os efeitos magneto resistivo anisotrópico

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os efeitos magneto resistivo anisotrópico, magnetorresistivo gigante e magnetostritivo
Kaline da Silva Oliveira
Disciplina de Medidas Elétricas e Instrumentação
Universidade Federal do Semi-árido- UFERSA
Campus Caraúbas- RN
Celular: +55 (84) 99892-7523, e-mail: kalineoliveira108@gmail.com
Resumo 
Em todas as residências é necessário fazer um projeto de instalações elétricas usando as normas NBR 5410:2004 e SM04.13-00.01 da COSERN (consercionária de energia), pois somente assim irá garantir segurança e maior economia para a instalação. O estudo de caso mostra se o projeto elétrico está de acordo com as normas técnicas, além de encontar formas de fazer melhorias nos circuitos. 
Palavras- chaves
Projeto de instalações elétrica; estudo de caso; normas técnicas elétricas;
1. Introdução
2. Desenvolvimento 
a. Efeito magneto resistivo anisotrópico (AMR)
O primeiro cientista a observar o fenômeno magneto resistivo foi William Thomson (Lord Kelvin). Atualmente os sensores magneto resistivos são utilizados em cabeçotes de leitores magnéticos de alta densidade, bússolas para navegação e sensoriamento de corrente, entre outras aplicações.
Esses sensores são formados por filmes de ligas de níquel-ferro (Permalloy) muito finos depositados em um substrato de silício. Podem medir intensidades de campos dentro de uma faixa de cerca de a O sensor é geralmente utilizado com uma ponte de Wheatstone, como mostra a Figura 1.
Figura 1-Configuração de um sensor magnetorresistivo anisotrópico.
As propriedades desses filmes fazem com que ocorram variações de aproximadamente 2% ou 3% do valor da resistência na presença de um campo magnético. A largura da banda de trabalho pode chegar a 15 MHz. A reação do efeito magneto resistivo é bastante rápida e não é limitada por frequências de oscilações ou indutâncias.
Esses sensores apresentam características como alta sensibilidade e dimensões reduzidas. A Figura 2 mostra a sensibilidade típica de um sensor magneto resistivo.
Figura 2- Sensibilidade de um sensor magnetorresistivo.
Sensores magneto resistivos fazem uso da propriedade de que a resistividade elétrica ρ de uma liga ferromagnética é influenciada por um campo externo.
Comparando-se um sensor magneto resistivo com o sensor de efeito Hall, o primeiro pode captar campos muito mais fracos, saturando, porém, em campos mais intensos. Essa alta sensibilidade é causada por uma camada de material ferromagnético interna que sofre forte influência magnética, podendo ser facilmente rotacionada.
A resistividade ρ do metal anisotrópico ferromagnético depende do ângulo θ entre a magnetização interna M ⃗ e a corrente I:
Sendo e as resistividades perpendicular e paralela a M e o ângulo entre o eixo horizontal e a corrente I. O quociente:
É denominado efeito magneto resistivo e normalmente é expresso em percentagem.
Esses sensores são feitos de filmes finos de material ferromagnético por apresentar duas grandes vantagens: a resistência é maior (R> 100 Ω) e a anisotropia é uniaxial. As camadas se comportam como um domínio simples e possuem uma direção de magnetização preferencial. A Figura 3 mostra um esquema de funcionamento de um sensor magneto resistivo.
Figura 3- Esquema de um sensor magnetorresistivo.
A corrente I flui paralela ao eixo x, podendo-se deduzir que:
Sendo φ o ângulo entre o eixo horizontal e a magnetização M.
Quando um campo magnético é aplicado perpendicular ao sensor, ocorre uma deflexão da trajetória das portadoras devido à força de Lorentz. 
A força de Lorentz () descreve a força exercida em uma partícula com carga q movendo-se à velocidade em um campo magnético de densidade , dado por:
Deve-se observar que as variáveis , e são grandezas vetoriais, caracterizadas por uma magnitude, uma direção e um sentido. A força de Lorentz é proporcional ao produto vetorial da velocidade e da densidade de campo magnético sendo, portanto, uma grandeza perpendicular a ambas. A aceleração causada pela força de Lorentz é sempre perpendicular à velocidade da partícula carregada: portanto, na ausência de qualquer outra força um portador carregado segue um caminho em curva sob um campo magnético.
segue um caminho em curva sob um campo magnético.
Magneto resistores comerciais podem ser construídos com semicondutores de índio-antimônio e níquel-antimônio. A fim de se obter uma distribuição homogênea da carga dos portadores, adicionam-se metais condutores (NiSb) ao material básico. O ângulo entre o caminho da corrente a um campo magnético zero e um campo magnético transversal é chamado de ângulo Hall. A um campo de 1 tesla, o valor desse ângulo é de aproximadamente 80°. À medida que o campo externo aumento, o caminho percorrido pela corrente cresce, aumento também a resistência ôhmica, como mostra a Figura 4. 
Figura 4- Caminhos de correntes de um semicondutor regular.
A resistência do magneto resistor é a resistência do sensor sob um campo magnético, e depende: 
· Da resistência básica (é a resistência do semicondutor sem a influência do campo magnético);
· Da amplitude do campo magnético (o qual se deseja medir);
· Do fator de dopping.
A Figura 5 mostra a resistência relativa para três materiais básicos D, L e N, cujas resistências básicas são respectivamente 200, 550 e 800 (Ω cm)-1 , como função da indução magnética .
Figura 5- Função da indução magnética B.
APLICAÇÕES
A Figura 6 mostra a utilização de um magneto resistor na medição da corrente indiretamente através do campo magnético, que é induzido em núcleo de ferrita, o qual apresenta um gap (ar) onde o sinal é detectado.
Figura 6- Medição de corrente por meio de um sensor MR.
b. Efeito magnetorresistivo gigante (GMR)
Alguns sensores construídos com comadas de filmes finos de material terromagnético e material não-magnético apresentam a varação de resistência quando submetidos a um campo magnético externo. Entretanto, por se tratar de variações da ordem de 70%, esse efeito é denominado efeito magnetorresistivo gigante (já que é maior se comparado ao efeito magnetorresistivo em materiais anisotrópicos). Esse efeito foi observado primeiramente na França em 1988.
A resistência de duas camadas de filmes ferromagnético separadas por outra camada de material condutor não-magnético pode ser alterada modificando-se os momentos das camadas ferromagnéticos de paralelo para antiparalelo.
As camadas com os momentos magnéticos paralelos terão menos dispersão nas interfaces, maior caminho médio e menor resistência, ao passo que as camadas com momentos magnéticos antiparalelos terão dispersão maior nas interfaces, um caminho médio menor e uma resistência maior. A figura 7 mostra a estrutura de um GMR.
Figura 7- Estrutura de um sensor GMR.
 
Para que o efeito seja significativo, as camadas devem ser mais finas que o livre caminho médio dos elétrons do material. Para muitos materiais ferromagnéticos, o livre caminho médio é de algumas dezenas de nanômetros. Desta forma, a espessura típica dessas camadas é menor que 10 nm.
Existem atualmente muitos estudos a respeito do efeito GMR. Vários métodos são utilizados para obter alinhamento magnético antiparalelo em sistemas multicamadas de condutores-material ferromagnético. 
Alguns trabalhos têm citado dispositivos que ultrapassam os limites do GMR. Neste caso, o fenômeno é definido como efeito magnetorresistivo colossal (colossal magnetoressistance, CMR). Uma mistura de óxidos, em certas condições, forma uma transição semicondutor-metal que a aplicação de um campo magnético de alguns teslas, provoca razões de resistência da ordem de % a %. Aas principais aplicações dos GMRs como sensores de campos magnéticos são feitas por meio de pontes de Wheatstone, apesar de meias pontes ou ainda simples resistências também serem fabricadas.
A utilização da ponte inteira é vantajosa porque o material de fabricação é o mesmo, e os resistores possuem os mesmos coeficientes de temperatura, cancelando efeitos indesejados. Pequenos concentradores de fluxo são colocados sobre dois dos quatro resistores na ponte, protegendo-osdo campo magnético externo. Dessa forma, a saída da ponte tem o dobro da amplitude de saída de uma configuração de um quarto, com um único sensor. A Figura 8 mostra a configuração típica de um GMR em ponte. 
Uma estrutura de uma liga de Permalloy é colocada sobre o substrato para funcionar como concentrador de fluxo. Os resistores ativos são colocados entre os dois concentradores de fluxo, como mostra a Figura 8.
Figura 8- Configuração CMR em ponte.
 
A sensibilidade de uma ponte com sensores GMR pode ser ajustada alterando-se o comprimento desses concentradores magnéticos e a distância entre eles. Assim, um material GMR que se satura a 300 oersteds (Oe) pode ser utilizado para construir sensores que saturam com 15, 50 ou 100 Oe. Para sensores com sensibilidade ainda maior podem-se utilizar bobinas externas e realimentação para alcançar faixas em milioersteds (mOe).
Uma das tendências atuais é a construção de “sensores inteligentes”. Neste caso os sensores são integrados com outros blocos como amplificadores e condicionadores de sinais. O material GMR é depositado sobre o semicondutor, no qual os blocos são desenvolvidos. Entre as funções presentes nesses dispositivos podem-se citar: fontes de tensão ou corrente reguladas, proteções internas, amplificadores, funções lógicas, além de circuitos de saída.
Sensores dessa natureza geralmente produzem resultados melhores sujeitos a menores interferências externas. É sempre melhor amplificar pequenos sinais próximos do local em que são gerados. Converter sinais analógicos para digitais é outra maneira de minimizar a influência de ruídos externos. A utilização de comparadores e saídas digitais faz com que a natureza não-linear dos materiais GMR não seja tão importante. Ás vezes os comparadores são construídos com histerese para evitar chaveamento múltiplo em uma transição. A Figura 9 mostra características típicas de um circuito de um GMR comercial.
Figura 9- Circuito típico de um GMR comercial e sua resposta.
 
Aplicações
Uma aplicação típica é a detecção de proximidade com a utilização de um imã permanente, como se pode ver na Figura 10, que mostra um imã permanente fixado no sensor que conta a passagem dos dentes de uma engrenagem. Entre o ímã e o sensor existe um isolante para reduzir a influência do magneto no sinal de saída. Se a engrenagem for construída de um material ferromagnético, quando o conjunto ímã-sensor se aproximar é induzido um campo magnético no dente que é detectado pelo sensor.
Figura 10- Aplicação de um sensor GMR para contar ou detectar os dentes de uma engrenagem.
 
Para reduzir ao máximo a influência do ímã, este deve ser montado sobre o sensor com o eixo magnético perpendicular ao eixo sensível do elemento.
Aplicações em que se utiliza a excitação com ímãs permanentes são utilizadas apenas com matérias ferrosos s distâncias curtas do sensor, pois é difícil magnetizar um objeto a alguns metros de distância com um ímã permanente. Nesses casos, como, por exemplo, na detecção de veículos, o campo magnético da Terra atua como excitação e gera um padrão magnético. Assim, os veículos podem ser contados ou classificados quando passam sobre os sensores em uma rodovia. Pequenos sensores GMR com baixíssimo consumo juntamente com blocos de memória e baterias podem ser colocados em um invólucro para esta função.
Outra aplicação em que se pode utilizar uma excitação é na detecção de valor de notas de dinheiro. Muitos países utilizam partículas que possuem propriedades ferromagnéticas. Aas notas são passadas sobre uma matriz de ímãs permanentes e são magnetizadas ao longo da direção de deslocamento. Um sensor magnético colocado a alguns centímetros, com eixo paralelo à direção de deslocamento, pode detectar o campo remanescente nas partículas dessas notas. A utilização da magnetização neste caso serve para criar uma espécie de assinatura para cada nota. Se for utilizado um ímã no processo de leitura, pode-se perder a assinatura inicial.
c. Efeito magnetostritivo
Magnetostrição é definida como a propriedade que materiais ferromagnéticos possuem e com a qual eles variam suas dimensões quando submetidos a um campo magnético. Esta propriedade foi descoberta em 1842 por James Joule, quando analisava uma amostra de níquel. Subsequentemente, o cobalto, o ferro e ligas destes materiais também mostraram um significativo efeito magnetostrivo de 50 partes por milhão (50 ppm).
O efeito magnetotritivo é explicado observando-se a estrutura dos materiais ferromagnéticos. Esses materiais podem ser considerados um grupo de pequenas regiões que funcionam como esses materiais não ímãs permanentes. Quando esses materiais não estão magnetizados, esses domínios estão distribuídos aleatoriamente. Mas, quando estão magnetizados, esses domínios alinham-se na mesma direção. Desta forma, a influência de um campo magnético externo cria um desbalanço, rearranjando os domínios magnéticos e alterando as dimensões do corpo.
	A Figura 11(a) mostra um modelo simples para a compreensão do efeito magnetostritivo. Nesse modelo as elipses representam os momentos magnéticos do material. Ao aplicar um campo magnético, os domínios são alinhados, fazendo com que as elipses sejam levemente rotacionadas e as dimensões alteradas. Também se pode observar que, se for aplicada uma pré-carga, como mostra a Figura 11(b). o efeito pode ser incremento. A figura 11(c) mostra o efeito no sólido. 
Sob efeito magnetostrivo, os cristais se deformam de modo que superfície pode relaxar em um estado de energia mínima. 
Figura 11- Modelo representando o efeito magnetostritivo.
 
O efeito de magnetostrição pode ser positivo ou negativo. O mesmo é considerado positivo se expandir ou negativo se contrair. Em outras palavras, essa propriedade permite que materiais ferromagnéticos sejam utilizados para transformar energia mecânica para modificar uma condição magnética é denominado efeito Villari. 
Existem ainda dois outros efeitos relacionados ao efeito magnetostritivo: o efeito Metteucci e o efeito Wiedemann. O primeiro é o surgimento de um campo magnético espiral quando um material é submetido a uma torção. O segundo é o efeito contrário, ou seja, a criação de um movimento mecânico de torção quando o material é submetido a um campo espiral. A Figura 12 mostra o efeito Wiedemann.
Figura 12- Efeito Wiedemann.
Esse efeito pode ser percebido, por exemplo, em dispositivos utilizados em sistemas de alta tensão, tais como transformadores, pelo ruído que produzem. Também é utilizado na construção de sensores. Considere um fio construído com material ferromagnético. Quando o fio é submetido a um campo magnético gerado por um ímã permanente colocado em uma certa posição e é provocada uma corrente, surge uma torção mecânica devida ao efeito Wiedemann (Figura 12). A torção é causada pela interação do campo magnético axial (do ímã permanente) com o campo magnético ao longo do fio, devido à corrente que passa pelo mesmo. Se a corrente tem a forma de um pulso, a torção é transmitida ao longo do fio como uma onda e som, iniciando do ponto em que o ímã se encontra. A onda de som propaga-se pelo fio até chegar ao sistema de recepção, na qual, pelo efeito Villari, o esforço mecânico induzido causa uma variação da condição magnética de outro componente composto de material ferromagnético, o qual gera um novo pulso elétrico.
Nesse dispositivo pode-se acoplar um sistema de medição de tempo e relacioná-lo com a distância do ímã ao receptor. Uma das primeiras aplicações práticas do efeito foi a construção de sonares, equipamentos utilizados para medir distâncias através da medição de tempo de eco de sinal, principalmente em embarcações e submarinos. Outras aplicações eram a construção de osciladores de alta frequência e geradores de ultrassom, além da medição de torque. Os materiais baseados em níquel tinham valores de saturação do efeito magnetostritivo de aproximadamente 50 ppm, o que era bastante baixo e limitado.
 
Figura 13- Principio de funcionamento de um sensor magnetostritivo.
O efeito piezelétrico é semelhanteao efeito magnetostrtiivo, mas ocorre em materiais dielétricos. Para muitas aplicações, tais com sonares, transdutores ultrassônicos, filtros e ressonadores, linhas de atraso, acelerômetros, entre outros, os materiais piezelétricos têm muitas vantagens se comparados aos magnetostritivos
4. Conclusão