ligas pulverizadas, no formato final. Posteriormente são sinterizados a altas temperaturas.

Apesar das excelentes propriedades magnéticas e resistência ás temperaturas (até 250 o _{C), o alto custo pode limitar suas aplicações. Possuem razoável resistência à}

corrosão e não necessitam de revestimentos particulares. Devido à sua elevada fragilidade, devem ser manuseados com cuidado.

Max. Temperatura de trabalho: 250 o _C

Exemplos de aplicações: micro-motores, sensores para automóveis.

Apesar das excelentes propriedades magnéticas e resistência ás temperaturas (até 250 o _{C), o alto custo pode limitar suas aplicações. Possuem razoável resistência à}

corrosão e não necessitam de revestimentos particulares. Devido à sua elevada fragilidade, devem ser manuseados com cuidado.

Max. Temperatura de trabalho: 250 o _C

(50)

Microestrutura das ligas SmCo

5 X400

Microestrutura das ligas SmCo

5 X400

(51)

• No início de 1980, o material Nd-Fe-B foi desenvolvido, principalmente, devido a circunstâncias econômicas.

• Na época, função de problemas com o abastecimento de cobalto, havia uma necessidade urgente de um novo ímã permanente que substituísse a liga samário-cobalto, embora com as propriedades adequadas para as aplicações onde esta era utilizada.

• Com o surgimento da necessidade de substituição dos materiais

samário-cobalto, as investigações aceleraram e resultaram na descoberta do elemento a juntar ao sistema neodímio-ferro, o boro.

• Este elemento, que mesmo em pequena quantidade, melhorava

drasticamente as propriedades magnéticas. O aparecimento deste material foi recebido com grande entusiasmo na época.

• No início de 1980, o material Nd-Fe-B foi desenvolvido, principalmente, devido a circunstâncias econômicas.

• Na época, função de problemas com o abastecimento de cobalto, havia uma necessidade urgente de um novo ímã permanente que substituísse a liga samário-cobalto, embora com as propriedades adequadas para as aplicações onde esta era utilizada.

• Com o surgimento da necessidade de substituição dos materiais

samário-cobalto, as investigações aceleraram e resultaram na descoberta do elemento a juntar ao sistema neodímio-ferro, o boro.

• Este elemento, que mesmo em pequena quantidade, melhorava

drasticamente as propriedades magnéticas. O aparecimento deste material foi recebido com grande entusiasmo na época.

Boro-Ferro-Neodímio (NdFeB )

Neodymium Iron Boron (ou NIB)

(52)

.

Os imãs de NdFeB são produzidos pela compactação de ligas pulverizadas. _{Possuem as melhores propriedades de todos os imãs existentes e uma}

incrível relação indução/peso.

São altamente susceptíveis a corrosão e devem, quase sempre, possuir revestimento. São normalmente niquelados, zincados ou revestidos com resina epóxi.

Os imãs de NdFeB são produzidos pela compactação de ligas pulverizadas. Possuem as melhores propriedades de todos os imãs existentes e uma incrível relação indução/peso.

São altamente susceptíveis a corrosão e devem, quase sempre, possuir revestimento. São normalmente niquelados, zincados ou revestidos com resina epóxi.

(53)

Um ímã de neodímio é um imã feito a partir de uma combinação de neodímio, ferro e boro — Nd₂Fe₁₄B .

Também conhecidos como Imã de Terras Raras ou “Super-Imãs”, entraram no mercado em 1980.

Atualmente, é o material magnético mais moderno

Um ímã de neodímio é um imã feito a partir de uma combinação de neodímio, ferro e boro — Nd₂Fe₁₄B .

Também conhecidos como Imã de Terras Raras ou “Super-Imãs”, entraram no mercado em 1980.

Atualmente, é o material magnético mais moderno

(54)

Evolução dos Ímãs Permanentes ao longo do tempo

(55)

• Este tipo de imã é muito poderoso em comparação com a sua massa, mas também é mecanicamente frágil e perde seu magnetismo em temperaturas entre 70ºC e 180°C.

Devido ao seu custo mais baixo, têm substituído os imãs de samário-cobalto (Ligeiramente mais fracos ) na maioria das aplicações, porém significativamente mais resistentes à temperatura.

• Este tipo de imã é muito poderoso em comparação com a sua massa, mas também é mecanicamente frágil e perde seu magnetismo em temperaturas entre 70ºC e 180°C.

Devido ao seu custo mais baixo, têm substituído os imãs de samário-cobalto (Ligeiramente mais fracos ) na maioria das aplicações, porém significativamente mais resistentes à temperatura.

(56)

Exemplos de aplicações: alto-falantes, discos rígidos, geradores eólicos, brindes, equipamentos eletrônicos.

(57)

Imãs flexíveis

base: polímero+ferrite ou polímero+NdFeB

Imãs flexíveis

base: polímero+ferrite ou polímero+NdFeB

(58)

Ímãs flexíveis: podem ser utilizados em ampla gama de aplicações,

com requisitos de magnetização que variam de 0,5 MOe a valores superiores a 1,6 MOe. 1 A/m = 80 Oe

Os materiais magnéticos utilizados podem ser

ferrites, neodímio – ferro – boro ou uma combinação destes materiais, denominados

“ímãs híbridos”.

Os materiais de ligação são, geralmente, borrachas nitrílicas, Nordel, Natsyn,

polietileno ou outros, de acordo com especificações dos usuários. Podem ser

disponibilizados na forma de fitas e folhas, com polos magnéticos de tamanhos e modelos diferentes.

Ímãs flexíveis: podem ser utilizados em ampla gama de aplicações,

com requisitos de magnetização que variam de 0,5 MOe a valores superiores a 1,6 MOe. 1 A/m = 80 Oe

Os materiais magnéticos utilizados podem ser

ferrites, neodímio – ferro – boro ou uma combinação destes materiais, denominados

“ímãs híbridos”.

Os materiais de ligação são, geralmente, borrachas nitrílicas, Nordel, Natsyn,

polietileno ou outros, de acordo com especificações dos usuários. Podem ser

disponibilizados na forma de fitas e folhas, com polos magnéticos de tamanhos e modelos diferentes.

(59)

• UNIDADES DE CAMPO MAGNÉTICO ( Gauss, Tesla, Oersted ou A/m ? )

A unidade de campo magnético (H) no Sistema Internacional é Ampère por metro [A/m]. Apesar de um esforço em utilizar as unidades do SI, muitos

equipamentos de medidas ainda utilizam as unidades do sistema CGS, no qual o campo é medido em Oersted [Oe].

As unidades Gauss [G], no CGS e Tesla [T] no SI referem-se a Indução magnética (B) - também denominada de densidade de fluxo magnético..

Um Gauss é igual a um Maxwell por centímetro quadrado ou 10-4_{Tesla (T)}

• UNIDADES DE CAMPO MAGNÉTICO ( Gauss, Tesla, Oersted ou A/m ? )

A unidade de campo magnético (H) no Sistema Internacional é Ampère por metro [A/m]. Apesar de um esforço em utilizar as unidades do SI, muitos

equipamentos de medidas ainda utilizam as unidades do sistema CGS, no qual o campo é medido em Oersted [Oe].

As unidades Gauss [G], no CGS e Tesla [T] no SI referem-se a Indução magnética (B) - também denominada de densidade de fluxo magnético..

Um Gauss é igual a um Maxwell por centímetro quadrado ou 10-4_{Tesla (T)}

(60)

B = mo(H + M) (SI)

B = H + 4pM (CGS)

Nestas expressões, M representa a magnetização de um material na presença de um

campo magnético e mo (= 4p. 10-7 Hm) é a permeabilidade magnética do vácuo .

Na ausência de um material, ou seja, no ar, as expressões tornam-se B = mo H (SI)

B = H (CGS)

Portanto, no ar, em unidades CGS, o campo magnético é igual à indução magnética e a unidade Gauss (G) é numericamente equivalente a Oersted (Oe)

No SI, para transformar um valor em A/m é necessário multiplicar pela permeabilidade

magnética do ar (mo).

B = mo(H + M) (SI)

B = H + 4pM (CGS)

Nestas expressões, M representa a magnetização de um material na presença de um

campo magnético e mo (= 4p. 10-7 Hm) é a permeabilidade magnética do vácuo .

Na ausência de um material, ou seja, no ar, as expressões tornam-se B = mo H (SI)

B = H (CGS)

Portanto, no ar, em unidades CGS, o campo magnético é igual à indução magnética e a unidade Gauss (G) é numericamente equivalente a Oersted (Oe)

No SI, para transformar um valor em A/m é necessário multiplicar pela permeabilidade

magnética do ar (mo).

As expressões abaixo mostram a relação entre H e B no SI e no CGS:

1 TESLA = 10.000 GAUSS

1 TESLA = 1 WEBER por METRO QUADRADO

1 GAUSS = 1 MAXWELL por CENTÍMETRO QUADRADO 1 TESLA = 10.000 GAUSS

1 TESLA = 1 WEBER por METRO QUADRADO

(61)

• A tabela abaixo traz a conversão das unidades

Medida de: em unidades

de: multiplique por: para obter :

Campo Magnético Oe 79,7 A/m

Indução Magnética _G 0,0001 _T

CGS SI Campo magnético terrestre 0,5 Oe 39,8 A/m Campo na superfície em um ímã de disco rígido ~3000 Oe ~ 239 kA/m Campo no entreferro de um motor ~ 15000 Oe ~ 1 MA/m Campo no interior de um solenoide ~ 100 Oe 7957 A/m Exemplos da ordem de grandeza de campos magnéticos