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Propriedades Magnticas dos Materiais

.

Os materiais magnticos so utilizados em inmeras aplicaes:

motores elctricos, geradoresarmazenamento de informao(quer como suporte da informao (fitas magnticas, discos decomputador, etc.), quer como ferramentas de gravao ou leitura dainformao armazenada em bandas magnticas.)

Iremos tentar perceber um pouco dafsica do comportamento magntico demateriais.

Propriedades Magnticas dosMateriais

O movimento de uma carga elctrica resulta na criao de um campomagntico. Um enrolamento de fio condutor (solenide), com nespiras, atravessado por uma corrente i origina um campomagntico, H, dado por:

!

r H =

0.4"ni

l

r e

z

ez

E induz um campo, B (de induo), dado por

!

r B =

0

r H em que o a

permeabilidade magnticano vazio

Aumento do campo de induo

Se existir, por exemplo uma barra de ferro no interior do solenidecampo de induo, B, aumenta. Porqu ?

Nota: B tem como unidades o Tesla (V.s/m2), H tem como unidades (A/m)

O Campo de Magnetizao

Quando um material submetido a um campo magntico H(campo aplicado), originado um campo de magnetizao domaterial, M.

O campo de induo magntica gerado, B, proporcional soma de H e M.

O factor de proporcionalidade a permeabilidade magntica novazio.

( )MHBrrr

+=0

A susceptibiliade magntica

Uma vez que M resulta da aplicao de H, natural que M sejaproporcional a H ou seja,

designa-se por susceptibiliade magntica do material.

A susceptibilidade magntica permite classificar os materiais emtermos das suas propriedades magnticas.

!

r M = "

r H

Classificao dos materiais em termos depropriedades magnticas

Materiais diamagnticos (Ex. Zn Cd Cu, Ag, Sn) pequenos valores negativos de (ou seja, o campo de magnetizao ope-se ao campo aplicado e desaparecequando de retira o campo aplicado)

Materiais Paramagnticos (ex. Al, Ca, Pt, Ti) pequenos valores positivos de (ocampo de magnetizao desaparece quando de retira o campo aplicado)

Materiais Ferromagneticos (o Fe, o Ni e o Co) - grande (>1). O campo demagnetizao mantm-se quando se remove o campo aplicado.

Materiais Antiferromagnticos (Mn, Cr) - =0. Os dipolos magnticos alinham-seantipararlelamente.

Materiais Ferrimagnticos (ferrites, magnetites, em geral xidos metlicos) osies tm dipolos magnticos de intensidade diferente. Logo existe sempre ummomento resultante.

Porqu estes comportamentos diferentes ?

A base fsica para as propriedades magnticas dos materiaisresulta do movimento dos electres.Quer o movimento orbital em torno do ncleo quer omovimento de rotao (spin).

Diamagnetismo eParamagnetismo

Quer o diamagnetismo quer oparamagnetismo so formas fracas deinterao entre os slidos e um campomagntico aplicado.

O diamagnetismo ( 0)normalmente aparece associado atomos com electresdesemparelhados na ltima camada.

O movimento orbital dos e- resulta semprenuma contribuio diamagntica, enquantoque o spin pode resultar numa contribuioparamagntica.

Domnios Magnticos

De modo a minimizar a sua energia magnetosttica (associada ao fecho das linhas decampo), os dipolos formam domnios magnticos de dimenses relativamentereduzidas (por vezes submicromtricas).Os domnios esto separados por limites de domnio designados por paredes deBloch.

Domnios Magnticos

Quando expostos a um campo aplicado externo, os domnios tendem a alinhar-sesegundo a direco do campo aplicado, custa do crecimento dos dominios comorientaes favorveis (b) ou da reorientao dos dipolos (c).

Domnios Magnticos

Imagem dos domniosmagnticos numa liga YFe11-xTixObtida por microscopia de foraatmica.

Notem que os domniosmagnticos na zona A e B (ampem c) tm cerca de 300 nm deespessura.

(fonte: Daniela Nunes, Tese de Mestrado,IST, Abril de 2008)

A

B

Antiferromagnetismo e Ferrimagnetismo

O antiferromagnetismo exibido por alguns materiais e resulta doalinhamento em sentidos opostos dos dipolos magnticos. Como resultadoos materiais antiferromagnticos apresentam =0. Exemplos de materiaisantiferromagnticos: Mn e Cr.

O ferrimagnetismo surge em alguns materiais cermicos em que os ies tmdiferentes momentos magnticos. Como tal h um momento magnticosresultante. Os materiais ferrimagnticos naturais so conhecidosgenericamente por ferrites, sendo a magnetite Fe3O4, a mais conhecida , umavez que um mineral nativo em muitas regies do planeta.

As ferrites, em geral, tmbaixas condutividadeselctricas e por isso tmalgumas aplicaes emelectrnica:transformadores, indutoresde alta frequncia, cabeasde gravao magntica, etc.

Ferromagnetismo

Os slidos ferromagnticos so aqueles que apresentam >>1.

So materiais que apresentam uma forte interao entre os dipolos magnticos locais (domniosmagnticos) associados a spins desemparelhados dos electres.Ou seja, os dominos magnticos locais permanecem aps a remoo do campo aplicadoda resultando que o campo de magnetizao permanece aps a remoo do campoaplicado.

As flutuaes de origem trmica tendema desalinhar aleatoriamente estesdomnios magnticos, enfraquecendo asua interaco e, como tal os materiaisferromagnticos s o so abaixo deuma determinada temperatura crticadesignada por Temperatura de Curie.Existe um valor mximo de M,designado por magnetizao desaturao

Ferromagnetismo

Os principais materiais ferromagnticos temperaturaambiente com aplicaes em engenharia so:

O Fe ( Tc = 1063 K)O Co (Tc = 1390 K)O Ni (Tc = 627 K)

Os metais de transio Dy, Gd, Tb, Ho tambm soferromagnticos temperatura ambiente.

Curvas de magnetizao:

histerese, materiais magneticamente duros e magneticamentemacios

Quanto maior a rea do ciclo de histerese demagnetizao mais duro magneticamente o material

Os materiaismagneticamente maciosutilizam-se sobretudo emaplicaes onde existamcampos magneticosalternados e as perdas deenergia devem serminimizadas. Os materiaismagneticamente durosutilizam-se em manespermanentes.

Hc: campo coercivoBs: campo remanescente

Aplicaes

manespermanentes(materiaismagneticamente duros)

(campanhas,altifalantes, rels,rotores em motoreselctricos, etc.)

Aplicaes

Transformadores: o material est sujeito a campos magnticos eelctricos alternados: deve ser magneticamente macio.

Aplicaes

Armazenamento de informao magntica.

Os dois principais requisitos que um material deve ter para poder ser utilizado como armazm deinformao magntica ter um elevado Br e um pequeno Hc.Porqu? Para poder reter a magnetizao quando o campo aplicado retirado (elevado Br), e parapoder ser magnetizado e desmagnetizado (limpo, reformatado) com facilidade (pequeno Hc).

Imagem por microscopia de fora atmicade uma fita de cassete de video (Cr2O4)

A espessura dos domniosmagnticos cerca de 400 nm, ouseja 4x10-7 m, ou seja 40 milhes decaracteres por metro...

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