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Propriedades Magnéticas dos Materiais . Os “materiais magnéticos” são utilizados em inúmeras aplicações: • motores eléctricos, • geradores •armazenamento de informação (quer como suporte da informação (fitas magnéticas, discos de computador, etc.), quer como ferramentas de gravação ou leitura da informação armazenada em bandas magnéticas.) Iremos tentar perceber um pouco da física do comportamento magnético de materiais.

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Propriedades Magnéticas dos Materiais

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Os “materiais magnéticos” são utilizados em inúmeras aplicações:

• motores eléctricos,• geradores•armazenamento de informação(quer como suporte da informação (fitas magnéticas, discos decomputador, etc.), quer como ferramentas de gravação ou leitura dainformação armazenada em bandas magnéticas.)

Iremos tentar perceber um pouco dafísica do comportamento magnético demateriais.

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Propriedades Magnéticas dosMateriais

O movimento de uma carga eléctrica resulta na criação de um campomagnético. Um enrolamento de fio condutor (solenóide), com nespiras, atravessado por uma corrente i origina um campomagnético, H, dado por:

!

r H =

0.4"ni

l

r e

z

ez

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

!

r B = µ

0

r H em que µo é a

permeabilidade magnéticano vazio

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Aumento do campo de indução

Se existir, por exemplo uma barra de ferro no interior do solenóidecampo de indução, B, aumenta. Porquê ?

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

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O Campo de Magnetização

Quando um material é submetido a um campo magnético H(campo aplicado), é originado um campo de magnetização domaterial, M.

O campo de indução magnética gerado, B, é proporcional àsoma de H e M.

O factor de proporcionalidade é a permeabilidade magnética novazio.

( )MHB

rrr+=

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A susceptibiliade magnética

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

χ designa-se por susceptibiliade magnética do material.

A susceptibilidade magnética permite classificar os materiais emtermos das suas propriedades magnéticas.

!

r M = "

r H

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Classificação dos materiais em termos depropriedades magnéticas

Materiais diamagnéticos (Ex. Zn Cd Cu, Ag, Sn) – pequenos valores negativos deχ (ou seja, o campo de magnetização opôe-se ao campo aplicado e desaparecequando de retira o campo aplicado)

Materiais Paramagnéticos (ex. Al, Ca, Pt, Ti) – pequenos valores positivos de χ (ocampo de magnetização desaparece quando de retira o campo aplicado)

Materiais Ferromagneticos (o Fe, o Ni e o Co) - χ é grande (>1). O campo demagnetização mantém-se quando se remove o campo aplicado.

Materiais Antiferromagnéticos (Mn, Cr) - χ=0. Os dipolos magnéticos alinham-seantipararlelamente.

Materiais Ferrimagnéticos (ferrites, magnetites, em geral óxidos metálicos) – osiões têm dipolos magnéticos de intensidade diferente. Logo existe sempre ummomento resultante.

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Porquê estes comportamentos diferentes ?

A base física para as propriedades magnéticas dos materiaisresulta do movimento dos electrões.Quer o movimento orbital em torno do núcleo quer omovimento de rotação (spin).

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Diamagnetismo eParamagnetismo

Quer o diamagnetismo quer oparamagnetismo são formas fracas deinteração entre os sólidos e um campomagnético aplicado.

O diamagnetismo (χ <0) énormalmente observado em sólidoscujos átomos apresentam camadaseléctrónicas totalmente preenchidas.

O paramagnetismo (χ >0)normalmente aparece associado aátomos com electrõesdesemparelhados na última camada.

O movimento orbital dos e- resulta semprenuma contribuição diamagnética, enquantoque o spin pode resultar numa contribuiçãoparamagnética.

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Domínios Magnéticos

De modo a minimizar a sua energia magnetostática (associada ao fecho das linhas decampo), os dipolos formam domínios magnéticos de dimensões relativamentereduzidas (por vezes submicrométricas).Os domínios estão separados por limites de domínio designados por paredes deBloch.

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Domínios Magnéticos

Quando expostos a um campo aplicado externo, os domínios tendem a alinhar-sesegundo a direcção do campo aplicado, à custa do crecimento dos dominios comorientações favoráveis (b) ou da reorientação dos dipolos (c).

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Domínios Magnéticos

Imagem dos domíniosmagnéticos numa liga YFe11-xTixObtida por microscopia de forçaatómica.

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

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

A

B

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Antiferromagnetismo e Ferrimagnetismo

O antiferromagnetismo é exibido por alguns materiais e resulta doalinhamento em sentidos opostos dos dipolos magnéticos. Como resultadoos materiais antiferromagnéticos apresentam χ=0. Exemplos de materiaisantiferromagnéticos: Mn e Cr.

O ferrimagnetismo surge em alguns materiais cerâmicos em que os iões têmdiferentes momentos magnéticos. Como tal há um momento magnéticosresultante. Os materiais ferrimagnéticos naturais são conhecidosgenericamente por ferrites, sendo a magnetite Fe3O4, a mais conhecida , umavez que é um mineral nativo em muitas regiões do planeta.

As ferrites, em geral, têmbaixas condutividadeseléctricas e por isso têmalgumas aplicações emelectrónica:transformadores, indutoresde alta frequência, cabeçasde gravação magnética, etc.

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Ferromagnetismo

Os sólidos ferromagnéticos são aqueles que apresentam χ>>1.

São materiais que apresentam uma forte interação entre os dipolos magnéticos locais (domíniosmagnéticos) associados a spins desemparelhados dos electrões.Ou seja, os dominíos magnéticos locais permanecem após a remoção do campo aplicadodaí resultando que o campo de magnetização permanece após a remoção do campoaplicado.

As flutuações de origem térmica tendema desalinhar aleatoriamente estesdomínios magnéticos, enfraquecendo asua interacção e, como tal os materiaisferromagnéticos só o são abaixo deuma determinada temperatura críticadesignada por Temperatura de Curie.Existe um valor máximo de M,designado por magnetização desaturação

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Ferromagnetismo

Os principais materiais ferromagnéticos à temperaturaambiente com aplicações em engenharia são:

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

Os metais de transição Dy, Gd, Tb, Ho também sãoferromagnéticos à temperatura ambiente.

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Curvas de magnetização:

histerese, materiais magneticamente duros e magneticamentemacios

Quanto maior é a área do ciclo de histerese demagnetização mais “duro magneticamente” é o material

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

Hc: campo coercivoBs: campo remanescente

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Aplicações

Ímanespermanentes(materiaismagneticamente duros)

(campaínhas,altifalantes, relés,rotores em motoreseléctricos, etc.)

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Aplicações

Transformadores: o material está sujeito a campos magnéticos eeléctricos alternados: deve ser magneticamente macio.

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Aplicações

Armazenamento de informação magnética.

Os dois principais requisitos que um material deve ter para poder ser utilizado como “armazém” deinformação magnética é ter um elevado Br e um pequeno Hc.Porquê? Para poder reter a magnetização quando o campo aplicado é retirado (elevado Br), e parapoder ser magnetizado e desmagnetizado (limpo, reformatado) com facilidade (pequeno Hc).

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Imagem por microscopia de força atómicade uma fita de cassete de video (Cr2O4)

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