Parte-3-Magneticos

(1)

Teoria dos Dispositivos

Semicondutores

Prof. Gustavo Oliveira Cavalcanti

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(2)

Materiais magnéticos

• Origem histórica

– Pedras denominadas de magnetitas que

atraiam pedaços de ferro

• Localidade: Magnésia (Ásia)

• Magnetita

– Composto de óxido salino de ferro Fe

₃

O

₄

– Composto de óxido salino de ferro Fe

₃

O

₄

• Outro imã natural

– A própria terra, cuja propriedade de orientar a

agulha magnética de uma bússola é conhecida

a muito tempo

• Aplicações

– Máquinas girantes, transformadores,

galvanômetros, alto-falantes, etc.

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• Campo magnético

– O espaço em torno de um imã ou de um

condutor percorrido por uma corrente elétrica

• Densidade de fluxo magnético

– Também chamado indução magnética é

Materiais magnéticos

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• Densidade de fluxo magnético B

– A tangente a uma linha de fluxo em qualquer ponto fornece a direção de B neste ponto

– As linhas de fluxo magnético são fechadas sobre si mesmas

• Ao contrário das linhas de força abertas do campo elétrico

– As linhas de fluxo são espaçadas de modo que o

Materiais magnéticos

– As linhas de fluxo são espaçadas de modo que o número de linhas por unidade de área da superfície normal às mesmas é proporcional ao módulo de B

– A grandeza de B é maior junto ao condutor e decresce quando a distância aumenta

– O sentido do campo pode ser obtido pela regra da mão direita

• Segurando o condutor com a mão direita e o dedo

polegar apontando para a direção da corrente, o vetor B está apontando para a direção dos dedos

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Materiais magnéticos

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• O alinhamento de todos os domínios em

uma direção origina um efeito aditivo, o

qual pode ou não permanecer após a

retirada do campo externo.

• Para designar quando o alinhamento

Materiais magnéticos

• Para designar quando o alinhamento

magnético é permanentemente retido ou

não, são usados os termos material

magnético “duro” e material magnético

“mole”, respectivamente.

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• Classificação

– Materiais magnéticos moles (soft)

– Materiais magnéticos duros (hard)

• Características em função do laço de

histerese

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• Os materiais magnéticos moles se caracterizam

– Alta permeabilidade magnética – Pequena força coercitiva

– Pequenas perdas por histerese (laço estreito)

• Aplicações

– Circuitos magnéticos de máquinas girantes, trafos,

Materiais magnéticos

– Circuitos magnéticos de máquinas girantes, trafos, relés, etc.

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• Os materiais magnéticos duros se caracterizam

– Moderada ou baixa permeabilidade – Força coercitiva elevada

– Perdas por histerese elevadas (laço largo)

• Aplicações

– Imãs permanentes em instrumentos de medida,

alto-Materiais magnéticos

– Imãs permanentes em instrumentos de medida, alto-falantes, etc

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• Ciclo estreito de histerese, Hc muito

pequeno

• Reduzidas perdas

• Elevada permeabilidade

• Alta importância para aplicações elétricas

Materiais magnéticos moles

• Estes materiais são constituídos de ligas

binárias

– Ferro + carbono

– Ferro + silício

– Ferro + níquel

– Ferro + cobalto

– Ferro + alumínio

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• Uma das mais importantes é chamada de ferro

+ silício que oferece grande redução de perdas.

• Principais vantagens:

– Reação do Si com as impurezas do ferro que são eliminadas, com conseqüente aumento da

permeabilidade

– A presença do Si faz com que seja aumentada a

Materiais magnéticos moles

– A presença do Si faz com que seja aumentada a resistividade da chapa

• Quanto maior a proporção de Si, mais

interessantes ficam as propriedades, entretanto

há um inconveniente.

• A chapa aumenta sua fragilidade na medida que

aumenta o teor de Si na liga, fato este que limita

a porcentagem do Si a um máximo de 5% e

ainda assim restritos a dispositivos estáticos

(trafos).

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Materiais magnéticos moles

Propriedades típicas de vários materiais magnéticos moles

Material Composição Permeabilidad e relativa inicial µ_i Saturação Densidade de fluxo B [tesla] Histerese Ciclo curto [j/m2_] Resistividade p (ohms-m) Commercial iron ingot 99,95 Fe 150 2,14 270 1.0x10-7 ingot

Ferro-silicone 97Fe, 3Si 1400 2,01 40 4.7x10-7

Permalloy 55Fe, 45Ni 2500 1.6 120 4.5x10-7

Supermalloy 79Ni, 15Fe, 5Mo, 0.5Mn 75 0.8 - 6.0x10-7 Ferroxcube A 48MnFe2O4, 52ZnFe2O4 1400 0.33 40 2000 Ferroxcube B 36NiFe2O4, 64ZnFe2O4 650 0.36 35 107

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• Características

– Ciclo de histerese mais largo, Hc elevado

– Perdas elevadas por histerese

• São apropriados para construção de

imãs permanentes

Materiais magnéticos duros

imãs permanentes

• Os imãs permanentes são de grande

utilidade, pois se constituem num meio

prático de conservar o campo magnético,

sem a necessidade de nenhuma fonte

externa de energia.

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• Características essenciais

– Densidade de fluxo remanente elevada (Br

elevado)

– Obter no entreferro, uma densidade de fluxo

magnético maior possível, com um mínimo

Materiais magnéticos duros

magnético maior possível, com um mínimo

de material magnético (volume)

– O volume de material magnético é mínimo

quando o produto BxH é máximo

– Que essa densidade de fluxo remanente não

se perca ao ser submetido a campos

desmagnetizantes, ou seja, apresente um

campo coercitivo elevado (Hc alto)

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Propriedades típicas de vários materiais magnéticos duros Material Composiçã o Br remanescente [tesla] Hc coercitivo (BH) max [Kj/m3] Temperatura curie [o_C] Resistividade [ohms-m]

Aço tungstênio 92.8Fe, 6W, 0.5Cr,

0.7C

0.95 5900 2.6 760 3.0x10-7

Cunife 20Fe, 0.54 44 12 410 1.8x10-7

Materiais magnéticos duros

Cunife 20Fe, 20Ni, 60Cu

0.54 44 12 410 1.8x10-7

Sintered alnico 8 34Fe, 7Al, 15Ni, 35Co,

4Cu, 5Ti

0.76 125 36 860

-Sintered ferrite 3 BaO-6Fe2O3

0.32 240 20 450 104

Cobalt rare SmCo5 0.92 720 170 725 5.0x10-7 Sintered neodymium

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• Classificação (permeabilidade relativa):

– Diamagnéticos

• vidro, água (1-175x10-6_{), antimônio, bismuto}

(0,9999986), chumbo, cobre, gases raros, ouro (1-35x10-6_{), prata (1-20x10}-6₎

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• Classificação (permeabilidade relativa):

– Paramagnéticos

• Oxigênio (1+1,5x10-6_{), sódio, sais de ferro e de}

níquel, alumínio (1+22x10-6_{), silício, Paládio}

(1+690x10-6_{), Platina (1+330x10}-6₎

Materiais magnéticos

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• Classificação (permeabilidade relativa):

– Ferromagnéticos

• Ferro de transformador (5500), níquel (50),

cobalto (60), aço (500 - 5000), ferro puro (8000)

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• Diminuição da Permeabilidade dos materiais

ferromagnéticos com aumento da temperatura.

• A permeabilidade relativa cai praticamente para

a unidade a uma temperatura (diferente para

diferentes substâncias) temperatura curie.

• Ao se elevar a temperatura o material acaba por

perder suas propriedades magnéticas.

Materiais magnéticos

perder suas propriedades magnéticas.

• Para cada material magnético existe uma

temperatura característica, denominada ponto

curie no qual o material se torna não magnético

(amagnético)

– A permeabilidade relativa de uma amostra de ferro, sendo H constante é igual a 8.000 e sua temperatura curie é cerca de

7600_C.

– Níquel 4000_C

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• Relutância

– Oposição ao estabelecimento do fluxo

no circuito magnético.

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Materiais magnéticos

• Força Magnetomotriz

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Materiais magnéticos

• Relação entre Fluxo e Relutância

• Lei de Faraday

– Corrente elétrica temporária era

registrada no galvanômetro quando o

campo magnético sofria uma variação.

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• Lei de Lenz

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Metais ferromagnéticos

• Ferro

– Grande aplicação industrial, maior susceptibilidade magnética e mais econômico.

– Alta permeabilidade, reduzidas perdas de histerese – Temperatura curie aproximada de 8000_{C e indução de}

saturação de 2,25T.

• Cobalto

– Permeabilidade aumentada com a temperatura,

indução de saturação de 1,7T e temperatura Curie de 11150_C.

• Níquel

– Indução de saturação de 0,65T e temperatura Curie de 3900_C

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Ferrites

• Designam-se com este nome uma família de

materiais (descobertos recentemente) de

estrutura análoga à magnetita

– Fe₃O₄

• Fórmula geral

– M++_O.Fe

2O3 2 3

– Onde M representa o átomo de um metal (bivalente)- Co, Ni, Mn, Fe, etc.

• NiOFe₂O₃ – ferrite de níquel

• FeOFe₂O₃ = Fe₃O₄ – ferrite de ferro magnetita

• Em composição com dois metais (bivalentes),

tem-se a seguinte fórmula geral

– aM_a++

.bMb++Fe2O3, onde a + b = 1

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• Características das Ferrites

– São materiais sintetizados de alta

resistividade ρ > 10

6

– Propriedades magnéticas análogas as do

ferro mas, com B (0,2-0,5 T) e µ baixos.

Ferrites

ferro mas, com B

_sat

(0,2-0,5 T) e µ baixos.

– Podem ser obtidas industrialmente para

moldagem de peças de formas complicadas

– Perdas por correntes de Foucault baixas

– Utilizam-se em dispositivos de alta

freqüência (100 MHz)

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Materiais magnéticos duros

• Principais ligas usadas para imãs permanentes

– Aço ao carbono • 0,6 a 1% C e 0,3 a 0,8% Mn – Aço ao tungstênio • 0,6 a 1%, 4 a 6% W e 5% Mn – Aço ao cromo • 0,6 a 1% C, 1 a 5% Cr e 0,5 Mn • 0,6 a 1% C, 1 a 5% Cr e 0,5 Mn – Aço cromo/cobalto • 16% Cr e 9% Co – Aço cobalto • 36% Co, 4% W e 6% Cr – Cunife • 60% Cu + 20% Ni + 20% Fe – Cunico • 35% Cu + 24% Ni + 41% Co – Vicalloy • 34%Fe + 52%Co + 14% V

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• Eletroímãs

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• Relés Eletromagnéticos

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