PROPRIEDADES MAGNÉTICOS DAS CERÂMICAS Profa. Francisca Francisca Maria Martins Mar tins
DIPOLOS MAGNÉTICOS •
As
forças
magnéticas
movimentos moviment os
de
são
partículas
geradas
pelo
carregadas
eletricamente; •
Os dipolos magnéticos são encontrados nos materiais magnéticos e são análogos aos dipolos elétricos.
•
Os dipolos magnéticos podem ser considerados como pequenos imãs barras compostos por um polo norte e polo sul em vez carga elétrica
DIPOLOS MAGNÉTICOS •
As
forças
magnéticas
movimentos moviment os
de
são
partículas
geradas
pelo
carregadas
eletricamente; •
Os dipolos magnéticos são encontrados nos materiais magnéticos e são análogos aos dipolos elétricos.
•
Os dipolos magnéticos podem ser considerados como pequenos imãs barras compostos por um polo norte e polo sul em vez carga elétrica
•
•
São influenciados por campos magnéticos No interior de um campo magnético, a força do próprio campo exerce um torque que tende a orientar os dipolos em relação ao campo. Ex: maneira como agulha de uma bússola magnética se alinha com o campo magnético da terra.
VETORES DO CAMPO MAGN MAGNÉTICO ÉTICO •
Intensidade Inten sidade do campo
magnético (H) - campo magnético
aplicado externamente •
Se o campo for gerado através de uma bobina cilíndrica que consiste
de
N
voltas
com
pequeno
espaçamento,
comprimento l, e carrega uma corrente de magnitude I, logo
H
NI
l
de
•
Indução magnética ou densidade de fluxo (B) – representa a magnitude do
campo interno no interior de uma substância
que está sujeita a um campo H. •
•
B (tesla ou Wb/m2) Tanto B quanto H são vetores do campo, caracterizados não apenas por sua magnitude, mas também pela sua direção
Intensidade do campo magnética e a densidade de
•
fluxo
B H
onde µ = permeabilidade, propriedade do meio específico através do qual H passa e B é medido; µ (Wb/A.m ou H/m) •
No vácuo,
Bo o H µo = permeabilidade do vácuo = 4 x10-7 (1,257x10-6 H/m)
Bo = densidade de fluxo no vácuo
As propriedades magnéticas podem expressas por vários
•
parâmetros I. Razão
da
permeabilidade
em
um
material
e
permeabilidade no vácuo
r o µ r = permeabilidade relativa é adimensional A permeabilidade relativa de um material – medida do grau pelo
qual o material pode magnetizado, ou da facilidade pela qual um campo B pode ser induzido na presença de um campo externo H
II. Magnetização do sólido (M)
B o H o M Os momentos magnéticos no interior de um material tende a ficar alinhados com o campo (H) e a reforçá-los em virtude de seus campos magnéticos; o termo µoM é uma medida dessa contribuição.
M é proporcional ao campo aplicado da seguinte maneira:
M X m H m = suscetibilidade magnética e é adimensional
X 1
ORIGEM DOS MOMENTOS MAGNÉTICOS As
propriedades magnéticas macroscópicas dos materiais são
uma consequência de momentos magnéticos associados com os elétrons individuais. Cada
elétron em um átomo tem momentos magnéticos que se
originam a partir de duas fontes. 1º) Está relacionada com o seu movimento orbital em torno do núcleo, sendo que a carga em movimento de um elétron pode ser considerado como um circuito de corrente pequena, gerando um pequeno campo magnético, e que tem um momento magnético ao longo do seu eixo de rotação.
Figura 1: Demonstração do momento magnético associado com: (a) um elétron em órbita (b) um elétron que está girando ao redor do seu eixo.
Os
momentos magnéticos de "spin“ só podem estar apenas
em uma direção "para cima" ou numa direção antiparalela "para baixo". Assim,
cada elétron em um átomo pode ser considerado
como se fosse um pequeno imã com momentos magnéticos permanentes orbitais e de spin. Momento magnético
fundamental:
Magnéton de Bohr ( B) = 9,27 x 10-24 A.m2 Para
cada elétron em um átomo o momento magnético de
"spin“
é de "
orbital é
B”.
A contribuição do momento magnético é o número quântico magnético do
O
momento orbital (orb)de um único elétron é :
orb B l l 1 onde l número quântico de forma do orbital O
momento magnético do spin de um elétron é dado por
s 2 B ms ms 1
Nas
cerâmicas, onde o comportamento magnético é devido
à presença de íons de metais de transição com spins dos elétrons desemparelhados no orbital 3d. O magnético devido ao spin eletrônico do íon (ion) é
ion 2 B S S 1 S m s
momento
Momentos magnéticos de cátions metálicos de transição isolados Cátions
Configuração Eletrônica
Cálculo do momento usando a Eq. 3
Momento Medido ( B)
As
propriedades magnéticas intrínsecas de um material são
determinados: o
Estrutura eletrônica
o
Estrutura cristalina
o
Microestrutura (domínios)
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS QUANTO AS PROPRIEDADES MAGNÉTICAS Diamagnéticos •
•
•
Forma muito fraca de magnetismo Não é permanente, É
induzido
por
uma
mudança
no
movimento orbital de elétrons devido a um campo magnético aplicado. •
A magnitude do momento magnético induzido é extremamente pequeno e no sentindo oposto àquele do campo aplicado
•
= -10-5
Configurações de dipolo magnético atômico para um material diamagnético COM E SEM um campo externo; na ausência de um campo externo, não existe nenhum dipolo; e na presença do campo , os dipolos são induzidos a alinharem-se na direção oposta ao campo.
SUSCETIBILIDADE MAGNÉTICA PARA VÁRIOS MATERIAIS DIAMAGNÉTICOS
Paramagnéticos •
Na ausência de um campo magnético externo, as orientações dos dipolos são aleatórios.
•
Com aplicação de um campo externo tendem a se alinhar na direção do campo m=
•
•
A
10 -5 a 10-2
m dos
materiais paramagnéticos diminui
com o aumento da temperatura segundo
a relação:
m
C
T
onde C = constante e T = temperatura
Configurações de dipolo magnético COM e SEM campo externo para um material paramagnético
SUSCETIBILIDADE MAGNÉTICA PARA VÁRIOS MATERIAIS PARAMAGNÉTICOS
Ferromagnéticos •
Possuem um momento magnético permanente na
ausência de um campo externo e manifestam magnetizações muito grandes e permanentes é muita elevada > 106
•
m
•
Possui uma T crítica (C) – chamada temperatura de
Curie – acima da qual perde o ferromagnetismo e torna-se paramagnético. •
A
m
diminui com aumento da T, segundo a lei de
Curie-Weiss:
m
C T
onde c = constante e
Configuração de dipolos em um material ferromagnético, na ausência de um campo magnético externo
Paramagnético
Ferromagnéticos
Ferromagnético
Variação de
m
com a Temperatura
Ferrimagnéticos •
As características macroscópicas similares a do ferromagnetismo
•
As
diferenças
encontram-se
na
origem
do
momento magnético. •
•
Possuem uma temperatura crítica (C) A
m
é da mesma ordem de grandeza da dos
materiais
ferromagnéticos e diminui com o
aumento da temperatura
m
C T
Antiferromagnéticos •
Na presença de um campo magnético, os dipolos magnéticos destes materiais alinham-se em sentidos opostos.
•
Possui temperatura crítica – Temperatura de Néel ( N ) – deixa de ser antiferromagnético e passa a ser paramagnético
•
A
m
é da mesma ordem dos paramagnéticos e diminuem com o
aumento da temperatura
m C = constante e é diferente de N
•
C T
Antiferromagnéticos
Paramagnético
Antiferromagnético (spins antiparalelos)
Alguns óxidos antiferromagnéticos
Ferromagnético
Antiferromagnético
Ferrimagnético
Esquema de comparação dos alinhamentos dos dipolos em materiais FERRO ANTI e FERRImagnéticos
DOMÍNIOS MAGNÉTICOS E PAREDES DE DOMÍNIOS •
Todo material FERRO e FERRImagnético é dividido em várias pequenas regiões ou DOMÍNIOS
Quando o material não está magnetizado a magnetização
•
líquida é zero, isto é, existem muitos domínios magnetizado em uma direção, assim como existem na direção antiparalela.
Exemplos de estruturas de domínio, cada uma tendo magnetização liquida igual a zero
um domínio
outro domínio
Parede domínio
•
Na parede entre os diferentes domínios há uma mudança gradual na orientação do dipolo magnético. Parede de domínio
Mudança
na
orientação
do
dipolo
Domínios magnéticos na superfície basal de uma
A espessura da parede de domínio é um balanço requerido
•
entre o pequeno ângulo e os spin adjacentes, o que necessita de uma parede grossa. Para dipolos magnéticos serem alinhadas com uma
•
orientação cristalográfica específica, é exigido uma parede fina.
Existe também uma estrutura de domínio para materiais
•
antiferromagnéticas , com a parede que separa cada domínio: •
Paredes em S a orientação da magnetização é girado através da parede
•
Paredes em T há mudança característica na orientação de pares
Quando um campo magnético externo
•
é
aplicado
a
um
material
ferromagnético ou ferrimagnéticos as paredes de domínios começam a mover-se. •
Movem-se de tal maneira que os
domínios direção
tornam-se da
alinhados
magnetização
aumento do campo (H) .
com
na
u o ( B ) , M o , x o u ã l f ç e a z d i t e e d n a g d i a s m n e D
Intensidade do campo magnético, H
o Comportamento de B em função de H para materiais ferro e ferrimagnético que se encontravam inicialmente desmagnetizado. E representação dos domínios durante vários
•
O tamanho da curva de histerese, i. e. , o valor de B r e Hc varia para cada material
Campo Coercivo
Quando
HC
(normalmente
é
pequeno
< 103 A/m), o
material é magneto mole.
Quando
H C
(normalmente
é
>> 103 A/m), o
material é magneto duro. Comportamento de B em função de H para materiais ferro e Variação de B com H alternado. As inserções mostram a estrutura dos domínios em vários pontos na curva de
grande
ANISOTROPIA MAGNÉTICA OU ANISOTROPIA MAGNETOCRISTALINA É a dependência do comportamento magnético em relação a
•
posição cristalográfica de um cristal A curva de histerese apresentam formas diferentes dependendo
•
de diversos fatores 1. Se a amostra é monocristalina ou policristalina 2. Se for policristalina, se há qualquer orientação preferencial dos grãos 3. Da presença de poros ou de partículas de uma segunda fase 4. Outros fatores tais como: temperatura e,
ma tensão mecânica
Para cada material existe uma direção cristalográfica onde
•
a magnetização é mais fácil, i. e., onde a magnetização (M s) de saturação é atingida com menor campo (H), e é chamada de direção de fácil magnetização (Figura 1). E de maneira contrária, uma direção cristalográfica dura – é
•
aquela para qual a magnetização de saturação é mais difícil (Figura 2)
Figura 1: Curva de magnetização para monocristais de
Figura 2: Curva de magnetização para monocristais de
ferro e níquel. Para ambos os metais foram
cobalto. As curvas foram geradas quando o
CERÂMICAS MAGNÉTICAS •
•
São chamadas de FERRITAS Apresentam indução magnética espontânea na ausência de campo magnético externo
•
•
Diferentes estruturas cristalinas, composição e aplicações São extremamente sensíveis as condições de processamento e obtenção
•
Propriedades magnéticas dependentes da microestrutura
Classificação Quanto as propriedades magnéticas: Ferritas Moles e Duras
•
Duro
Mole
Ferritas Moles •
Elevada permeabilidade inicial
•
Baixa força coercitivas
•
Ciclo de histerese pequeno, é caracteristicamente fina e estreita
•
São usados para aplicações que necessitam que o material
seja
facilmente
magnetizado
e
desmagnetizado. Ex:
Sistemas
de
telecomunicações.
radar
e
aparelhos
de
Ferritas Duras Permeabilidade inicial Grandes Altas
Baixa
perdas de energia por histerese
forças coercitivas
Alta
remanescência
Alta
densidade do fluxo de saturação
Curva
de histerese largo – forte efeito de memória
Ferritas Duras As
duas características mais importantes em relação às
aplicações dessas cerâmicas são a coercividade e o produto de energia, designado com (BH)máx. (BH)máx
corresponde à área do maior retângulo B-H que
pode ser construído dentro do segundo quadrante da curva de histerese. São
usadas para aplicações que necessitam que os
magnetos
permanentes
desmagnetizados.
não
sejam
facilmente
O valor do produto de energia é representativo da energia necessária para desmagnetizar um imã permanente, ou seja, quanto maior o valor de (BH)máx., mais duro é o material em termos de suas características magnéticas
Curva de magnetização esquemática que mostra a
Quanto
a estrutura cristalina
Granadas
•
Hexagonais
•
Espinélicas
•
FERRITAS GRANADAS São
isomorfas com o mineral de Ca 3Fe2(SiO4)3;
Célula
unitária: formada por 8 fórmulas unitárias, 160 átomos
Grupo
espacial: Ia3d
Notação
de ocupação dos sítios: {R 3}[Fe2](Fe3)O12
Possuem
24 sítios C (dodecaédricos), 16 sítios A (tetraédricos)
e 24 sítios D (octaédricos) FERRITAS GRANADAS
São
materiais magnéticos leves
Faixa
de 1 - 10 GHz
FERRITAS HEXAGONAIS São
isomorfas
com
mineral
plúmbicomagneto
(PbFe7,5Mn3,5Al0,5Ti0,5O19) Designadas
por M, Y, W , X, U e Z correspondendo a proporção de FERRITAS
(BaO + MeO)/Fe2O3 de 1/6; 4/6; 3/8; 4/14; 6/18; 10/24. Microondas
na faixa de 1-100 GHz
São
materiais magnéticos duros
Alta
coercitividade, baixas perdas dielétricas
HEXAGONAIS
Estruturacristalin ado púmblicoma gneto Ferrrita hexagonaltipoZ
FERRITAS ESPINÉLICAS São
isomorfas com o mineral MgAl 2+3O42-
Célula unitária cúbica contém 8 fórmulas unitárias (A)[B2]O4, com 8 íons divalentes nos sítios A e 16 íons Fe3+ nos sítios B, e 32 oxigênios.
Grupo São
S A C I L É N I P S E S A T I R R E F
Espacial: Fd3m
materiais magnéticos leves
Faixa
de 3 - 30 GHz;
