Trabalho Propriedades Magnéticas

Trabalho Propriedades Magnéticas

UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ

ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA

PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS

Ana Luiza Doering

Danielle de Paula Mauro

Priscila Nicolotti

Itajaí

14 de outubro de 2010

Introdução

Magnetismo é a parte da Física que estuda os materiais magnéticos, ou seja, que estuda materiais capazes de atrair ou repelir outros que ocorre com materiais eletricamente carregados.

A primeira referência conhecida sobre uma substância capaz de atrair outras é a de Tales de Mileto. Em uma de suas viagens a Ásia (na época província da Grécia) para Magnésia (nome da região da Ásia) constatou que pequenas pedrinas estavam sendo atraídas na ponta de ferro do seu cajado. Então estudou tal fenômeno e descobriu o magnetismo e a eletricidade.

A maneira para determinar se um material é magnético ou não é colocá-lo sobre a influência de um campo magnético (campo criado pelo movimento de cargas elétricas). Se aparecerem forças ou torques, se trata de uma substância magnética. Isso é verdadeiro para todas as substâncias, mas em algumas o efeito é bem mais evidenciado, e essas são chamadas de magnéticas

As propriedades magnéticas não estão limitadas unicamente as substâncias ferromagnéticas, elas se apresentam em todas as substâncias, embora em menor escala. Nesta categoria, entram dois tipos de substâncias: as paramagnéticas e as diamagnéticas.

Para classificar as substancias precisamos de conceitos que as definem e assim temos vários como a curva de histerese, o ponto de Curie bem como a permeabilidade magnética.

Este trabalho tem como objetivo o estudo das propriedades magnéticas como um todo abrangendo desde as partes mais básicas da física ate os efeitos que o magnetismo causa aos materiais e como eles são classificados.

Magnetismo

O magnetismo começou a ser descoberto pelo homem ainda na antiguidade, e leva esse nome por causa da região onde foram encontradas pedras que tinham o poder de atrair outras pedras e também pequenos pedaços de um metal, o ferro. Essa região chama-se Magnésia e fica na Ásia menor.

O magnetismo é natural de uma pedra chamada magnetita, hoje mais conhecida como imã. Mas além desta forma espontânea de magnetismo, existe uma outra forma de se gerar um campo magnético. Essa forma é através da corrente elétrica.

Propriedades Magnéticas dos Materiais

O magnetismo é um fenômeno pelo qual os materiais exercem forças (de atração e repulsão) uns sobre os outros, contudo, a maioria dos elementos e materiais não exibe essa propriedade. O ferro, alguns aços e a magnetita, compostos intermetálicos de samário e cobalto, assim como ligas de neodímio, ferro e boro são exemplos de materiais comuns que apresentam magnetismo.

Muitos dos equipamentos e dispositivos modernos dependem do magnetismo e dos materiais magnéticos: geradores e transformadores de eletricidade, motores elétricos, rádio, televisão, telefone e computadores.

Conceitos Básicos

  • Forças magnéticas aparecem quando partículas eletricamente carregadas (não neutras) se movimentam.

  • As linhas de força saem do pólo norte em direção ao pólo sul.

  • Os dipolos magnéticos são análogos aos dipolos elétricos e podem ser imaginados como pequenas barras compostas de pólo norte e sul.

  • O momento magnético é um vetor, que em presença de um campo magnético, relaciona-se com o torque de alienação de ambos os vetores no ponto no qual se situa o elemento. O vetor de campo magnético a utilizar-se é o B (tesla).

  • Um campo magnético H é gerado pela passagem de uma corrente i por uma espira cilíndrica de comprimento l e contendo N voltas. O campo magnético é medido em termos de fluxo magnético no vácuo Bº (Wb/m²).

Vários parâmetros podem ser utilizados para descrever as propriedades magnéticas de um material.

Permeabilidade magnética (μ)

Está relacionada com a intensidade de magnetização, esta varia em função da intensidade do campo aplicado. As permeabilidades medem a facilidade com que um campo magnético B pode ser introduzido em um material sob ação de um campo externo H.

μ=TgθB/H é dada em Gauss/Oersted

Permeabilidade magnética relativa (μr) de alguns materiais

Ferro “puro” (0,1% de impurezas)

0,5 10³

Aço ao silício (4,25% Si)

1,5 10³

Aço ao silício (3,25% Si) com grãos orientados (textura)

2,0 10³

“Supermalloy” (79%Ni; 16%Fe; 5%Mo)

1,0 104

Ferrita cerâmica ( Mn, Zn) Fe2O4

1,5 10³

Ferrita cerâmica (Ni, Zn) Fe2O4

0,3 10³

Domínios magnéticos

São regiões da estrutura do material onde todos os átomos cooperam magneticamente, ou seja, são as zonas de magnetização espontânea.

Quando um campo magnético é aplicado os domínios magnéticos tendem a se alinhar com o campo e, então, o material exibe propriedades magnéticas.

Os domínios de uma substância ferromagnética desmagnetizadasão polarizados ao longo do eixo do cristal. Os sinais de ponto ex representam setas saindo e entrando no monitor, respectivamente.

Foto micrográficas de domínios magnéticos (Bell Telephone Laboratories).

Ponto de Curie

Um íman, quando aquecido, perde as suas propriedades magnéticas pois o calor provoca um desarranjo na disposição das suas partículas. Como consequência, acima de uma determinada temperatura os condutores perdem suas propriedades magnéticas. Esta temperatura, que é constante para cada substância, é denominada Temperatura de Curie ou Ponto de Curie. Nesta temperatura os materiais perdem suas propriedades ferromagnéticas. Esta transição é reversível através do resfriamento do material.

Temperatura de Curie em alguns materiais

Ferro

770º

Cobalto

1075º

Níquel

365º

Gadolíneo

15º

Na analogia aos materiais ferromagnéticos, a temperatura de curie é usada também em materiais piezoelétricos, onde o material perde sua polarização espontânea e características piezoelétricas acima da temperatura de Curie. No "Titano-zirconato de chumbo" (PZT), o material é tetraédrico abaixo da temperatura de Curie e passa a ser cúbico acima desta temperatura, além disso, não resta nenhum momento de dipolo líquido e nenhuma polarização espontânea acima da temperatura Curie.

A temperatura de Curie também é utilizada para o estudo do paleo-magnetismo terrestre e a desmagnetização de materiais.

Magnetização versus Temperatura

As características magnéticas dos materiais estão associadas a outras grandezas físicas mas em especial a temperatura.

Todos os elementos quando transformados em ímãs alcançam a chamada Temperatura de Curie pois o aquecimento faz com que suas partículas se desarrangem e a substância perca suas propriedades magnéticas. Abaixo alguns exemplos destes pontos críticos de temperatura, lembrando que o estado é reversível apenas resfriando o material.

 Ferro - 770ºC

 Níquel - 365ºC

Curva de magnetização ou histerese

A histerese é a tendência de um material ou sistema de conservar suas propriedades na ausência de um estímulo que as gerou.

Quando o campo magnético aplicado em um material ferromagnético for aumentado até a saturação e em seguida for diminuído, a densidade de fluxo B não diminui tão rapidamente quanto o campo H. Dessa forma quando H chega a zero, ainda existe uma densidade de fluxo remanescente, Br. Para que B chegue a zero, é necessário aplicar um campo negativo, chamado de força coercitiva. Se H continuar aumentando no sentido negativo, o material é magnetizado com polaridade oposta. Desse modo, a magnetização inicialmente será fácil, até quando se aproxima da saturação, passando a ser difícil. A redução do campo novamente a zero deixa uma densidade de fluxo remanescente, -Br, e, para reduzir B a zero, deve-se aplicar uma força coercitiva no sentido positivo. Aumentando-se mais ainda o campo, o material fica novamente saturado, com a polaridade inicial.

Esse fenômeno que causa o atraso entre densidade de fluxo e campo magnético é chamado de histerese magnética, enquanto que o ciclo traçado pela curva de magnetização é chamado de ciclo de histerese.

Alguns exemplos de campos magnéticos alternados são, transmissor de rádio, o resultante de uma corrente alternada, e todos os equipamentos que utilizam essa corrente para aumento do fluxo magnético.

Fatores que aumentam a perda por histerese

 Ferro e aço submetidos a tratamento a frio.

 Adição de carbono na fabricação de aço.

 Imperfeições ou impurezas dos materiais.

Uma família de curvas de histerese medida com uma densidade de fluxo modulada sinusoidalmente com frequência de 50 Hz e campo magnético variaável de 0,3 T a 1,7 T.B = Densidade de fluxo magnéticoH = Campo magnéticoBR = RemanênciaHC = Coercividade

Comportamento magnético dos materiais

Os efeitos magnéticos nos materiais originam-se nas minúsculas correntes elétricas associadas ou a elétrons em órbitas atômicas ou a spins de elétrons. Podemos classificar os materiais quanto ao seu comportamento magnético em diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, antiferromagnéticos e ferrimagnéticos.

Diamagnetismo

É uma forma muito fraca de magnetismo, que só persiste enquanto um campo magnético externo estiver aplicado. Na ausência de campo externo, os átomos de um material diamagnético têm momento nulo.A magnitude do momento magnético induzido pelo campo externo é extremamente pequena e sua direção é oposta à direção do campo aplicado.

Todos os materiais têm diamagnetismo, mas ele é tão fraco que só pode ser observado em materiais que não apresentam outro tipo de magnetismo.

Esta forma de magnetismo não tem importância prática, pode ser observado em numerosos materiais tais como gases inertes, muitos metais, elementos não metálicos muitos íons e seus sais, moléculas diatômicas, compostos orgânicos e água.

Paramagnetismo

Nos materiais paramagnéticos, os átomos individuais possuem momentos magnéticos, mas suas orientações ao acaso resultam em magnetização nula para um grupo de átomos.

Os dipolos podem ser alinhados na direção do campo aplicado, é uma forma muito fraca de magnetismo e não tem aplicação prática, pode ser observado em materiais como: alguns metais, alguns gases diatômicos, íons de metais de transição, terras raras e seus sais e óxidos de terras raras.

Ferromagnetismo

É a propriedade de concentrar as linhas de força magnética, caracterizada pela permeabilidade magnética. É o ordenamento magnético de todos os momentos magnéticos de uma amostra, na mesma direção e sentido.Aplicando um campo magnético nessa amostra, os domínios se orientam no mesmo sentido e a amostra passa a ter uma magnetização não nula.Mesmo que o campo externo seja desligado, a amostra ainda assim apresentará uma magnetização não nula.

Os principais exemplos de materiais ferromagnéticos são: ferro α (CCC), cobalto, níquel e gadolíneo, algumas ligas e compostos de manganês.

Materiais ferromagnéticos podem apresentar valores de susceptibilidade magnéticas tão altos quanto 106, apresentam temperatura de Curie acima da qual perdem o ferromagnetismo e tornam-se paramagnéticos. A susceptibilidade magnética dos materiais ferromagnéticos diminui com o aumento da temperatura.

Ferrimagnetismo

O ferrimagnetismo é um fenômeno físico no que se produz o ordenamento magnético de todos os momentos magnéticos de maneira que não todos os momentos de uma amostra estão alinhados na mesma direção sentido. Alguns deles estão opostos e se anulam entre si, no entanto, estes momentos que se anulam estão distribuídos aleatoriamente e não conseguem anular por completo a magnetização espontânea.

Também apresenta, como o ferromagnetismo, magnetizações de saturação, ainda que não em valores tão altos.Outra similaridade é que acima da temperatura de Curie se perde p ferrimagnetismo e o material passa a ser paramagnético.

As características macroscópicas do ferromagnetismo e do ferrimagnetismo são similares as diferenças encontram-se na origem do momento magnético.

Antiferromagnetismo

É o ordenamento magnético de todos os momentos magnéticos de uma amostra, na mesma direção mas em sentido inverso.

Vários compostos de metais de transição apresentam comportamento antiferromagnético: MnO, Coo, NiO, MnS, MnSe, Cr2O3, CuCl2.

Classificação das ligas magnéticas

A classificação é feita de acordo com a forma da curva de histerese. O nome está relacionado com as propriedades mecânicas/metalúrgicas da liga:

Ligas magnéticas duras

Caracterizam-se pelo alto valor de Hc e alto Br, são ligas endurecidas com estruturas desequilibradas, dispersas e são utilizadas na fabricação de imãs permanentes.

Um magneto duro ou permanente tem sua magnetização durante a fabricação e deve retê-la depois que o campo de magnetização (forte) é removido, possuem alta resistência à desmagnetização.

Refrigeradores e fones de ouvido necessitam de metais magnéticos duros, tais como ferritas, cerâmicas, SmCo5, Sm2Co17 e NdFeB. A maioria dos materiais magnéticos duros é constituída de ferromagnéticos.

Ligas magnéticas macias

Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de histerese e baixo Br, são ligas organizadas geralmente metais puros com boa qualidade estrutural, são empregados como ligas a serem submetidas à magnetização alternada.

Um material magnético mole opera na presença de um campo magnético, este comportamento é útil e aplicações que envolvem mudanças contínuas na direção de magnetização. Geradores, motores elétricos e transformadores têm eficiência maior se a magnetização não permanece depois que o campo cai a zero.

Para estas aplicações são necessários materiais magnéticos moles de baixa remanência, tais como ferro puro, aço ao silício, supermalloy e ferritas cúbicas do tipo espinélio.

Conclusão

A maioria dos elementos e materiais não exibem propriedades magnéticas. Alguns dos que exibem propriedades magnéticas são: Ferro, Níquel, Gadolíneo, algumas ligas (SmCo5, Nd2Fe14B,...)

Ferromagnetismo é a propriedade de concentrar as linhas de força magnética, caracterizada pela permeabilidade magnética.

Permeabilidade magnética esta relacionada com a intensidade de magnetização, e a intensidade de magnetização varia em função da intensidade do campo aplicado.

A classificação é feita de acordo com a forma da curva de histerese, o nome esta relacionado com as propriedades mecânicas da liga, seja ela, ligas magnéticas duras ou moles.

Ligas magnéticas duras se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto de Br, são ligas endurecidas com estruturas desequilibradas, dispersas; e são utilizadas na fabricação de imãs permanentes.

Ligas magnéticas moles apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de histerese e baixo Br, são ligas organizadas ; são empregadas como ligas a serem submetidas a magnetização alternada (núcleos de transformadores).

Referências

  • HISTERESE.Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Histerese Acesso em: 12 de outubro de 2010.

  • PERDAS MAGNETICAS.J.V.Filardo,UFPR.Disponível em: http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/JulianoFilardo.pdf Acesso em 12 de outubro de 2010.

  • FERRIMAGNETISMO.Disponível em: http://pt.wikilingue.com/es/Ferrimagnetismo Acesso em: 12 de outubro de 2010.

  • ANTIFERROMAGNETISMO.Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Antiferromagnetismo Acesso em: 12 de outubro de 2010.

  • MOMENTO MAGNÉTICO.Disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Momento_magn%C3%A9tico Acesso em: 12 de outubro de 2010.

  • 11-PROPRIEDADES ELÉTRICAS,TÉRMICAS,ÓPTICAS E MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS.Disponível em: http://www.em.pucrs.br/~eleani/Protegidos/11-%20propriedades_eletricas_oticas_termicas_magneticas.ppt#256,1,11-PROPRIEDADES ELÉTRICAS, TÉRMICAS, ÓPTICAS E MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS Acesso em: 12 de outubro de 2010.

  • PADILHA,Ângelo Fernando. Materiais de engenharia : microestrutura e propriedades. São Paulo, SP : Hemus,1997

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