Propriedades Magnéticas dos Materiais

Propriedades Magnéticas dos
Materiais
Eduardo Paranhos
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Introdução
“O magnetismo é um fenômeno pelo qual os materiais exercem forças (de atração e de
repulsão) uns sobre os outros.” (PADILHA, 2000)
É uma definição simples que precisa de algumas observações:
• O estado magnético de um material pode ser alterado de diversas formas;
• Materiais não magnéticos podem se repelir e se atrair;
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Introdução
O magnetismo é conhecido desde milhares de anos pelo homem (magnetita).
Christian Oersted (1820): a passagem de uma corrente elétrica por
um condutor gera um campo magnético que afeta uma agulha
imantada de uma bússola;
Michael Faraday (1831): contribuições teóricas e invenção do
dínamo;
James Clerk Maxwell: formulou as leis atuais do eletromagnetismo
Outros nomes que contribuíram para o desenvolvimento dessa área: Oliver Heaviside,
Hendrik Lorentz e Heinrich Hertz.
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Conceitos Básicos
As forças magnéticas surgem quando as cargas carregadas eletricamente passam a se
movimentar.
As linhas de força saem do polo norte em direção ao polo sul.
O momento magnético de um corpo é a soma dos momentos
magnéticos de cada unidade elementar que o constitui.
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Conceitos Básicos
A densidade de fluxo de um campo magnético é determinado por:
Campo
Magnético
Induzido
Campo
Magnético
Aplicado
Permeabilidade
Magnética
Alguns dos parâmetros que definem as propriedades de um material:
Permeabilidade Magnética Relativa:
• Medem a facilidade com que um campo magnético B pode ser introduzido num material;
Susceptibilidade Magnética:
• Mede capacidade de um material de magnetizar-se.
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Conceitos Básicos
Tabela com valores de permeabilidade magnética relativa.
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Comportamento magnético dos materiais
Os materiais reagem de forma diferente à exposição de um campo magnético, sendo que os
efeitos magnéticos ocorrem:
• Nas minúsculas correntes elétricas associadas;
• Elétrons em órbita atômica;
• Spins de elétrons.
Quanto a classificação dos materiais magnéticos temos:
•
•
•
•
•
Diamagnéticos;
Paramagnéticos;
Ferromagnéticos;
Antiferromagnéticos;
Ferrimagnéticos
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Diamagnetismo
É um magnetismo muito fraco (-10-6 a -10-5), pois precisa de um campo magnético externo
para que os átomos do material possam ter valores de momento.
Todos os materiais tem diamagnetismo, e este só pode
ser observado se não ocorrer outro tipo de magnetismo.
Esse tipo de magnetismo pode ser encontrado em
diversos materiais como gases inertes, metais, não
metais, moléculas diatômicas, compostos orgânicos e
água.
A susceptibilidade magnética dos materiais diamagnéticos não varia com a temperatura, e
não possuem temperatura crítica.
Os materiais supercondutores tem um comportamento diamagnético.
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Paramagnetismo
Esse tipo de magnetismo é muito fraco, assim como o diamagnetismo, apresentando
susceptibilidade magnética entre 10-5 e 10-3
Os valores de susceptibilidade magnética podem variar com a mudança de temperatura.
Constante
Temperatura
Os materiais paramgnéticos possuem em seus
átomos momentos magnéticos, no entanto as
orientações desses momentos tornam o
momento total nulo, ou seja, sem magnetização.
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Ferromagnetismo
Alguns materiais metálicos possuem um momento
magnético mesmo na ausência de campo externo.
Possuem susceptibilidade magnética alta (106), e
diminuem com o aumento da temperatura, dada pela lei
de Curie-Weiss:
θ aprox. θc
Eles possuem uma temperatura crítica chamada temperatura de Curie (θc). Atingida essa
temperatura esses materiais perdem o ferromagnetismo e passam a ter características de
paramagnéticos.
Algumas temperaturas de materiais ferromagnéticos:
• Ferro – 770° C
• Níquel – 358° C
• Cobalto – 1130° C
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Ferrimagnetismo
Alguns materiais ferrimagnéticos apresentam forte magnetização. Embora sejam similares aos
ferromagnéticos macroscopicamente, as origens dos momentos magnéticos os tornam
diferentes.
Eles são chamados de ferritas e são representadas pela
fórmula geral: MFe2O4, em que M pode ser um elemento
metálico.
Eles também apresentam a temperatura de Curie (θc), e
susceptibilidade magnética é semelhante ao dos
ferromagnéticos, bem como o fato de diminuir com o
aumento da temperatura.
θ diferente
de θc
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Antiferromagnetismo
Esse comportamento é apresentado por alguns materiais, sendo o MnO o protótipo.
Nesse tipo de material é observado um momento magnético permanente para os íons de Mn-2
e nulo para os íons de O-2. Mas o arranjo da estrutura forma momentos opostos ou
antiparalelos, e assim o momento final é nulo.
Eles apresentam temperatura crítica chamada de temperatura de Néel (θn), a suas
susceptibilidades magnética são da mesma ordem dos paramagnéticos. E os efeitos magnéticos
diminuem com o aumento da temperatura.
θ diferente
de θn
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Materiais Magnéticos Moles e Duros
As propriedades magnéticas de um material é definido pela sua estrutura eletrônica, estrutura
cristalina e pela sua microestrutura (domínios magnéticos).
Para explicar o fenômeno ferromagnético P. Weiss afirmou que um material ferromagnético é
dividido em regiões, nas quais a magnetização é igual o valor de saturação.
A fronteira (100nm) desses domínios é uma região de transição da direção de magnetização, e é
denominada parede de Bloch.
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Materiais Magnéticos Moles e Duros
Os materiais magnéticos podem ser classificados em: duros ou
moles.
Os materiais moles são facilmente magnetizados ou
desmagnetizados, eles possuem uma alta magnetização de
saturação para um pequeno campo aplicado. São aplicados em
geradores, motores elétricos e transformadores.
Os materiais duros são magnetizados durante a sua fabricação e
tende a retê-la, do mesmo modo eles são resistentes a
desmagnetização. A maioria apresentam comportamento
ferromagnético, e são aplicados em refrigeradores e fones de
ouvido.
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Materiais Magnéticos Moles e Duros
Em relação a temperatura, por serem majoritariamente ferromagnéticos, ao ser aumentada a
magnetização ou desmagnetização ocorre mais facilmente. Isso ocorre pelo aumento da
movimentação das paredes de Bloch. Em casos de exceder a temperatura de Curie o
comportamento ferromagnético desaparece.
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes
Referências Bibliográficas
PADILHA, A. F. Materiais de Engenharia: Microestrutura e Propriedades. Curitiba. Hemus
Livraria, 2000. 350 p.
Materiais para Engenharia de Petróleo – Heleno Pontes