propriedades magnéticas dos materiais

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Palestra sobre propriedades magnéticas de materiais, com algumas aplicações.

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Introduo Cincia dos Materiais Seminrios

Propriedades magnticas dos materiaisR. P. de Melo Jr novembro - 2006

sumrio Introduo Origem das propriedades magnticas Tipos de magnetismo e Materiais magnticos Aplicaes Concluso e bibliografia

introduoO tomo O comportamento magntico da matria um fenmeno intrnseco aos tomos A matria est em movimento, no esttica. Campos magnticos influenciam e so influenciados por ims e correntes eltricas

origem do comportamento magntico da matriaCarga eltrica em movimento gera campo magntico. tomos = ncleo + eltrons

gira em torno de si mesmo ( mN ) momento magntico nuclear

gira em torno do ncleo ( mL ) momento magntico orbital

gira em torno si mesmo ( mS ) momento magntico de spin

tomos (ou ons) isoladosMomento magntico orbital:m r

ev 1 mL = r = 2 evr 2r 2

L

mS

Momento Magntico Total do tomo ( J )

J = L + S,

onde L = m L e S = m Si i

B = 9,274 10 24 J / T magneton de Bohr

OBS: o momento magntico nuclear irrelevante para a determinao do momento total, pois aproximadamente 1836 vezes menos intenso que os outros momentos, devido diferena de massa entre o eltron e o prton.

J e os nveis de energia atmicosRegras de HundNveis Camada n (n de ena camada) n5 3d2S+1

Valor de L n(5-n)/2(n-5)(10-n)/2

Valor de S

LJ4f

n6 n7 n8

S = (nup ndown) n(7-n)/2(n-7)(14-n)/2

comportamento magntico dos elementos qumicosEm geral: O elemento (tomo ou on) deve apresentar subcamadas incompletas (de acordo com o Princpio de Distribuio de Pauli). A propriedade de aceitar ou doar eltrons importante. Gases nobres no devem apresentar comportamento magntico.

comportamento magntico dos elementos qumicosMetais de Transio:

1s a 3p 3d 4s2

Ratmico (nm) 0,124 0,125 0,125

Rinico (nm) 0,087 0,082 0,078

Distrib eletrnica do on (sub camada 3d)

Fe Completas Co Completas Ni Completas

6 7 8

2 2 2

comportamento magntico dos elementos qumicosDentro do Cristal Metlico (muitos tomos):Nveis 3d Ferro5

D0 D1 D2 D3 D4

Teoria do Campo Cristalino

5 5 5

Nveis abaixo da BV, Mantm o comportamento magntico no cristal.

5

tipos de magnetismoVetor induo magntica B de uma espira de corrente e de um m

tipos de magnetismoVetor induo magntica B no interior de um material magntico devido a um campo externo H.M = magnetizao (momento magntico por unidade de volume) M = H = susceptibilidade magntica do material = permeabilidade magntica do meio = 0 ( 1 + ) r = / 0 : permeabilidade relativa 0 = 4p x 10-7 henry/m

tipos de magnetismoDiamagnetismo e ParamagnetismoSubst Paramag 2,3 X 10-5 1,9 X 10-5 2,4 X 10-4 2,1 X 10-5 1,2 X 10-5 2,6 X 10-4 2,1 X 10-6 2,9 X 10-4 6,8 X 10-5 Subst Diamag Bi CuDiamante

-1,66 X 10-5 -9,8 X 10-6 -2,2 X 10-5 -3,6 X 10-5 -1,7 X 10-5 -2,9 X 10-5 -5,0 X 10-9 -2,6 X 10-5 -4,2 X 10-6

B

paramagntico

Al Ca Cr Li Mg Nb O Pl W

(1,00 1,01) 0 0,9995 0 diamagntico

Au Pb Hg N Ag Si

H

diamagnetismoComportamento de um substncia Diamagntica na presena de um campo magntico externo: induo de momentos magnticos CONTRRIOS; campo induzido fraco; Fmag = - e v X H o material repelido por ms.1 1 H 2 v F 1 1 2 H = 0 B 0; B=-H 2 v H F

2 H=0B=0

diamagnetismoEfeito Meissner: Certos tipos de superconductores exibem diamagnetismo perfeito, ou seja, o campo totalmente expulso do interior do supercondutor de forma que o campo interno nulo.m permanente levita acima de um disco de cermica supercondutora YBa2Cu3O7 resfriada temperatura de nitrognio lquido (77 K).

paramagnetismoMateriais paramagnticos: possuem momentos magnticos; M = 0 quando H =0; |M| 10-5 |H| fraca magnetizao - alinhamento compete com movimento aleatrio dos tomos devido agitao trmica!

Lei de Currie:Substncia Ferro TCurrie (K) 1043 1394 631 317 893

H M =C T

Cobalto Niquel Gadolinio Fe2O3

ferromagnetismoMateriais ferromagnticos (METAIS) apresentam domnios magnticos vol tpicos: 10-6 a 10-2 cm3, contm aproximadamente 1017 a 1021 tomos. resposta muito forte ao campo externo; alinhamento dos dipolos supera agitao trmica; quando H aumenta, M aumenta; Mmx = Ms = H;

H= 0

Domnios magnticos Paredes dos domnios magnticos

ferromagnetismoCurva de magnetizao de material ferroeltrico Campo de saturao |Ba| = |Bd| = Bs Campo remanescente |Bb| = |Be| = Br Campo coercivo |Hc| = |Hf| = Hc

ferromagnetismoCiclo de Histerese

O crescimento dos domnios se d pelas interaes de troca entre os spins dos eltrons de tomos vizinhos.

ferromagnetismoAnel de Rowland:Determinao das propriedades ferromagnticas dos materiais Procedimento: Enrolament o primrio 1. Sem o material; 2. Com o material, aumenta i1 no enrolamento primrio e l Material i2 em G; ferromagntico 3. Compara etapas 1 e 2. Enrolament o secundrio

B BA B i2 2 = = = A t t t

ferromagnetismoMateriais magneticamente duros ou moles

ferromagnetismoDesmagnetiza o

Ciclos sucessivos

Aumento da Temperatura

ferrimagnetismoMateriais ferrimagnticos (CERMICAS) estrutura cristalina apresenta certo grau de spins antiparalelos: subredes possuem diferentes MsR, Ms menor que nos metais: Ms = MsR1 + (- MsR2); estrutura tpica o espinlio como o MgAl2O4; materiais tpicos so as ferrites (cermicas de xidos de ferro) e granadas ; Ferrites: MFe2O4, com M = Fe2+, Mn2+, Cu2+ e Mg2+ granadas: M3Fe5O12, M = Terra Rara (YIG) bons isolantes eltricos.

espinlio

ferrimagnetismoMateriais ferrimagnticos (Ferrites)

aplicaesGravao magntica fitas de audio, VCRs, disquetes e discos rgidos para computadores, cartes de crdito.

aplicaesGravao magntica Tipos de mdia: Particulados: ferrite -Fe2O3 ou CrO2 Fixados sobre polmeros (epoxi) Bs : entre 0,4 e 0,6 tesla Estrutura multi-camadas (100 a 500 ) sobre substrato de uma liga de Cromo Filme policristalino com tamanho de gros da ordem de 100 a 300 Bs : entre 0,6 e 1,2 tesla Hc : entre 1,5 x 105 to 2,5 x 105 A/m

Filmes finos: ligas CoPtCr or CoCrTa

Cada agulha um domnio que orientado pela cabea de gravao, servindo como bits 0 ou 1. (1.5 x 105 bit/mm2)

Cada gro um domnio que orientado pela cabea de gravao, servindo como bits 0 ou 1. (3 x 106 bit/mm2)

aplicaes adaptadores AC, telefones celulares, ferramentas de potncia: funcionam com campos alternados e por isso devem ser fabricados com substncias ferromagnticas moles, para reduzir as perdas de energia (por aumento da temperatura) nos ciclos de histerese. sensores de deformao: materiais magnetoestritivo Tb0,3Dy0,7Fe2 sensores pticos: material magnetoptico sensores eltricos: material que apresenta magnetorresistncia (100 a 1000% para H da ordem de 1,6 x 103 kA/m) La1-xCaxMnO3 MR = R R ( H ) R ( 0 ) = R R ( 0)

aplicaesMateriais magnticos de Importncia Tecnolgica

concluses As propriedades magnticas da matria so devidas ao movimento relativo dos eltrons; Todos os elementos qumicos tm momentos magnticos; Os elementos qumicos que possuem camadas eletrnicas completas ficam magneticamente blindados; Metais de transio cujos nveis de energia esto abaixo da banda de conduo, como Fe, Ni e Co, mantm suas propriedades magnticas mesmo nos slidos; Existem vrios tipos de magnetismo: Diamagnetismo Paramagnetismo Ferromagnetismo Ferrimagnetismo

A aplicao mais conhecida para os materiais magnticos a gravao magntica e a mais importante (atualmente) a realizao de ensaios no destrutivos, com a utilizao de sensores.

bibliografia Halliday, Resnick e Walker, Fundaments of Physics. Callister, Fundamentals of Materials Science and Engineering, 5. ed Gersten, J.I. e Smith, F.W., The Physics and Chemistry of Materials, Ed. Jonh Wiley & Sons, New York, 2001.

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