Aula Prop Magn172

Prévia do material em texto

Propriedades Magnéticas 
Profª. Drª. Ana Claudia de Azevedo 
Disciplina: Materiais Elétricos 
Cuiabá, 2017/2 
Engenharia de Controle e Automação 
Departamento da Área de Eletroeletrônica 
 
http://www.walter-fendt.de/html5/phde/ 
MATERIAIS MAGNÉTICOS 
A habilidade de certos materiais - notadamente o ferro, o níquel, 
o cobalto e algumas de suas ligas e compostos - de adquirir um 
alto e permanente momento magnético, é de grande importância 
para a engenharia elétrica. As aplicações de materiais 
magnéticos são muitas e fazem uso de quase todos os aspectos 
do comportamento magnético. 
Existe uma variedade extremamente grande de diferentes tipos 
de materiais magnéticos e é importante saber primeiro porque 
estes e somente estes materiais possuem propriedades 
magnéticas e em seguida saber o que leva a comportamento 
diferentes nestes materiais, por exemplo por que um material 
carrega um momento permanente enquanto outros não. 
As pesquisas por materiais magnéticos com melhores 
características são motivadas pela possibilidade de redução nas 
dimensões dos equipamentos e diminuição de limitações no 
desempenho devido à saturação e perdas. 
Sempre que uma carga elétrica 
encontra-se em movimento gera-se 
um campo magnético, um dos 
conceitos fundamentais em 
magnetismo. 
REVISÃO - MAGNETISMO 
Quando é gerado um campo magnético em um 
dado volume do espaço: há uma variação da 
energia (neste espaço - gradiente de energia) 
que gera força magnética. 
A força magnética se manifesta sobre uma 
carga elétrica que se encontra dentro deste 
campo no sentido de acelerar a carga elétrica. 
A LEI DE FARADAY 
 
http://www.walter-fendt.de/html5/phde/generator_de.htm 
REVISÃO - MAGNETISMO 
A lei de Faraday quantifica esta fem estabelecendo que ela é 
proporcional a taxa de varição do fluxo que atravessa o 
caminho fechado (que não precisa ser condutor). 
O sinal menos das equações provém da Lei de Lenz a qual indica que 
a fem está numa direção (ou possui uma polaridade) tal a produzir um 
fluxo magnético de oposição à variação do fluxo original. 
A LEI DE FARADAY 
 
REVISÃO - MAGNETISMO 
A LEI DE FARADAY 
 
REVISÃO - MAGNETISMO 
Na Ásia, em um distrito da Grécia Antiga, uma região 
chamada Magnésia (que hoje pertence à Turquia) 
observou-se o comportamento de algumas pedras. Essas 
pedras (minério de ferro) têm propriedade de atrair 
objetos de ferro. Elas são constituídas de uma substância 
que hoje conhecemos por magnetita e sabemos ser um 
óxido de ferro (Fe3O4). 
Introdução ao magnetismo 
(magnetita) 
O momento magnético de um corpo é a 
soma dos momentos magnéticos das unidades 
que o constituem. 
Origem do magnetismo (conceito básico) 
1- Momento angular de spin do 
núcleo do átomo; 
2- Momento angular orbital do 
eletron em torno do núcleo; 
3- Momento magnético 
intrínseco do elétron (Spin); 
4- Variação do momento orbital 
induzido pela aplicação de um 
campo magnético externo. 
O momento magnético de um átomo livre possui quatro características 
em sua origem: 
MATERIAIS MAGNÉTICOS 
elétrons
S
S
N
N
Spins opostos
Magnetismo atômico. 
O ferromagnetismo é resultado da estrutura eletrônica dos 
átomos. Relembremos que no máximo dois elétrons podem 
ocupar cada um dos níveis de energia de um átomo isolado e 
que isso também é válido para os átomos de uma estrutura 
cristalina. 
Esses dois elétrons têm spins opostos e, como cada elétron, 
quando girando em torno de si mesmo, é equivalente a uma 
carga se movendo, cada elétron atua como um magneto 
extremamente pequeno, com os correspondentes pólos norte e 
sul. 
elétrons
S
S
N
N
Spins opostos
Magnetismo atômico 
De uma maneira geral, em um 
elemento o número de elétrons que 
tem um certo spin é igual ao número 
de elétrons que tem o spin oposto e 
o efeito global é uma estrutura 
magneticamente insensível. 
a) Materiais diamagnéticos: 
elétrons
b) Materiais ferromagnéticos: . 
Em um elemento com 
subníveis internos não 
totalmente preenchidos, o 
número de elétrons com spin 
num sentido é diferente do 
número de elétrons com spin 
contrário. Dessa forma esses 
elementos têm um momento 
magnético global não nulo. 
MATERIAIS MAGNÉTICOS 
elétrons
S
S
N
N
Spins opostos
elétronsMagnetismo atômico 
a) Materiais diamagnéticos: 
Momento magnético global NULO. 
b) Materiais ferromagnéticos: 
TEM um momento magnético global. 
Estrutura global magneticamente 
insensível. 
Sub-níveis não totalmente 
preenchidos. 
O momento magnético de um átomo vem dos seus elétrons, uma 
vez que a contribuição nuclear é desprezível. 
MATERIAIS MAGNÉTICOS 
H=0
HH=0
H
a) Materiais Diamagnéticos: 
 O magnetismo induzido 
se opõe ao campo 
aplicado (permeabilidade 
relativa ligeiramente 
menor que 1). 
b) Materiais 
Paramagnéticos: O 
magnetismo induzido se 
atrai ao campo aplicado 
(permeabilidade relativa 
ligeiramente maior que 1). 
Efeito de campo externo 
c) Materiais 
Ferromagnéticos: Mesmo 
na ausência de um campo 
magnético aplicado existe um 
magnetismo espontâneo 
(permeabilidade relativa 
muito maior do que 1). 
H=0
H
x
x
MATERIAIS MAGNÉTICOS 
Propriedades Magnéticas 
Representam o comportamento dos materiais, quando 
submetidos a um campo magnético qualquer 
Respostas diferentes quanto à concentração das 
linhas de fluxo magnético 
Quanto ao comportamento pode-se observar: 
• concentrar (atrair); 
• repelir; 
• não perturbar o campo magnético. 
Por propriedade magnética se entende a capacidade que um objeto tem de atrair 
outros objetos. Na interação entre dois objetos feitos de materiais magnéticos há 
também a possibilidade de repulsão entre eles. Os materiais que naturalmente 
apresentam propriedades magnéticas são chamados de ímãs. 
Experimentos: https://www.youtube.com/watch?v=XCbSF-ZenKo 
Permeabilidade magnética de um meio (μ) ou permeabilidade absoluta: 
É a capacidade de concentração do fluxo magnético desse meio (ar, vácuo, 
material) ou ainda a maior ou menor facilidade com que esse material se 
deixa magnetizar ou concentrar as linhas de fluxo magnético. 
 
Permeabilidade do vácuo: considerada, na prática, igual a do ar: 
vácuo (μ0=4.π.10
-7 H/m) 
Permeabilidade relativa μr: expressa o quanto uma determinada 
permeabilidade é maior que a permeabilidade do vácuo, ou seja é a relação 
entre a quantidade de linhas de fluxo existentes no material e a quantidade 
que teria se esse material fosse substituído pelo vácuo sob as mesmas 
condições de fmm e dimensões.: 
o
r
μ
μ
μ 
Sendo:  – permeabilidade magnética do material [Henry/m=H/m]; 
o – permeabilidade magnética do vácuo = 4x10
-7 [H/m]; 
r – permeabilidade relativa [adimensional]. 
Propriedades Magnéticas: Permeabilidade magnética 
Susceptibilidade Magnética – m: 
maior ou menor facilidade com que um material se deixa 
atravessar pelo fluxo magnético circulante, resistindo em 
maior ou menor grau à orientação dos dipolos magnéticos de 
sua estrutura no sentido do fluxo. 
 
é a medida da intensidade com que o material pode 
ser magnetizado. 
1)(μχ rm 
É uma grandeza adimensional 
Propriedades Magnéticas 
Representa o grau de polarização dos dipolos magnéticos do 
material quando o mesmo é atravessado por um campo 
magnético H. 
Magnetização de um material – M: 
H1)(μM r MμHμB 00 
Na presença de um campo H os dipolos magnéticos existentes no 
interior do material tendem a se alinhar com o campo externo H, 
reforçando sua magnetização. O termoμ0M representa a medida dessa 
contribuição. 
HχM m 
ou 
A grandeza M é proporcional ao campo externo aplicado. Assim: 
Propriedades Magnéticas 
Divisão dos materiais em termos de permeabilidade 
Propriedades Magnéticas 
• DIAMAGNÉTICOS: 
 r < 1   < o 
• INDIFERENTES: 
r = 1   = o 
• PARAMAGNÉTICOS: 
r > 1   > o 
• FERROMAGNÉTICOS: 
r >>> 1   >>> o 
r de alguns materiais: 
Material r classificação
ar
cobre
madeira
prata 1,0 - 20,0x10-6
zinco 1,0 - 10,0x10-6
alumínio 1,0 + 22,0x10-6
platina 1,0 + 330,0x10-
ferro para 
transformador
5500
aço 500 a 5000
ferromagnético
1 indiferentes
diamagnético
paramagnético
Propriedades Magnéticas 
A intensidade de campo magnético H é gerado pela passagem de 
uma corrente i por uma espira cilíndrica de comprimento l e 
contendo N voltas. 
 
 
 
 
A intensidade de campo magnético H está relacionado com a 
densidade de fluxo elétrico B pela seguinte equação: 
 B = μH 
l
Ni
H 
Intensidade de campo elétrico e densidade de fluxo 
elétrico ou indução magnética (B) 
l 
Grandezas magnéticas Magnéticas 
Os campos gerados necessitam de caminhos que os atraiam para que possam induzir 
um fem considerável. Do contrário, esses campos ficaão dispersos pelo ar e a indução 
será muito baixa, necessitando de uma corrente muito alta ou de um grande número 
de espiras para que se tenha uma indução razoável. 
Esses caminhos devem ser compostos por materiais que apresentam propriedades 
magnéticas boas (alta permeabilidade magnética) que são os materiais 
ferromagnéticos que têm o poder de confinar as linhas de campo, atraindo-as e, 
evitando a dispersão. 
 
A densidade de fluxo magnético B 
dentro do sólido da figura é dada por: 
Bo = μo H 
μ0 é a permeabilidade magnética no vácuo (4π 10
-7 H/m) 
B = μH 
μ é a permeabilidade magnética do sólido 
A densidade de fluxo magnético B 
no vácuo é dada por: 
Grandezas magnéticas Magnéticas 
Por que utilizar um material ferromagnético? 
Essencialmente bipolares, possuem norte e sul. 
B representa a grandeza do campo interno no interior do 
material que é submetido à ação de um campo de excitação H. 
Unidade de B: Weber/m2 ou Testa 
Unidade de H: Ampère espiras/metro 
Grandezas magnéticas Magnéticas 
Densidade de fluxo elétrico ou indução magnética (B) 
Intensidade de campo mangético – H [A.esp/m} 
Propriedades dos materiais em termos da susceptibilidade 
magnética 
• DIAMAGNÉTICOS 
• INDIFERENTES 
• PARAMAGNÉTICOS 
• FERROMAGNÉTICOS 
Magnetização linear (pois =cte) 
Magnetização: 
• saturação (quando o campo magnético 
externo se eleva além da capacidade do 
material em concentrar linhas de fluxo 
magnético); 
• residual (após a retirada do campo 
externo). 
Propriedades Magnéticas 
Retentividade e Relutividade 
habilidade do material de reter a magnetização do 
mesmo quando cessa o campo magnético que o 
atravessa (magnetismo residual). 
Retentividade: 
 
É uma propriedade indesejável para aplicação em motores ou 
transformadores, porque representa perdas por histerese, de outro, lado é 
desejável em dispositivos que armazenam informações, tais como fitas 
magnéticas, disquetes,etc. 
representa a oposição ao estabelecimento do fluxo 
magnético. 
Relutividade: 
é, portanto, inversamente 
proporcional à permeabilidade 
magnética. 
Propriedades Magnéticas 
Relutância: ℜ (Análoga a resistência dos materiais condutores) 
 
- Sistemas de geração e distribuição de energia. 
- Conversão eletromecânica (eletrodomésticos, 
automóveis e aviões) 
- Eletrônica e telecomunicações. 
- Transdutores, sensoreamento, prospecção geológica. 
- Medicina e engenharia biomédica. 
- Eletrônica, informática e automação industrial. 
Aplicações envolvem materiais 
ferromagnéticos (ou ferrimangéticos): 
TABELA DE UNIDADES E CONVERSÕES 
 Os materiais apresentam os seguintes tipos de magnetismo 
quando colocados próximos a um imã: 
• DIAMAGNÉTICOS: fracamente repelidos; 
• INDIFERENTES: não exercem ação alguma sobre as linhas de fluxo que os 
interceptam; 
• PARAMAGNÉTICOS: fracamente atraídos; 
• FERROMAGNÉTICOS: fortemente atraídos. 
Propriedade que descreve este comportamento: permeabilidade magnética. 
o
r
μ
μ
μ 
Para a grande maioria dos materiais os campos magnéticos criados pelas 
correntes orbitais e pelos spins dos elétrons apresenta uma resultante fraca 
e, portanto, não é observado nenhum efeito final expressivo. 
Propriedades Magnéticas