Características do loop de histerese: Análise das curvas B-H e J-H
Os materiais magnéticos são onipresentes na tecnologia moderna, de discos rígidos a motores, de transformadores a sensores, e seu desempenho afeta diretamente a eficiência e a confiabilidade do equipamento. A histerese, como uma propriedade central dos materiais magnéticos, descreve a histerese da resposta de magnetização dos materiais sob a ação de um campo magnético externo. Por meio das curvas B-H e J-H, podemos compreender profundamente as características e o potencial de aplicação dos materiais magnéticos. Este artigo discutirá em detalhes o fenômeno da histerese, as características das curvas, a classificação dos materiais e sua ampla aplicação no campo da ciência e da tecnologia.
O que é histerese?
Histerese vem da palavra grega "lag", que se refere à mudança de magnetização ou intensidade de indução magnética de materiais ferromagnéticos (como ferro, níquel, cobalto e suas ligas) sob a ação de um campo magnético externo. Quando um campo magnético externo é aplicado, o material gradualmente atinge a magnetização por meio do movimento das paredes do domínio magnético e da rotação dos momentos magnéticos. Mesmo que o campo magnético seja removido, o efeito de fixação impede que os domínios magnéticos se recuperem totalmente, fazendo com que o material retenha um certo grau de magnetização, chamado de remanência (Br). Essa propriedade de "memória magnética" torna os materiais magnéticos importantes para aplicações em dispositivos de armazenamento e ímãs permanentes.
Mecanismo físico da histerese
A raiz da histerese está no comportamento dinâmico dos domínios magnéticos dentro do material. Os domínios magnéticos são áreas minúsculas no material, cada uma com uma direção de magnetização consistente. Na ausência de um campo magnético externo, os domínios magnéticos são dispostos aleatoriamente e a intensidade da magnetização líquida é zero. Após a aplicação de um campo magnético externo, o processo de magnetização é dividido em: 1) movimento reversível da parede do domínio magnético (região de campo baixo); 2) salto irreversível da parede do domínio magnético (região de campo médio); 3) rotação do momento magnético (região de campo alto). Após a remoção do campo magnético, alguns domínios magnéticos não podem retornar a um estado aleatório devido ao efeito de fixação, resultando em magnetismo residual. Para desmagnetizar completamente, um campo magnético reverso deve ser aplicado ou aquecido acima da temperatura de Curie para destruir o arranjo do domínio magnético.
Curva B-H (loop de histerese)
A curva B-H é um gráfico de curva que mostra a relação entre a intensidade da indução magnética e a intensidade do campo magnético externo, ilustrando assim as propriedades de magnetização do material. Sua fórmula é:
B = μ₀H + J
Aqui, μ₀ é a permeabilidade magnética do vácuo (4π×10⁷ H/m) e J = μ₀M é a densidade de magnetização. A curva de histerese B-H é normalmente o circuito fechado que representa as propriedades de magnetização não linear do material que pode ser derivado.
Curva de magnetização inicial
Em primeiro lugar, no estado magnético neutro, um campo magnético externo H é aplicado, enquanto a intensidade da indução magnética B aumenta com H e, portanto, B apresenta os seguintes estágios:
Região de Rayleigh (campo baixo): movimento reversível da parede do domínio magnético, B aumenta linearmente com H;
Região de magnetização irreversível: o salto na parede do domínio predomina, B aumenta rapidamente;
Aproximação da região de saturação: a rotação do momento magnético é dominante, B se aproxima assintoticamente do valor de saturação Bs.
Remanescência e força coercitiva
Remanência (Br): Quando H diminui de Hs para 0, B não retorna ao longo da curva de magnetização inicial, mas diminui ao longo de um novo caminho, mantendo uma certa intensidade de indução magnética em H=0, que é chamada de remanência Br. A remanência reflete a capacidade de um material de manter a magnetização.
Força coercitiva: Há dois tipos:
Força coercitiva da indução magnética (Hcb): o campo magnético reverso necessário para reduzir B a 0;
Força coercitiva intrínseca (Hcj): o campo magnético necessário para reduzir J (ou M) a 0 (Hcj ≥ Hcb, somente para materiais magnéticos permanentes).
Loop de histerese
Quando H muda ciclicamente nas direções positiva e negativa (como em um acionamento CA), a curva B-H forma um loop fechado (a-b-c-d-e-f-a), que é chamado de loop de histerese:
Magnetização direta: de 0 a ponto de saturação positivo (a a b);
Reduzir o campo magnético: H é reduzido a 0, B é reduzido a Br (b para c);
Magnetização reversa: Aplique H reverso, B é reduzido a 0 (c a d, Hcb) e continue a aumentar H reverso até a saturação negativa (d a e);
Retorno do ciclo: H é reduzido a 0 novamente (e para f, Br negativo) e, em seguida, aumentado positivamente até a saturação (f para a). A área do loop representa a densidade de energia de perda de histerese (W = ∮HdB), ou seja, a energia dissipada como calor durante o ciclo de magnetização. Um loop estreito significa baixa perda, enquanto um loop largo significa maior perda.
Curva J-H (curva de desmagnetização intrínseca)
A curva J-H descreve a relação entre a intensidade da polarização magnética (J = μ₀M, unidade: Tesla) e H, e é usada principalmente para avaliar as propriedades magnéticas intrínsecas de materiais magnéticos permanentes.
Coercividade intrínseca (Hcj)
O valor de H correspondente a quando J cai para 0 é chamado de coercividade intrínseca Hcj, que indica a intensidade do campo magnético reverso necessária para a desmagnetização completa do material. Hcj é um indicador importante da resistência à desmagnetização de materiais magnéticos permanentes e geralmente é muito maior do que Hcb.
Ponto de inflexão (Hk)
Durante o aumento do campo magnético reverso, J diminui lentamente até um determinado ponto (J = 0,9Br), quando cai rapidamente. Esse ponto é chamado de ponto de inflexão (Hk), marcando o início da desmagnetização irreversível. Quanto mais próximo Hk estiver de Hcj, maior será a estabilidade do material em alta temperatura ou campo reverso.
Quadratura (Q)
A quadratura é definida como Q = Hk/Hcj (0 ≤ Q ≤ 1). Q ≥ 0,9 indica que a curva de desmagnetização está próxima de um retângulo, o que é uma característica dos ímãs permanentes de alta qualidade.
Características dos materiais magnéticos macios e duros
Os materiais magnéticos são divididos em materiais magnéticos macios e duros, de acordo com o formato do loop:
Materiais magnéticos macios (como aço silício, ferrite):
Loop de histerese estreito, Br e Hc baixos;
Baixa perda por histerese, adequada para aplicações de CA, como transformadores e motores;
O aço silício reduz as perdas por corrente de Foucault e histerese com a adição de silício.
Materiais magnéticos rígidos (como NdFeB, SmCo, AlNiCo):
Amplo loop de histerese, alto Br e Hcj;
Alta capacidade antidemagnetização, usada para motores de ímã permanente e armazenamento magnético.
Efeito da temperatura nas propriedades magnéticas
Remanência (Br) e coercividade (Hc, Hcj): diminuem com o aumento da temperatura;
Temperatura de Curie (Tc)Quando T≥Tc, o material se torna paramagnético e a histerese desaparece;
A desmagnetização irreversível pode ocorrer em altas temperaturas, especialmente quando a temperatura de operação está próxima da intensidade do campo correspondente ao ponto de inflexão Hcj.
Efeito Barkhausen
Durante o processo de magnetização, o salto discreto de magnetização causado pela depinning da parede do domínio é chamado de efeito Barkhausen, que aparece como um sinal de ruído na curva de magnetização. Esse efeito pode ser usado para testes não destrutivos de distribuição de tensão e defeitos no interior do material.
Seleção de materiais
Os materiais magnéticos macios (como as ligas amorfas) têm Hc extremamente baixo.
Melhoria do processo: redução da resistência da parede do domínio por meio do controle da orientação do grão (como laminação de aço silício);
Gerenciamento de frequência: uso de empilhamento de filme fino para reduzir as perdas por correntes parasitas em aplicações de alta frequência.
Conclusão
Os gráficos de histerese, B-H e J-H retratam as principais relações que nos permitem entender e aprimorar o magnetismo dos materiais. A magnetização reversível na região de Rayleigh e a força coercitiva intrínseca dos ímãs permanentes são propriedades que não só permitem entender a microestrutura dos materiais, mas também facilitam seu uso na ciência e na tecnologia modernas. Por meio do progresso contínuo da ciência dos materiais, a criação de novas substâncias magnéticas facilitará ainda mais a implementação de tecnologias de alta eficiência e baixa perda e permitirá maiores inovações nos setores de energia, armazenamento e saúde.
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