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Comportam..[1] Document Transcript

  • 1. Comportamento Magnético dos MateriaisAlguns materiais, tal como o Ferro, são marcadamente magnéticos, enquanto que outros não osão. De fato, uma das técnicas mais simples de separação de materiais ferrosos dos não-ferrososé através da comparação de suas propriedades magnéticas. Embora sejam poucos os materiaissemelhantes ao Ferro, não é ele o único a apresentar fortes características magnéticas. O Cobalto,o Níquel e o Gadolínio são altamente magnéticos; além disso, muitas ligas especiais têmpropriedades magnéticas úteis.- Paramagnetismo e DiamagnetismoA maioria dos elementos e materiais não é inteiramente destituída de propriedades magnéticas.A maior parte dos metais é paramagnética, ou fracamente atraída por um imã (ou magneto).Outros metais são diamagnéticos, ou seja, são repelidos por um ímã (ou magneto). Como aspropriedades magnéticas dos materiais paramagnéticos e diamagnéticos correspondem a menosda milionésima parte dos correspondentes do grupo Ferro-Níquel-Cobalto, esses materiais têm,ainda hoje em dia, um interesse restrito na engenharia, de um modo geral.- Ferromagnetismo A importância histórica e comercial do Ferro como um material magnético deuorigem ao termo ferromagnetismo, para englobar as intensas propriedades magnéticas possuídaspelos elementos do grupo do Ferro na tabela periódica. O ferromagnetismo é resultado daestrutura eletrônica dos átomos. Convém lembrar que, no máximo, dois elétrons podem ocuparcada um dos níveis de energia de um átomo isolado. Esses dois elétrons têm “spins” opostos(como já esquematizado Fig. 22) e, como cada elétron, quando girando em torno de si mesmo, éequivalente a uma carga se movendo, cada elétron possui um momento magnético associado,atuando como um magneto extremamente pequeno, com os correspondentes pólos norte e sul.De uma maneira geral, em um elemento, em relação ao preenchimento dos sub níveis de energiaseletrônicas, o número de elétrons que têm “spin” num certo sentido é igual ao número de elétronsque têm o seu “spin” no sentido oposto, como esquematizado na parte (a) da figura abaixo, quandoo efeito resultante é uma estrutura magnèticamente insensível, ou não magnética: Fig.30- Magnetismo atômico, em relação ao preenchimento dos sub níveis de energias eletrônicas: (a) Não magnético ; (b) Magnético.Entretanto, em um elemento com sub níveis internos não totalmente preenchidos, o número deelétrons com “spin” num sentido é diferente do número de elétrons com “spin” em sentido contrário,como na parte (b) da figura acima. Dessa forma, esses elementos têm um momento magnéticoresultante não nulo. No Ferro puro, na temperatura ambiente, no Níquel, Cobalto e Gadolínio,esses momentos magnéticos são suficientemente fortes e os átomos estão adequadamentepróximos uns aos outros, de forma a haver um alinhamento magnético espontâneo dos átomosadjacentes. Satisfeitas essas condições, temos então o fenômeno chamado de ferromagnetismo.Entre outros materiais metálicos, tais como ligas Mn-Bi, podemos também encontrar estruturas quepropiciem o ferromagnetismo. Anàlogamente, várias fases cerâmicas são magnéticas(ou ferromagnéticas), tais como NiFe2O3 e BaFe12O19. 18
  • 2. - Domínios magnéticos Em um material ferromagnético, os átomos adjacentes se alinham mutuamente, de forma a teremsuas orientações magnéticas numa mesma direção e sentido. Dessa forma, um cristal ou grãodeste material contém regiões distintas, onde os átomos se encontram magneticamente orientados,denominadas de domínios magnéticos:Fig.31- Domínios magnéticos:os domínios, da mesma forma que os grãos, contêm um grande número decélulas unitárias; entretanto, domínios adjacentes também estão relacionados cristalograficamente. A linhapontilhada indica limite (ou contorno) entre domínios.Os domínios usualmente não têm dimensões superiores a 0,05 mm, como ilustra afigura abaixo:Fig.32- Domínios magnéticos no Ferro-Silício (ampliação: 25 x). Os domínios são tornados visíveis aomicroscópio pelo uso de Ferro finamente pulverizado, o qual é depositado sobre a superfície metálica polida.O pó magneticamente aglomerado pode ser observado nos limites dos domínios.- Alinhamento de domínios magnéticos Em um material ferromagnético desmagnetizado, os domínios estão orientados ao acaso, deforma que seus efeitos se cancelam. Entretanto, se os domínios são alinhados por um campomagnético externo aplicado, o material se torna magnético:Fig.33- Alinhamento de domínios: um campo magnético externo pode alinhar os domínios ferromagnéticos.Quando os domínios estão alinhados, o material fica magnetizado.O alinhamento de todos os domínios em uma direção origina um efeito magnético aditivo, quepode ou não permanecer (retido) na estrutura do material, após a retirada do campo externo. 19
  • 3. Para designar quando o alinhamento magnético é permanentemente retido ou não, são usados,respectivamente, os termos: “material magnético duro” e “material magnético mole”.Como os materiais mecanicamente duros normalmente também são magneticamente duros, essestermos são mesmo adequados. As tensões residuais, na estrutura de um material endurecido,evitam a redistribuição ao acaso dos domínios magnéticos, quando o campo magnético externoaplicado é retirado, ou muda de sentido. Um material naturalmente magnético ou magnetizadoperde o alinhamento dos seus domínios magnéticos quando é recozido (no tratamento térmico deRecozimento, para diminuir as tensões mecânicas residuais e, assim, a sua dureza), já que aatividade térmica provoca a desorientação desses domínios. A figura abaixo mostra esse efeitopara algumas ligas metálicas que foram magnetizadas por um campo magnético externo:Fig.34- Influência da temperatura no magnetismo retido de ligas metálicas magnetizadas: um aumento naatividade térmica permite o retorno à orientação ao acaso dos domínios magnéticos.- Campos Magnéticos AlternadosAs características magnéticas requeridas em componentes elétricos de equipamentos sãofrequentemente produzidas pela passagem de uma corrente elétrica através de uma bobina, comum núcleo magnético, o que aumenta o fluxo magnético através desta bobina. Em um equipamentode corrente alternada, o núcleo é primeiramente magnetizado em um sentido e depois no sentidocontrário, quando a corrente é invertida. A figura abaixo esquematiza essas situações, par ummaterial ideal e magneticamente “mole”:Fig.35-: Fluxo magnético em um material ideal e magneticamente “mole”: a desmagnetização ocorreimediatamente após a remoção do campo magnético indutor; não há dispêndio de energia para isso;este material não ficaria aquecido, ao ser usado como núcleo de um transformador.Na parte (a) da figura acima, com o aumento do campo magnético H, o fluxo magnético B, atravésde uma material magnético idealmente mole, é aumentado. 20
  • 4. O fluxo magnético aumenta com o campo magnético até que a saturação magnética Bmax éatingida. Além desse ponto, um aumento no campo magnetizante implica em apenas um pequenoaumento no fluxo magnético induzido.Se o campo magnetizante é removido, o fluxo magnético induzido se anula (parte(b) desta figura).Quando o campo magnético indutor é aplicado no sentido oposto, durante a parte negativa do cicloalternante, o fluxo magnético induzido atinge um máximo (Bmax), na direção oposta (parte (c) damesma figura).- Histerese MagnéticaEm um material que não é idealmente “mole” (no sentido magnético da palavra), o fluxo magnético,durante a reversão do campo magnetizante, se atrasa; consequentemente, a remoção do campomagnético ainda deixa um magnetismo residual, Br, no material, como esquematizado na parte (a)da figura abaixo:Fig.36- Fluxo magnético em um material magneticamente duro: a remoção do campo magnetizante, H, nãoelimina o fluxo magnético induzido, B.O fluxo magnético só se anula, quando o campo é revertido até o valor Hc ,chamado de “forçacoercitiva”(parte(b) da figura acima). A parte negativa do ciclo alternante produz um atraso idêntico,só que oposto (parte (c) da mesma figura).O atraso, descrito acima, é do maior interesse para o engenheiro eletricista, pois um material, comuma força coercitiva elevada consome uma grande quantidade de energia para realinhar osdomínios magnéticos, de uma direção para outra; essa energia é perdida na forma de calor.A quantidade de energia consumida é proporcional à área contida no interior do ciclo de histerese,como podemos verificar comparando a Fig.36(c) com a Fig.35(c).Portanto, exceto para magnetos permanentes, são desejáveis os materiais que se comportem, omais próximo possível, da maneira esquematizada na Fig. 36(c).Como os materiais livres de tensões são também magneticamente moles, os metais ideais paraaplicação na fabricação de núcleos para bobinas elétricas, normalmente possuem apenas umafase em sua microestrutura (são chamados, por isso, de monofásicos), além de seremcuidadosamente recozidos, de forma a produzir o menor fluxo residual (Br) possível. 21
  • 5. - Influência da direção cristalográfica na magnetizaçãoA orientação cristalina também afeta as propriedades magnéticas de um material, tal como estámostrado na figura abaixo para três diferentes direções cristalinas:Fig.37- Fluxo magnético “versus” direção cristalográfica: efeito da aplicação de um campo rnagnetizantepara cada uma de três direções cristalográficas em um cristal de Ferro: a magnetização completa é obtidamais facilmente na direção [100]. No Ferro, a direção [100] requer menor campo magnético H para atingir o estado completamentemagnetizado Bmax. O Níquel e o Cobalto, por outro lado, são mais facilmente magnetizados nasdireções [111] e [0001], respectivamente. Através de uma conformação adequada e de tratamentostérmicos convenientes, o engenheiro pode formular métodos que produzam orientaçõespreferenciais em uma chapa metálica. Essas chapas de aço de “grãos orientados”, ao seremusadas em projetos, permitem tirar o máximo proveito dos efeitos da orientação cristalina namagnetização requerida. 22