propriedades magnéticas dos materiais

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Propriedades magnéticas dos materiais R. P. de Melo Jr novembro - 2006 Introdução à Ciência dos Materiais Seminários

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Palestra sobre propriedades magnéticas de materiais, com algumas aplicações.

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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 de uma espira de corrente e de um ímã→

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

ferromagnetismo

Materiais magneticamente “duros” ou “moles”

ferromagnetismo

Desmagnetização

Ciclos sucessivos

Aumento da Temperatura

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

ferrimagnetismo

Materiais ferrimagnéticos (Ferrites)

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

−=∆=

aplicações

Materiais magnéticosde ImportânciaTecnológica

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.

informações adicionais