propriedades magnéticas dos materiais
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Palestra sobre propriedades magnéticas de materiais, com algumas aplicações.TRANSCRIPT
Propriedades magnéticas dos materiais
R. P. de Melo Jrnovembro - 2006
Introdução à Ciência dos MateriaisSeminários
sumário
• Introdução
• Origem das propriedades magnéticas
• Tipos de magnetismo e Materiais magnéticos
• Aplicações
• Conclusão e bibliografia
introdução
• O comportamento magnético da matéria é um fenômeno intrínseco aos átomos
• A matéria está em movimento, não é estática.
• Campos magnéticos influenciam e são influenciados por imãs e correntes elétricas
O átomo
origem do comportamento magnético da matéria
Carga elétrica em movimento gera campo magnético.
Átomos = núcleo + elétrons
gira em torno de si mesmo
gira em torno do núcleo
gira em torno si mesmo
( mN )momento magnético
nuclear
( mL )
momento magnético
orbital
( mS )
momento magnético de
spin
átomos (ou íons) isolados
Momento magnético orbital:
Momento Magnético Total do átomo ( J )
evrr
evrmL 2
12
2=
=
ππ
OBS: o momento magnético nuclear é irrelevante para a determinação do momento total, pois é aproximadamente 1836 vezes menos intenso que os outros momentos, devido à diferença de massa entre o elétron e o próton.
mL
r
∑∑ ==+=i
Si
L mSm L onde ,S L J
e
mS
Bohr demagneton
/10274,9 24 TJB−×=µ
J e os níveis de energia atômicosRegras de Hund
Níveis Camadan (nº de e-
na camada) Valor de L Valor de S
2S+1LJ
3dn≤5 n(5-n)/2
S = ½ (nup – ndown)n≥6 (n-5)(10-n)/2
4fn≤7 n(7-n)/2
n≥8 (n-7)(14-n)/2
comportamento magnético dos elementos químicos
Em geral:
• O elemento (átomo ou íon) deve apresentar subcamadas incompletas (de acordo com o Princípio de Distribuição de Pauli).
• A propriedade de aceitar ou doar elétrons é importante.
• Gases nobres não devem apresentar comportamento magnético.
comportamento magnético dos elementos químicos
Metais de Transição:
1s2 a 3p 3d 4sRatômico
(nm)Riônico
(nm)Distrib eletrônica do íon
(sub camada 3d)
Fe Completas 6 2 0,124 0,087
Co Completas 7 2 0,125 0,082
Ni Completas 8 2 0,125 0,078
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑
comportamento magnético dos elementos químicos
Dentro do Cristal Metálico (muitos átomos):
Teoria do Campo Cristalino
Níveis 3dFerro
• Níveis abaixo da BV,• Mantêm o comportamento magnético no cristal.
5D4
5D3
5D2
5D1
5D0
tipos de magnetismo
Vetor indução magnética B no interior de um material magnéticodevido a um campo externo H.
→
→
→ →
M = magnetização(momento magnético por unidade de volume)
M = χ H
χ = susceptibilidade magnética do material
µ = permeabilidade magnética do meio
µ = µ0 ( 1 + χ )
µr = µ / µ0 : permeabilidade relativa
µ0 = 4p x 10-7 henry/m
→
tipos de magnetismo
Diamagnetismo e Paramagnetismo
H
B
µ ≈ 0,9995 µ0
diamagnético
paramagnéticoµ ≈ (1,00 → 1,01) µ0
Subst Paramag χ Subst
Diamag χ
Al 2,3 X 10-5 Bi -1,66 X 10-5
Ca 1,9 X 10-5 Cu -9,8 X 10-6
Cr 2,4 X 10-4 Diamante -2,2 X 10-5
Li 2,1 X 10-5 Au -3,6 X 10-5
Mg 1,2 X 10-5 Pb -1,7 X 10-5
Nb 2,6 X 10-4 Hg -2,9 X 10-5
O 2,1 X 10-6 N -5,0 X 10-9
Pl 2,9 X 10-4 Ag -2,6 X 10-5
W 6,8 X 10-5 Si -4,2 X 10-6
diamagnetismo
Comportamento de um substância Diamagnética na presença de um campo magnético externo:
• indução de momentos magnéticos CONTRÁRIOS;• campo induzido é “fraco”;• o material é repelido por ímãs.
µ1
µ2
1
2
H = 0 → B = 0→→
H = 0 → B ≠ 0;
B = - µ H
→→
→
Fmag = - e v X H→→ →
1
2
µ1
µ2→
→H
→v
F→
→H
→v
F
diamagnetismo
Efeito Meissner: Certos tipos de superconductoresexibem diamagnetismo perfeito, ou seja, o campo é totalmente expulso do interior do supercondutor de forma que o campo interno é nulo.
Ímã permanente levita acima de um disco de cerâmica supercondutoraYBa2Cu3O7 resfriada à temperatura de nitrogênio líquido (77 K).
paramagnetismo
T
HCM =
Substância TCurrie (K)
Ferro 1043
Cobalto 1394
Niquel 631
Gadolinio 317
Fe2O3 893
Materiais paramagnéticos:• possuem momentos magnéticos;
• M = 0 quando H =0;
• |M| ≈ 10-5 |H| → fraca magnetização
- alinhamento compete com movimento aleatório dos átomos devido à
agitação térmica!
• Lei de Currie:
→ →
→ →
ferromagnetismo
Materiais ferromagnéticos (METAIS)
• apresentam “domínios magnéticos” vol típicos: 10-6 a 10-2 cm3,contêm aproximadamente 1017 a 1021 átomos.
• resposta muito “forte” ao campo externo;• alinhamento dos dipolos supera agitação térmica;• quando H aumenta, M aumenta;• Mmáx = Ms = χ H;
→H = 0
Domínios magnéticos
Paredes dos domínios magnéticos
ferromagnetismo
Curva de magnetização de material ferroelétrico
• Campo de saturação
|Ba| = |Bd| = Bs
• Campo remanescente|Bb| = |Be| = Br
• Campo coercivo
|Hc| = |Hf| = Hc
ferromagnetismoCiclo de Histerese
O crescimento dos domínios se dá pelas “interações de troca” entre os spins dos elétrons de átomos vizinhos.
ferromagnetismo
Anel de Rowland:Determinação das propriedades ferromagnéticas dos materiais
Enrolamento primário
Enrolamento secundário
Materialferromagnético
Procedimento:
1. Sem o material;
2. Com o material, aumenta i1 no enrolamento primário e lê i2 em G;
3. Compara etapas 1 e 2.
t
BA
t
BA
ti B
∂∂−=
∂∂−=
∂∂−=∝ φε 22
ferrimagnetismo
Materiais ferrimagnéticos (CERÂMICAS)
• estrutura cristalina apresenta certo grau de spins antiparalelos:
• subredes possuem diferentes MsR,
• Ms é menor que nos metais:
• Ms = MsR1 + (- MsR2);
• estrutura típica é o espinélio como o MgAl2O4;
• materiais típicos são as ferrites (cerâmicas de óxidos de ferro) e granadas ;
• Ferrites: MFe2O4, com M = Fe2+, Mn2+, Cu2+ e
Mg2+
• granadas: M3Fe5O12, M = Terra Rara (YIG)
• bons isolantes elétricos.
espinélio
aplicaçõesGravação magnética• fitas de audio, VCRs, disquetes e discos rígidos para computadores,
cartões de crédito.
aplicaçõesGravação magnética• Tipos de mídia:
– Particulados: ferrite γ-Fe2O3 ou CrO2
• Fixados sobre polímeros (epoxi)
• Bs : entre 0,4 e 0,6 tesla
– Filmes finos: ligas CoPtCr or CoCrTa• Estrutura multi-camadas (100 a 500 Å) sobre
substrato de uma liga de Cromo
• Filme policristalino com tamanho de grãos da ordem de 100 a 300 Å
• Bs : entre 0,6 e 1,2 tesla
• Hc : entre 1,5 x 105 to 2,5 x 105 A/mCada “agulha” é um domínio que é orientado pela cabeça de gravação, servindo como “bits” 0 ou 1.(1.5 x 105 bit/mm2)
Cada “grão” é um domínio que é orientado pela cabeça de gravação, servindo como “bits” 0 ou 1.(3 x 106 bit/mm2)
aplicações• adaptadores AC, telefones celulares,
ferramentas de potência: funcionam com campos alternados e por isso devem ser fabricados com substâncias ferromagnéticas moles, para reduzir as perdas de energia (por aumento da temperatura) nos ciclos de histerese.
• sensores de deformação: materiais “magnetoestritivo” Tb0,3Dy0,7Fe2
• sensores ópticos: material magnetoóptico• sensores elétricos: material que apresenta
magnetorresistência (100 a 1000% para H da ordem de 1,6 x 103 kA/m) La1-xCaxMnO3
)0(
)0()(
R
RHR
R
RMR
−=∆=
conclusões• As propriedades magnéticas da matéria são devidas ao movimento
relativo dos elétrons;• Todos os elementos químicos têm momentos magnéticos;• Os elementos químicos que possuem camadas eletrônicas
completas ficam “magneticamente blindados”;• Metais de transição cujos níveis de energia estão abaixo da banda de
condução, como Fe, Ni e Co, mantêm suas propriedades magnéticas mesmo nos sólidos;
• Existem vários tipos de magnetismo:– Diamagnetismo– Paramagnetismo– Ferromagnetismo– Ferrimagnetismo
• A aplicação mais conhecida para os materiais magnéticos é a gravação magnética e a mais importante (atualmente) é a realização de ensaios não destrutivos, com a utilização 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.