Ciência e Tecnologia dos Materiais Elétricos Aula 7professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/17345... · Ciência e Tecnologia dos Materiais Elétricos Aula 7 Prof

Cincia e Tecnologia dos Materiais Eltricos

Aula 7

Prof. Clebes Andr Da Silva

Aula 7

Captulo 7 Materiais Magnticos

Magnetismo fundamental para o aproveitamento da corrente eltrica

Sem a compreenso e o domnio dos fenmenos magnticos no existiriamos equipamentos:

Motores Geradores Transformadores IndutoresMedidores eletromecnicos Componentes magnticos

Materiais Magnticos - Introduo

Materiais ferromagnticos os mais importantes em aplicaes magnticas

Fenmeno mais antigo de material ferromagntico: Magnetita


Magnetita

- Mineral magntico- Composio:

- xidos de ferro II e III ( FeO . Fe2O3 ) Fe3O4- 69% de FeO e 31% de Fe2O3 - Ou 72,4% de ferro e 26,7% de oxignio

- Forma cristalina isomtrica, geralmente octaedrica- Cor preta e brilho metlico


Magnetita

- a pedra-im mais magntica de todos os materiais do planeta Terra.- Antigamente utilizada para fazer bssolas

- Proveniente da Grcia, regio da Magnsia


Magnsia lugar das pedras mgicas

pois magicamente se atraiam

Magnetita


Grandes depsitos nas regies:- Nordeste da sucia- Noruega- Alemanha- Itlia- Suia

Montanhas Adirondack(regio de Nova Iorque)

frica do Sul

ndia

Mxico

Diversos estados americanos (Nova Jrsei, Pennsylvania, Carolina do Norte, Virginia, Novo Mxico, Utah e Colorado)

Magnetita


Ocorrncia em seres vivos:

- Bactrias Aquaspirillum magnetotacticum- Crebro de:

- Abelhas- Cupins- Peixes- Ursos- Alguns pssaros (pombos)- Seres humanos*

BAKER, R R; J G Mather, J H Kennaugh. (1983-01-06). "Magnetic bones in human sinuses". Nature 301(5895): 7980. PMID 6823284.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/6823284?dopt=Abstract

Materiais Magnticos Reviso de conceitos bsicos da fsica

Magnetizao

Materiais Magnticos Reviso de conceitos bsicos da fsica

Magnetizao

Interao de troca Tendncia dos tomos adjacente terem momentos magnticos alinhados na

mesma direo. Fenmeno produzido pelo spin de eltrons adjacentes.

O alinhamento de momentos magnticosde vrios tomos adjacentes gera um forte campo magntico externo.

Gerao do campo magntico

Materiais Magnticos

Carga eltrica gera campo eltrico espontaneamente Carga eltrica em movimento alm de campo eltrico gera campo magntico

Eltrons dos tomos esto sempre em movimento Orbital Spin

Spin Orbital

Campo magntico

Campo eltrico

Materiais Magnticos

Cargas eltrica iguais se movimentando em sentidos opostos anulam seus efeitosmagnticos

tomos possuem geralmente dois grupos de eltrons que giram em sentidos opostos.

Quando o nmero de eltrons girando emsentidos opostos no igual o tomo se torna um pequeno m.

Materiais ferromagnticos

Gerao do campo magntico

Conceito de domnio

Materiais Magnticos

Domnio

Regies dos materiais ferromagnticos com um grande nmero de pequenas seescom campo magntico orientado no mesmo sentido.

Cada domnio Dipolo magntico

Materiais ferromagnticos possuem magnetizao espontnea

cobalto tungstnio nquel alumnio

Compostos e ligas de ferro com:

Conceito de domnio

Materiais Magnticos

m permanente natural Grande parte dos domnios alinhados naturalmente

m permanente artificial Grande parte dos domnios alinhados de forma induzida

Materiais ferromagnticos Vetores campo magntico dos domnios esto desorganizados Vetor resultante = somtorio de vetores Resultante nula

Conceito de domnio

Materiais Magnticos

Sob a ao de um campo externo, grande parte dos domnios se alinham

Aps a retirada do campo magnticomuitos domnios continuamalinhados (magnetismo residual)

Imantaodo material

Material saturado

Campo magntico externo aumenta mas no existemmais domnios para serem alinhados

Retirada do campo externo aps a magnetizao

Domnios voltam a se alinhar de acordo com a estrutura cristalina do material....

Eixos de mais fcil magnetizao

... mas no voltam a ser completamente aleatrios.

Um campo magntico lquido permanece:HISTERESE MAGNTICA

Conceito de domnio

Materiais Magnticos

Comportamento Magntico e Classificao dos Materiais

Materiais Magnticos

- Os materiais se comportam de formas diferentes na presena de campo magntico:

Materiais indiferentes, no ferro-magnticos

- Nenhuma ao sobre as linhas de fluxo magntico- Sem orientao de diplos magnticos- Permeabilidade de referncia 0( = 1)

Exemplos:Vcuo, ar, cobre, madeira e plsticos


Materiais Magnticos


Materiais paramagnticos

- Eltrons desemparelhados- Domnios alinham leve aumento do campo magntico no local.- Concentram ligeiramente as linhas de campo magntico- Fracamente atrados- Permeabilidade ligeiramente maior que 0( > 1)- Propriedades magnticas no se alteram com a temperatura

Exemplos:Alumnio = 1 + 22. 105Platina = 1 + 33. 105

Fraca atrao

Materiais diamagnticos

- Na presena de um campo magntico tem seus ms elementares orientados no sentido contrrio ao sentido do campo magntico aplicado.

- Fracamente repelidos- Domnios se alinham no sentido contrrio- Permeabilidade ligeiramente menor que 0( < 1)

Exemplo:Bismuto = 1 14. 107Zinco = 1 105Prata = 1 2. 105ChumboGrafita

*Faraday concluiu que alguns elementos e quase todos os compostos exibem esse tipo de magnetismo.


Materiais Magnticos


Levitao diamagntica

Materiais Magnticos


- Concentram fortemente as linhas de campo magntico- Fortemente atrado- Grande polarizao dos domnios- Se imantam fortemente se colocados na presena de um

campo magntico.- Permeabilidade muito maior que 0( 1)- Apresentam remanescncia de campo Histerese

Exemplos:Ao = 500 5000Ferro puro = 8000

o ferro, o cobalto, o nquel e as ligas que so formadas por essas substncias


Materiais Magnticos


Ferrofluido

Materiais Magnticos

Ferrofluido manual do mundo

Materiais Magnticos

Detalhes sobre o comportamento magntico

Materiais Magnticos

Ponto Curie

- Temperatura acima da qual um material ferromagntico se torna um compostoparamagntico.

- Permeabilidade magntica aumenta para temperaturas abaixo do ponto curie.

- Permeabilidade magntica do material se reduz medida que ele satura de campo magntico.


Materiais Magnticos

Efeito Pelicular

Ocorre apenas em corrente alternada Corrente conduz apenas na superfcie do metal Reduo da rea de conduo aumenta a resistncia e as perdas.

Efeito aumenta com: - Intensidade da corrente- Raiz quadrada da frequncia- Permeabilidade magntica- Condutividade eltrica


Materiais Magnticos

Efeito Pelicular

Reduo do efeito:

Utilizar vrios condutores tranados ao invs de um nico miolo

Materiais ferromagnticos apresentam grande efeito pelicular

Ferro raramente usado como fio eltrico condutor


Materiais Magnticos

Blindagem magntica

Quando dois materiais de permeabilidades diferentes se encontram no caminho do fluxo magntico, este se dirige para o de maior permeabilidade (princpio da relutnciamnima)

Efeito utilizado na blindagem magntica

Relao entre intensidade campo magntico (H) e densidade de fluxo magntico (B)

= (1.7)

H: intensidade do campo magntico (A/m)B: densidade do fluxo magntico (wb/m2 ou T=tesla): permeabilidade magntica (wb/A.e.m ou H/m)

= 0

0 = 4. 107 H/mPermeabilidade do vcuo

Permeabilidade relativa de materiais magnticos lineares ()

costuma assumir valores entre 2.000 e 80.000 para materiais usados em transformadores e motores.* Altamente dependente do valor da densidade do fluxo magntico (B)** Considerado constante em alguns exerccios por motivos didaticos

Confinamento do fluxo

MagnetizaoMateriais Magnticos

Relao B - H no-linear Devido HISTERESE MAGNTICA

Curva B-H: Obtida variando-se ciclicamentea fora magnetizante sobre o material

Magnetizao remanescente:Depois de retirado o campo H, a densidade B no volta a serzero.


Todo material magntico submetido a uma magnetizao tende a se opor s variaes de fluxo

Para muitas aplicaes de engenharia uma curva unvoca pode ser suficente. Curva fornecida por fabricantes do material

Curva de magnetizao CC ou normal

Construda variando-se B e H para valores mximos

Despreza a histerese Considera o comportamento

no-linear



Classificao dos materiais quanto o seu comportamento magntico de propagao de fluxo:

- Meio saturvel (materiais ferromagnticos): A permeabilidade varia com a intensidade do campo.

Variao da orientao dos diversosdominios gera a no linearidade.

Satura quando todos domnios j estoorientados

- Meio no-saturvel: Materiais indiferentes, paramagnticos e

diamagnticos Permeabilidade constante No satura

= no vlida

Excitao CA de materiais ferromagnticos

Transformadores e diversos motores trabalham com corrente alternada.

Importncia do estudo

Materiais Magnticos

Excitao CAFluxo magntico do ncleo variando de forma senoidal (ao de alguma fora externa)

Circuito magntico sem entreferro

Clculo da tenso induzida na espira:

=

Materiais Magnticos

Excitao CAFormas de onda da tenso induzida, fluxo no ncleo e corrente de excitao ():

- Tenso induzida na bobina Cosseno- Fluxo no ncleo Seno (defasado em 90 graus do cosseno)- Corrente na bobina No-linear histerese do ncleo

= =

Forma da corrente podeser obtida graficamente

Materiais Magnticos

Excitao CA

Perdas no ncleo

Excitao CA

Energia

Potncia reativaProduz fluxo no ncleo

Perdas

Perdas associadas a fluxos variveis

Energia do campo magntico

Aquecimento hmico- Correntes induzidas no material do ncleo

(correntes parasitas de Foucault) Perdas de histerese

Perdas no ncleo

Materiais Magnticos

Excitao CAPerdas no ncleo

Como reduzir o aquecimento hmico

Reduo das corrente parasitas

Estruturas magnticasfeitas de chapas delgadas

de material magntico

- Chapas alinhadas com as linhas de campo- Isoladas por esmalte ou verniz- Quanto mais finas, menores as perdas

Interrupo do caminhodas correntes

Perdas aumentam com:

- O quadrado da frequncia- O quadrado da densidade de fluxo

de pico

Materiais Magnticos

Excitao CAPerdas no ncleo

Perdas de histerese

- Energia gasta para girar os dipolos do material.- Dissipada na forma de calor

Energia perdida a cada ciclo, portanto, quantomaior a frequncia, maior a perda.

rea da curva de histerese

Curva de histerese

Volume do ncleo

Materiais Magnticos

Ims Permanentes

Alnico 5 Im permanente Ao tipo M-5

Alto valor de fluxoresidual ou

magnetizaoremanescente

Alto valor de coercitividadeMaterial magntico duro

Baixo valor de coercitividadeMaterial magntico mole

Materiais Magnticos

Fluxo residual ou magnetizao remanescente

Coercitividade

- Fluxo que permanece depois que o campo externo retirado.- Pode produzir fluxo magntico em um circuito na ausncia de excitao externa.

- Intensidade de campo reverso necessrio para desmagnetizar o material (reduzirdensidade de fluxo a zero)

Ims PermanentesMateriais Magnticos

Produto energtico mximo Figura de mrito do material magntico

- Medida da capacidade de desempenho de um im permanente.- Corresponde ao maior produto B-H- Localizado no segundo quadrante do

lao de histerese- Permite comparar diferentes materiais

magneticos- Operao neste ponto resulta no

menor volume de material necessriopara produzir uma determinadadensidade de fluxo no entreferro.

Alnico 5 Im permanente

Produtoenergtico

mximo

Ims PermanentesMateriais Magnticos

- A intensidade do magnetismo possui limites- Qual este limite ?

- Super im Fe16N28 partes de ferro e uma parte de nitrognioCristal instvel

Estrutura- Cada tomo de nitrognio fica centro de um aglomerado de seis tomos de ferro, com

mais 2 tomos de ferrounindo os conglometados.

Materiais supermagnticos Pesquisa cientfica

Materiais Magnticos

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=material-mais-magnetico-mundo&id=010160100720#.VDFmlhZ-52o

Eltrons dos conglometadosfluem normalmente

Eltrons ao redor do nitrognio ficam confinadose aumentam o magnetismodo material.

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=material-mais-magnetico-mundo&id=010160100720%23.VDFmlhZ-52o

- Resultados ainda so controversos Sociedade cientfica ainda possui dificuldades em se

replicar o experimento.

Benefcios de um material super magntico

Fabricao de peas de leitura de disco rgidos menores Colocao de mais dados na mesma rea do disco Novo impulso ao crescimento da capacidade dos discos

magnticos.

Materiais supermagnticos Pesquisa cientfica

Materiais Magnticos

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=material-mais-magnetico-mundo&id=010160100720#.VDFmlhZ-52o

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=material-mais-magnetico-mundo&id=010160100720%23.VDFmlhZ-52o

- Memrias magnticas : Disco rgidos convencionais Maior capacidade de armazenamento de dados Mais baratas Mais lentasMovimento de peas mecnicas Fazem barulho

- Memria SSD: Uma pendrive como HD

Materiais supermagnticos

Materiais Magnticos

- Memria SSD: Uma pendrive como HD

SSD Solid State Drive

Caractersticas- Circuito integrado semicondutor (no magntico)- Silenciosas- Leitura sem um brao mecnico- Esquenta menos- Consome menos energia- Capacidade de armazenamento muito menor- Custo muito alto

Materiais Magnticos

Uma nova idia para armazenamento de dados (Pesquisa cientfica)

Memria de cristal

Materiais Magnticos

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=memoria-optica-5d&id=010110130710#.VDGAeBZ-52o

- Vidro nanoestruturado de quartzo- Estruturas esculpidas em nanoescala com dados gravados e lidos com pulsos de laser

- Densidade de dados aponta para tamanhos de DVD com capacidade de 360 Terabytes

- Estabilidade trmica de at 1000 graus- Vida til ilimitada

Vida til dos dvd atuais de 10 anos

Chamado de:Memria de cristal do Super-homem

Desenvolvido na Universidade de Southampton no Reino UnidoPor Jingyu Zhang

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=memoria-optica-5d&id=010110130710%23.VDGAeBZ-52o

Materiais Supercondutores

Materiais SupermagnticoMateriais Supercondutores

Materiais Magnticos

Efeito Meissner

O efeito de Meissner (tambm conhecido como o efeito Meissner-Ochsenfeld effect) a expulso de um campo magntico de um supercondutor.

Supercondutividade - uma propriedade fsica. De caracterstica intrnseca de certos materiais, quando resfriados a temperaturas extremamente baixas, tendem a conduzir corrente eltrica sem resistncia nem perdas.


Materiais Magnticos

Principais materiais:

Ferro = 30 800 Material magntico macio ou moleNquel = 50Cobalto = 60Fe-Si = 5500Mumetal = 100.000

Pequena reano ciclo de histerese

As ligas so feitas para melhorar as propriedades do ferro:- Reduzir correntes parasitas- Aumentar nivel de saturao- Melhorar o valor da permeabilidade

magntica


Materiais Magnticos

Principais ligas e suas caractersticas:

- Ligas de ferro-nquelElevada permeabilidade

Usos: - telecomunicaes, radio frequncia,- Bobinas, rels, blindagens magnticas

Grupo 1- At 35% de nquel- Nomes comerciais: Anhyster A e B, Rhometal.

Grupo 2- Ligas entre 35% e 50% de nquel.- Caractersticas: Baixa resistividade e permeabilidades maiores que do grupo 1.- Comercial: Hypernik, Anhyster C e D, Permalloy-45, Nicalloy.


Materiais Magnticos


- Ligas de ferro-nquel

Grupo 3- Ligas com 80% de nquel em mdia.- Caractersticas: Elevada permeabilidades (em torno de 100.000)- Comercial:

- Permalloy-78 (78,5% de nquel).- Mumetal (76 Ni, 17 Fe, 5 Cu, 2 Cr)

Usado para: - Blindagem magntica- Memrias HD- Circuitos supercondutores


Materiais Magnticos


- Ligas de ferrosilcioPequenas quantidades de silcio no ferro (at 5%)

Funes:Reduz perdas por correntes parasitas. Chapas laminadas e isoladas entre si em motores e transformadores

Usos: transformadores, reatores de potncia, motores.


Materiais Magnticos

Ligas de ferro-cobalto- Alto ponto de saturao elevada permeabilidade.- Ferro oxida fcil / Ferro-cobalto resistente corroso e ao desgaste- Maior resistncia ao calor- Presena de cobalto no ferro aumenta a difuso do carbono nas ligas.

Usos: ncleo de auto-falantes, membranas de capsulas telefnicas.

- FerritesLigas de xidos (Fe, Mg, Mn, Zn, Nd)Elevada resistividade e boa permeabilidade.Frgil exige os mesmos cuidados da cermica

Usos: ncleos que operam em altas frequncias


Materiais Magnticos

- ms permanentesPossuem elevado magnetismo residualEx.: Nd + Fe + B

- m naturalMagnetitaMineral com propriedades magnticas

- m artificialMaterial submetido a campo magnticoFrico com m natural

- Im temporalMagnetizado temporariamente por ondas eletromagnticasEx: Ferro com baixo teor de carbono

- EletromBobina por onde circula corrente eltrica


Materiais Magnticos

- ms de AlnicoCobinao de alumnio, nquel e cobalto com ferroAlta permeabilidadeCampos magnticos intensosCapaz de levantar mais de 1000 vezes o prprio peso.

Usos:

Alto-falantes, motores eltricos, geradores de pequeno porte, vlvulas magntron, captadores de guitarra eltrica.

Instrumentos de medidas: velocmetros, tacgrafos, medidores de energia eltrica.

Materiais Magnticos

m de Neodmio

Constituio: Neodmio, Ferro e Boro Nd2Fe14B

Caractersticas:- Poderoso m- Mecanicamente frgeis- Perdem seu magnetismo de forma irreversvel acima de 120 graus- Produto energtico mximo de 12 a 15 megagaus-oerteds (kJ/m3)

Cuidados:- Um m do tamanho de uma moeda de 25 centavos capaz de carregar 10kg.- Capazes de prensar a pele dos dedos- Destroem monitores de computadores e televises- Apagam informaes de discos magnticos.

Materiais Magnticos

m de Neodmio


Materiais Magnticos

- Dispositivos eletromecnicos detalhes construtivos

Rel eletromecnico

Materiais ferromagnticosMateriais Magnticos

- Dispositivos eletromecnicos detalhes construtivosMotor eltrico

Duas estruturas magnticas: Estator (enrolamento de campo/shunt ou m permanente);

Rotor (enrolamento de armadura).

Funcionamento do motor CC de dois plos

Funcionamento do motor CC de dois plos.

Transformadorde distribuio

Transformador de usina de gerao(fora - potncia)

Transformadores de circuitos eletrnicos

Materiais Magnticos

- Dispositivos eletromecnicos tipos de transformadores

Transformador a seco

Transformadores

Convenes

Primrio Entrada Secundrio Sada

Alta tenso Baixa tenso

Pode causar confusopois existe fluxo de energia nos dois sentidos

Terminologia alternativa

TransformadoresMateriais Magnticos

Relao de tenses ou relao de transformao Proporo entre espiras pode gerar praticamente qualquer transformao de tenso

Essncia do funcionamento requer:

Fluxo comum, varivel no tempo, enlaando dois enrolamentos


Transformador com ncleo de ar

Transformador com ncleo de ferro


Tipos comuns de construo

Transformador de ncleo envolvido

Transformador de ncleo envolvente


Magnetoestrico

Materiais Magnticos

Materiais que quando imersos em um campo magntico externo apresentamdeformaes elsticas.

Quando submetidos a deformaes elsticas, tem o valor da sua permeabilidademagntica alterado.

Ex: - Ferro, cobalto, nquel- Ligas de ferro-cromo, ferro-cobalto, ferro-alumnio

Aplicaes:- Sistemas de controle de presses- Prensas automticas- Transdutores eletromecnicos- Medidores de deformaes

Proxima aula

Materiais Magnticos - INDUTORES

PDF INDUTORES

COMO_INTERPRETAR_INDUTORES_BOBINAS.PDF



AR:


Dimetro do fio


http://smirc.stanford.edu/papers/JSSC99OCT-mohan.pdf


http://www.magmattec.com/

http://www.thornton.com.br/

http://www.mag-inc.com/

Questes

7) Conceitue o magnetismo. O que so domnios e dipolosmagnticos?8) Explique a classificao dos materiais sob o ponto de vista magntico.9) Comente sobre a magnetizao de materiaisferromagnticos e o ciclo de histerese.10) Comente sobre alguns materiais e ligas ferromagnticas11) O que indutncia? O que so e como so classificados osindutores? No que se constituem os transformadores?12) O que magnetoestrico?

Questes

11) O que indutncia? O que so e como so classificados osindutores? No que se constituem os transformadores?

Indutncia a propriedade do condutor, no qual percorre uma corrente eltrica, de induzir uma tenso em si mesmo e em condutores prximos.

[email protected]

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