materiais magnÉticos fundamentos iniciais

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;


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.


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.


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.


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.


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.


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:

NIH

l



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.

μB H


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.


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.


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.


PARAMAGNETISMO

Com base na figura, existem duas situações:


PARAMAGNETISMO

1)Campo externo H=0

2)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.


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.


FERROMAGNETISMO

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


INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA


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.


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.



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:



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.



A histerese pode ser considerada como uma defasagem do campo B em relação ao campo H aplicado.



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.



É possível obter outros ciclos de histerese sem que necessariamente o material atinja a saturação.


Materiais magnéticos molesA 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.


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 duros

São usados em ímãs permanentes que devem possuir uma alta resistência à desmagnetização.

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