O documento discute as propriedades magnéticas dos materiais. Alguns materiais como o ferro são fortemente magnéticos enquanto outros como o cobalto e o níquel também apresentam fortes características magnéticas. A maioria dos materiais é fracamente atraída ou repelida por ímãs. O documento explica os conceitos de ferromagnetismo, domínios magnéticos e histerese magnética, que são importantes para entender o comportamento magnético dos materiais.

1. Comportamento Magnético dos Materiais
Alguns materiais, tal como o Ferro, são marcadamente magnéticos, enquanto que outros não o
são. De fato, uma das técnicas mais simples de separação de materiais ferrosos dos não-ferrosos
é através da comparação de suas propriedades magnéticas. Embora sejam poucos os materiais
semelhantes ao Ferro, não é ele o único a apresentar fortes características magnéticas. O Cobalto,
o Níquel e o Gadolínio são altamente magnéticos; além disso, muitas ligas especiais têm
propriedades magnéticas úteis.
- Paramagnetismo e Diamagnetismo
A maioria dos elementos e materiais não é inteiramente destituída de propriedades magnéticas.
A maior parte dos metais é paramagnética, ou fracamente atraída por um imã (ou magneto).
Outros metais são diamagnéticos, ou seja, são repelidos por um ímã (ou magneto). Como as
propriedades magnéticas dos materiais paramagnéticos e diamagnéticos correspondem a menos
da milionésima parte dos correspondentes do grupo Ferro-Níquel-Cobalto, esses materiais têm,
ainda hoje em dia, um interesse restrito na engenharia, de um modo geral.
- Ferromagnetismo A importância histórica e comercial do Ferro como um material magnético deu
origem ao termo ferromagnetismo, para englobar as intensas propriedades magnéticas possuídas
pelos elementos do grupo do Ferro na tabela periódica. O ferromagnetismo é resultado da
estrutura eletrônica dos átomos. Convém lembrar que, no máximo, dois elétrons podem ocupar
cada um dos níveis de energia de um átomo isolado. Esses dois elétrons têm “spins” opostos
(como já esquematizado Fig. 22) e, como cada elétron, quando girando em torno de si mesmo, é
equivalente a uma carga se movendo, cada elétron possui um momento magnético associado,
atuando como um magneto extremamente pequeno, com os correspondentes pólos norte e sul.
De uma maneira geral, em um elemento, em relação ao preenchimento dos sub níveis de energias
eletrônicas, o número de elétrons que têm “spin” num certo sentido é igual ao número de elétrons
que têm o seu “spin” no sentido oposto, como esquematizado na parte (a) da figura abaixo, quando
o efeito resultante é uma estrutura magnèticamente insensível, ou não magnética:
Fig.30- Magnetismo atômico, em relação ao preenchimento dos sub níveis de energias eletrônicas:
(a) Não magnético ; (b) Magnético.
Entretanto, em um elemento com sub níveis internos não totalmente preenchidos, o número de
elétrons com “spin” num sentido é diferente do número de elétrons com “spin” em sentido contrário,
como na parte (b) da figura acima. Dessa forma, esses elementos têm um momento magnético
resultante não nulo. No Ferro puro, na temperatura ambiente, no Níquel, Cobalto e Gadolínio,
esses momentos magnéticos são suficientemente fortes e os átomos estão adequadamente
próximos uns aos outros, de forma a haver um alinhamento magnético espontâneo dos átomos
adjacentes. Satisfeitas essas condições, temos então o fenômeno chamado de ferromagnetismo.
Entre outros materiais metálicos, tais como ligas Mn-Bi, podemos também encontrar estruturas que
propiciem o ferromagnetismo. Anàlogamente, várias fases cerâmicas são magnéticas
(ou ferromagnéticas), tais como NiFe2O3 e BaFe12O19.
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2. - Domínios magnéticos
Em um material ferromagnético, os átomos adjacentes se alinham mutuamente, de forma a terem
suas orientações magnéticas numa mesma direção e sentido. Dessa forma, um cristal ou grão
deste material contém regiões distintas, onde os átomos se encontram magneticamente orientados,
denominadas de domínios magnéticos:
Fig.31- Domínios magnéticos:os domínios, da mesma forma que os grãos, contêm um grande número de
células unitárias; entretanto, domínios adjacentes também estão relacionados cristalograficamente. A linha
pontilhada indica limite (ou contorno) entre domínios.
Os domínios usualmente não têm dimensões superiores a 0,05 mm, como ilustra afigura abaixo:
Fig.32- Domínios magnéticos no Ferro-Silício (ampliação: 25 x). Os domínios são tornados visíveis ao
microscópio pelo uso de Ferro finamente pulverizado, o qual é depositado sobre a superfície metálica polida.
O pó magneticamente aglomerado pode ser observado nos limites dos domínios.
- Alinhamento de domínios magnéticos
Em um material ferromagnético desmagnetizado, os domínios estão orientados ao acaso, de
forma que seus efeitos se cancelam. Entretanto, se os domínios são alinhados por um campo
magnético externo aplicado, o material se torna magnético:
Fig.33- Alinhamento de domínios: um campo magnético externo pode alinhar os domínios ferromagnéticos.
Quando os domínios estão alinhados, o material fica magnetizado.
O alinhamento de todos os domínios em uma direção origina um efeito magnético aditivo, que
pode ou não permanecer (retido) na estrutura do material, após a retirada do campo externo.
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3. Para designar quando o alinhamento magnético é permanentemente retido ou não, são usados,
respectivamente, os termos: “material magnético duro” e “material magnético mole”.
Como os materiais mecanicamente duros normalmente também são magneticamente duros, esses
termos são mesmo adequados. As tensões residuais, na estrutura de um material endurecido,
evitam a redistribuição ao acaso dos domínios magnéticos, quando o campo magnético externo
aplicado é retirado, ou muda de sentido. Um material naturalmente magnético ou magnetizado
perde o alinhamento dos seus domínios magnéticos quando é recozido (no tratamento térmico de
Recozimento, para diminuir as tensões mecânicas residuais e, assim, a sua dureza), já que a
atividade térmica provoca a desorientação desses domínios. A figura abaixo mostra esse efeito
para algumas ligas metálicas que foram magnetizadas por um campo magnético externo:
Fig.34- Influência da temperatura no magnetismo retido de ligas metálicas magnetizadas: um aumento na
atividade térmica permite o retorno à orientação ao acaso dos domínios magnéticos.
- Campos Magnéticos Alternados
As características magnéticas requeridas em componentes elétricos de equipamentos são
frequentemente produzidas pela passagem de uma corrente elétrica através de uma bobina, com
um núcleo magnético, o que aumenta o fluxo magnético através desta bobina. Em um equipamento
de corrente alternada, o núcleo é primeiramente magnetizado em um sentido e depois no sentido
contrário, quando a corrente é invertida. A figura abaixo esquematiza essas situações, par um
material ideal e magneticamente “mole”:
Fig.35-: Fluxo magnético em um material ideal e magneticamente “mole”: a desmagnetização ocorre
imediatamente após a remoção do campo magnético indutor; não há dispêndio de energia para isso;
este material não ficaria aquecido, ao ser usado como núcleo de um transformador.
Na parte (a) da figura acima, com o aumento do campo magnético H, o fluxo magnético B, através
de uma material magnético idealmente mole, é aumentado.
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4. O fluxo magnético aumenta com o campo magnético até que a saturação magnética Bmax é
atingida. Além desse ponto, um aumento no campo magnetizante implica em apenas um pequeno
aumento no fluxo magnético induzido.
Se o campo magnetizante é removido, o fluxo magnético induzido se anula (parte(b) desta figura).
Quando o campo magnético indutor é aplicado no sentido oposto, durante a parte negativa do ciclo
alternante, o fluxo magnético induzido atinge um máximo (Bmax), na direção oposta (parte (c) da
mesma figura).
- Histerese Magnética
Em um material que não é idealmente “mole” (no sentido magnético da palavra), o fluxo magnético,
durante a reversão do campo magnetizante, se atrasa; consequentemente, a remoção do campo
magnético ainda deixa um magnetismo residual, Br, no material, como esquematizado na parte (a)
da figura abaixo:
Fig.36- Fluxo magnético em um material magneticamente duro: a remoção do campo magnetizante, H, não
elimina o fluxo magnético induzido, B.
O fluxo magnético só se anula, quando o campo é revertido até o valor Hc ,chamado de “força
coercitiva”(parte(b) da figura acima). A parte negativa do ciclo alternante produz um atraso idêntico,
só que oposto (parte (c) da mesma figura).
O atraso, descrito acima, é do maior interesse para o engenheiro eletricista, pois um material, com
uma força coercitiva elevada consome uma grande quantidade de energia para realinhar os
domínios magnéticos, de uma direção para outra; essa energia é perdida na forma de calor.
A quantidade de energia consumida é proporcional à área contida no interior do ciclo de histerese,
como podemos verificar comparando a Fig.36(c) com a Fig.35(c).
Portanto, exceto para magnetos permanentes, são desejáveis os materiais que se comportem, o
mais próximo possível, da maneira esquematizada na Fig. 36(c).
Como os materiais livres de tensões são também magneticamente moles, os metais ideais para
aplicação na fabricação de núcleos para bobinas elétricas, normalmente possuem apenas uma
fase em sua microestrutura (são chamados, por isso, de monofásicos), além de serem
cuidadosamente recozidos, de forma a produzir o menor fluxo residual (Br) possível.
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5. - Influência da direção cristalográfica na magnetização
A orientação cristalina também afeta as propriedades magnéticas de um material, tal como está
mostrado na figura abaixo para três diferentes direções cristalinas:
Fig.37- Fluxo magnético “versus” direção cristalográfica: efeito da aplicação de um campo rnagnetizante
para cada uma de três direções cristalográficas em um cristal de Ferro: a magnetização completa é obtida
mais facilmente na direção [100].
No Ferro, a direção [100] requer menor campo magnético H para atingir o estado completamente
magnetizado Bmax. O Níquel e o Cobalto, por outro lado, são mais facilmente magnetizados nas
direções [111] e [0001], respectivamente. Através de uma conformação adequada e de tratamentos
térmicos convenientes, o engenheiro pode formular métodos que produzam orientações
preferenciais em uma chapa metálica. Essas chapas de aço de “grãos orientados”, ao serem
usadas em projetos, permitem tirar o máximo proveito dos efeitos da orientação cristalina na
magnetização requerida.
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