MATERIAIS MAGNÉTICOS

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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO
Materiais magnéticos 
Aplicações em motores e transformadores
Recife, 2009
UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO
Materiais magnéticos 
 Aplicações em motores e transformadores
Trabalho acadêmico apresentado pelos alunos André Luis S. de Farias, Anderson Ribeiro, Nadja Juliana da S. Lima e Renato Ataide Marinho, solicitado pelo professor Carlos Salviano como requisito parcial na disciplina de Materiais Elétricos.
Recife, 2009
ÍNDICE
2. INTRODUÇÃO...................................................................................................................3
3. MATERIAIS MAGNÉTICOS..................................................................................................4
3.1 CONCEITO DE MATERIAIS MAGNÉTICOS..........................................................................4
3.2 CLASSIFICAÇÃO MAGNÉTICA DOS MATERIAIS...................................................................7
3.3 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS.................................................................7
3.4 PERDAS POR HISTERESE E CORRENTES PARASITAS............................................................8
3.5 COMO FAZER PARA MINIMIZAR AS PERDAS.....................................................................9
4. CONCLUSÃO.....................................................................................................................10
5. BIBLIOGRAFIA..................................................................................................................11
6. ANEXOS..........................................................................................................................12
INTRODUÇÃO
Os primeiros fenômenos magnéticos observados foram àqueles associados aos chamados “imãs naturais” (magnetos) que eram fragmentos grosseiros de ferro encontrados perto da antiga cidade de Magnésia (daí o termo “magneto”). Esses imãs tinham a propriedade de atrair ferro desmagnetizado, sendo que esta propriedade era mais acentuada em certas regiões desse material denominada, depois, de pólos. Descobriu-se então que, quando uma barra de ferro era colocada perto de um imã natural ela adquiria e retinha essa propriedade do imã natural e que, quando suspensa livremente em torno de um eixo vertical, ela alinhava com a direção norte-sul. Surgiram, então, os instrumentos de navegação. Desde então os materiais magnéticos vêm sendo utilizados em grande volume aproveitando-se dessa característica desses materiais. Equipamentos como: transformadores, motores, geradores, auto-falantes, eletroímãs, etc., contém ferro, ou ligas de ferro, em suas estruturas, com o duplo propósito de aumentar a fluxo magnético e restringi-lo a uma região desejada. Hoje em dia, pesquisas são feitas para se desenvolver outros tipos de materiais que tenham essa propriedade ainda mais acentuada e que possam ser manipulados de maneira a permitir novas configurações e formatos de núcleos reduzindo-se assim as perdas desses núcleos, bem como seus tamanhos.
MATERIAIS MAGNÉTICOS
CONCEITO DE MATERIAIS MAGNÉTICOS
A classificação dos materiais em magnéticos e não magnéticos foi obtida a partir de evidências experimentais ao longo do tempo. Podemos testar se alguma substância tem propriedades magnéticas ou não fazendo o seguinte experimento: fixemos um ímã muito potente e aproximemos, na região dos pólos, diferentes materiais.
- Se um objeto que não é ímã permanente, mas for repelido, trata-se de material
diamagnético.
- Se um objeto que não é ímã permanente for atraído, trata-se de material paramagnético; e
se a atração for muito forte, com uma possível imantação permanente desse material, ele é
denominado ferromagnético.
·                    Material Magnético Duro: é aquele que ao retirarmos o campo magnético externo, o alinhamento dos domínios permanece.
·                    Material Magnético Mole: o alinhamento dos domínios desaparece ao retirarmos o campo magnético externo.
CLASSIFICAÇÃO MAGNÉTICA DOS MATERIAIS
Fisicamente, os materiais podem pertencer ao grupo dos materiais FERROMAGNÉTICOS, DIAMAGNÉTICOS e PARAMAGNÉTICOS. 
Paramagnéticos - são materiais que possuem elétrons desemparelhados e que quando na presença de um campo magnético os mesmos se alinham, fazendo surgir dessa forma um ímã que tem a capacidade de provocar um leve aumento na intensidade do valor do campo magnético em um ponto qualquer. Esses materiais são fracamente atraídos pelos ímãs. São materiais paramagnéticos: o alumínio, o magnésio, o sulfato de cobre, etc. 
Caracteriza-se por uma pequena susceptibilidade positiva e pequena, e dependendo de sua origem tem uma forte dependência com a temperatura. (fig. 1). Se for independente da temperatura, podemos ter o paramagnetismo de Pauli, que ocorre sempre nos metais (resposta magnética do gás de elétrons) ou o paramagnetismo de Van Vleck, que ocorre em isolantes devido a mistura do estado fundamental com níveis excitados do campo cristalino próximos ao fundamental. Em geral este comportamento é desprezado por ser independente da temperatura e ter um valor pequeno.
 
fig. 1.: Susceptibilidade típicas diamagnéticas e paramagnéticas.
Diamagnéticos – são materiais que se colocados na presença de um campo magnético tem seus ímãs elementares orientados no sentido contrário ao sentido do campo magnético aplicado. Assim, estabelece-se um campo magnético na substância que possui sentido contrário ao campo aplicado. São substâncias diamagnéticas: o bismuto, o cobre, a prata, o chumbo, etc. 
Esta é uma propriedade que todos os materiais que tem cargas em movimento apresentam quando sujeitas a um campo externo ou a sua variação. É caracterizada por uma pequena susceptibilidade magnética negativa e independente da temperatura, ou seja a magnetização induzida por uma campo externo é contrária e proporcional ao campo. Pode-se resumir esta resposta como devido a reação das cargas em movimento de tal modo a procurar cancelar qualquer variação do fluxo magnético (lei de Lenz) em algum caminho fechado qualquer, e isto ocorre a nível atômico como um rearranjo das funções de onda de modo a aumentar a área efetiva percorrida pelas orbitas atômicas e também por correntes induzidas na superfície macroscópica da amostra principalmente em materiais metálicos e supercondutores. Neste caso existe uma dependência com a temperatura (relacionada com a resistividade do material) e a forma geométrica da amostra passa a ser importante para o entendimento de sua resposta. Aplicando-se a lei de Lenz ao movimento orbital atômico pode-se mostrar (tanto classicamente quanto quanticamente) que:
χD = - μ0 N Z e2 <r2>/ 6 m (no cgs divide-se por μ0 c2),
Onde <r2> é o valor médio quadrático do raio da orbita atômica em questão. Para supercondutores, que são diamagnéticos perfeitos (i.e. blindam perfeitamente o campo B em seu interior) e quando o efeito Meissner é completo (abaixo de Hc1)
χs= -1/4π
Ferromagnéticos – as substâncias que compõem esse grupo apresentam características bem diferentes das características dos materiais paramagnéticos e diamagnéticos. Esses materiais se imantam fortemente se colocados na presença de um campo magnético. É possível verificar, experimentalmente, que a presença de um material ferromagnético altera fortemente o valor da intensidade do campo magnético. São substâncias ferromagnéticas somente o ferro, o cobalto, o níquel e as ligas que são formadas por essas substâncias. Os materiais ferromagnéticos são muito utilizados quando se deseja obter campos magnéticos de altas intensidades. 
As substâncias ferromagnéticas são fortemente atraídas pelos ímãs. Já as substâncias paramagnéticas e diamagnéticas são, na maioria das vezes,denominadas de substâncias não-magnéticas, pois seus efeitos são muito pequenos quando sobre a influência de um campo magnético.
Estes materiais se caracterizam por ter uma magnetização espontânea abaixo de uma temperatura Tc. Isto só é possível se existe algum tipo de interação entre os momentos magnéticos atômicos que os ordena direcionalmente resultando em um momento magnético total não nulo.
As principais interações possíveis são:
i) Dipolo-dipolo clássica:
H = ( μ rI μ r j)/ rij3 - 3( μ ri rij)( μ rj rij) / rij5,
que tende a alinhar os momentos que estão ao longo do eixo paralelamente, ou antiparalelamente se os momentos magnéticos estão situados num plano perpendicular ao eixo. Esta interação é difícil de ser tratada analiticamente.
Apesar de ser de longo alcance (1/r3), sua intensidade é muito fraca para explicar as altas temperaturas de ordenamento. Mesmo assim a muito baixas temperaturas não deve ser desprezada.
(ii) Interação de troca direta:
A teoria de Heitler London para a molécula de hidrogênio (ver texto de MQ) mostra claramente que esta
interação pode ser resumida como a repulsão coulombiana, quando se faz a combinação linear dos orbitais atômicos localizadas nos átomos vizinhos, na região de recobrimento levando-se em conta o princípio de Pauli. Dependendo da paridade funções de onda espacial, duas configurações dos spins (singleto ou tripleto) podem minimizar a energia. Caso o estado de energia mais baixo é o sigleto temos uma interação do tipo Antiferromagnética. Se o tripleto tem energia mais baixa temos interação ferromagnética. O desdobramento dos níveis de energia singleto-tripleto pode ser convenientemente representado pela famosa Hamiltoniana de Heisenberg:
H = - 2 Jij Si rj,
Onde Jij é a integral de troca. Temos então ferromagnetismo com J>0 e antiferromagnetismo com J<0.
iii) Interação de troca indireta, ou de supertroca.
Quando não há recobrimento direto das funções de onda atômicas, tipicamente em óxidos, havendo algum átomo não magnético interpondo os átomos magnéticos, este tem suas funções de onda com spins opostos parcialmente polarizadas pelas funções de onda dos átomos magnéticos e como conseqüência os dois átomos magnéticos interagem entre si. Esta interação depende muito das orientações relativas dos átomos magnéticos e o átomo não magnético, que na maioria das vezes é o Oxigênio, resultando em interações antiferromagnéticas.
iv) Interação de troca indireta do tipo RKKY.
O nome vem devido aos seus descobridores ( Rudeman, Kittel, Kasuya e Yosida). Ocorre sempre em metais onde existem átomos com momentos magnéticos bem localizados, como nas Terras Raras. Estes polarizam os elétrons do gás de elétrons quando próximos a estes levam a “informação” a outro átomo magnético. A interação resultante é de longo alcance e tem um valor oscilante, de modo que podemos ter dependendo da distância entre os vizinhos interações Ferromagnéticas ou Antiferromagnéticas:
JRKKY = (Jsf/Ef ) (2kFrcos(2kFr)-sen(2kFr)/( 2kFr)4.
v) Interação de troca Indireta em semicondutores. ( Bloembergen-Rowland).
Esta interação é análoga à RKKY, envolvendo elétrons e buracos nos semicondutores, sendo de mais curto alcance, pois além de oscilar e ter um termo em 1/r3, ela é amortecida por um termo exponencial.
FIG. 2 – (a) Alinhamento de correntes atômicas circulares induzidas em substância
paramagnéticas (b) Corrente de superfície equivalente a parte (a).
Na prática, uma grandeza magnética classifica esses três tipos de materiais, qual seja a permeabilidade magnética (μ). A permeabilidade desses materiais é comparada com a permeabilidade do vácuo (μo) e assim tem-se:
materiais ferromagnéticos (ferro, níquel, cobalto, aço): possuem uma permeabilidade magnética CENTENAS ou MILHARES de vezes, maior que a do vácuo;
materiais paramagnéticos: possuem uma permeabilidade magnética LIGEIRAMENTE MAIOR que a do vácuo;
materiais diamagnéticos: possuem uma permeabilidade magnética MENOR que a do vácuo;
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS
permeabilidade magnética (μ)
μ = B/H: é a facilidade com que um material permite estabelecer, através dele, um fluxo magnético intenso. Sua unidade é [Wb / A.m]. O valor da permeabilidade magnética do vácuo é igual a μo = 4p. 10-7 Wb/ A. m. Os materiais que não são magnéticos (cobre, alumínio, madeira, vidro, ar, etc.) têm permeabilidade igual à do vácuo. Freqüentemente encontram-se valores da permeabilidade relativa (μr) de determinados materiais, que é a relação entre a permeabilidade do material e a permeabilidade do vácuo.
Tabela I – Permeabilidade magnética de alguns materiais.
relutância: é a dificuldade que um material tem para deixar estabelecer, nele, um fluxo magnético. Sua unidade é [rel ou A/Wb]. Matérias com alta permeabilidade possuem baixa relutância.
anisotropia cristalina: quando se aplica uma intensidade de campo magnético nas diversas direções de determinado cristal que compõe um material magnético observa-se que a densidade de fluxo resultante varia de direção para direção, mostrando que a permeabilidade magnética é uma função da orientação do campo aplicado, caracterizando, portanto, a existência de uma anisotropia cristalina. Isto significa que, em dependendo da região, as perdas podem ser maiores ou menores. Como a redução das perdas é uma preocupação constante nos projetos elétricos é justificável se determinar, em cada conjunto de cristais que formam determinado núcleo magnético, qual a direção em que se deve aplicar o campo magnético.
magnetostrição: além do fato acima, o campo magnético aplicado pode também alterar as dimensões físicas do cristal ferromagnético para tamanho maior ou menor. Esse fenômeno é denominado de MAGNETOSTRIÇÃO. A grandeza da variação nas dimensões é função do eixo cristalino sobre o qual incide o campo magnético. Materiais que sofrem esse fenômeno, quando são submetidos à tração ou compressão sofrem um aumento ou redução da permeabilidade (níquel). Essa propriedade é utilizada em sistemas de controle de pressão (prensas hidráulicas).
curva de magnetização: essa curva representa o comportamento de determinado material quando submetido a um processo de magnetização. Tem no eixo das abscissas a grandeza intensidade de campo magnético (H) e, no eixo das ordenadas, o valor da magnetização (I) ou a densidade de fluxo magnético (B).
PERDAS POR HISTERESE E CORRENTES PARASITAS
Perdas por correntes parasitas:
As correntes parasitas são geradas durante os ciclos de magnetização sob campos magnéticos alternados. Sua intensidade é função da freqüência do campo magnetizante, resultando em maiores perdas, quanto maior for à freqüência do ciclo. Podem-se minimizar as perdas por correntes parasitas se utilizarmos chapas finas isoladas entre si (em motores elétricos) ou aumentando-se a resistividade do material ferromagnético.
O isolamento elétrico existente entre as partículas do pó de ferro microencapsulado proporciona resistividade elétrica superior ao material convencional (aço elétrico GNO), reduzindo as perdas por correntes parasitas.
Como as perdas parasitas crescem com a freqüência, altas freqüências favorecem os materiais microencapsulados, em termos de perdas magnéticas totais. 
Perdas por histerese:
As perdas por histerese são causadas principalmente por movimentação e nucleação de paredes de domínio magnético. Sua intensidade depende de parâmetros microestruturais como discordâncias, tamanho de grão, inclusões não metálicas e textura.
Devido à deformação ao qual o material microencapsulado foi submetido (durante a compactação), existe a necessidade de recuperar sua microestrutura, sendo necessário um tratamento térmico de recuperação ou recristalização. Este tratamento tem como objetivo reduzir as perdas histeréticas do material.
Quando um material ferromagnético é exposto a um campo magnético alternado, à medida que esse campo vai aumentando, a indução também vai aumentando até atingir a saturação. A partir desse ponto, se o campo magnético for reduzido a zero, aindução vai diminuir até um valor denominado indução residual. Se o campo for aplicado no sentido inverso ao primeiro, a indução diminuirá até atingir o zero. O valor do campo em que isso ocorre é denominado campo coercivo. Se o campo continuar aumentando, a indução magnética atingirá novamente a saturação. Completando-se um ciclo, teremos uma curva chamada de curva de histerese. A área dessa curva representa as perdas totais do material em um ciclo. Quando o ensaio é realizado em corrente contínua, pode-se dizer que a área da curva é equivalente às perdas histeréticas.
 Fig. 3: curva típica de histerese magnética.
FATORES QUE AUMETAM AS PERDAS POR HISTERESE
· Ferro e aço submetidos a tratamento a frio tem as perdas por histerese aumentadas;
· Adição de carbono na fabricação do aço aumenta as perdas por histerese;
· Imperfeições ou impurezas dos materiais também aumentam as perdas.
COMO FAZER PARA MINIMIZAR AS PERDAS
As perdas por histerese são minimizadas através de tratamento térmico apropriado nas chapas de ferro-silício. As chapas são assim construídas de maneira a terem propriedades magnéticas melhores segundo uma direção preferida. Sua permeabilidade magnética nesta direção pode ser cerca de duas vezes maior que nas chapas de tipo clássico, sendo as perdas no ferro reduzidas. Tais chapas são do tipo grão “orientado”. A estrutura cristalina dessas chapas é orientada de modo que a direção de mais fácil magnetização seja sensivelmente paralela à direção de laminação. Para obter chapas de cristais orientados a mesma é submetida, quando à temperatura de recozimento, a um campo magnético que tem a virtude de orientar os pequenos cristais que a constituem. Este tratamento é normalmente aplicado em chapas com percentagem de silício superior a 3%, mas não muito superior, visto esta técnica dispensar o emprego de elevadas percentagens por chegar, por outra via, aos mesmos ou melhores resultados.
CONCLUSÕES.
Existem, fundamentalmente, duas razões pelas quais se recorre a materiais para aproveitamento das suas propriedades magnéticas na eletrotécnica.
A primeira é a permeabilidade elevada dos materiais ferromagnéticos, que permite a realização de circuitos magnéticos de baixa relutância nos quais se pode estabelecer um fluxo apreciável à custa de uma força magnetomotriz relativamente baixa.
A segunda é a remanência, ou seja, a memória de acontecimentos ocorridos, conseqüente do fenômeno da histerese magnética.
Os elementos ferromagnéticos são o ferro, o níquel e o cobalto, que industrialmente nunca são utilizados em seu estado puro, e sim sob a forma de ligas. Destas existem tipos com propriedades muito diferentes, e que determinam o seu emprego na indústria.
Tais propriedades dependem não só da constituição das ligas como dos tratamentos térmicos a que são submetidas.
Nos meios ferromagnéticos, o valor da permeabilidade relativa pode tomar valores muito diferentes da unidade e, além disso, é variável com o valor do campo magnético a que o material está sujeito.
BIBLIOGRAFIA.
www. teipis.com.br/fcardozo/materiais acessado em 17/11/09
www.if.ufrgs.br/~ivomai/artigos acessado em 29/11/09
www.labspot.ufsc.br/~jackie acessado em 17/11/09
www.vsites.unb.br/iq/lleber/Eletromagnetismo/Materiaismagneticos acessado em 17.11