Efeito Magnetoestrictivo: Uma Propriedade dos Materiais Magnéticos
A magnetostricção é definida como a propriedade de alguns materiais magnéticos que os faz mudar sua forma ou dimensões quando são magnetizados por um campo magnético externo. A mudança no tamanho ou comprimento de um material devido à magnetostricção depende da intensidade e direção do campo magnético aplicado, bem como da anisotropia magnética e estrutura cristalina do material.
A magnetostricção pode ser usada para converter energia eletromagnética em energia mecânica, ou vice-versa, e é a base para muitas aplicações, como atuadores, sensores, transdutores, transformadores, motores e geradores.
O que é Magnetostricção?
A magnetostricção foi descoberta pela primeira vez por James Joule em 1842, quando ele observou que uma barra de ferro se alongava ligeiramente quando magnetizada ao longo de seu comprimento e se contraía ligeiramente quando magnetizada na largura. Este fenômeno é conhecido como efeito Joule e ocorre na maioria dos materiais ferromagnéticos (materiais que podem ser magnetizados por um campo externo) e alguns materiais ferrimagnéticos (materiais que possuem duas subredes magnéticas opostas).
O mecanismo físico por trás da magnetostricção está relacionado à estrutura interna dos materiais magnéticos, que consiste em regiões microscópicas chamadas domínios. Cada domínio tem uma direção de magnetização uniforme, determinada pelo equilíbrio entre a energia de anisotropia magnética (a tendência do material de alinhar sua magnetização ao longo de certas direções cristalinas) e a energia magnetostática (a tendência do material de minimizar seus polos magnéticos).
Quando um campo magnético externo é aplicado a um material magnético, ele exerce um torque nos domínios, fazendo com que eles rotacionem e se alinhem com a direção do campo. Este processo envolve o movimento das paredes de domínio (as fronteiras entre domínios com diferentes direções de magnetização) e a deformação da rede cristalina (a disposição dos átomos no material). Como resultado, o material muda sua forma ou dimensões de acordo com sua tensão magnetoestrictiva (a mudança fracionária no comprimento ou volume devido à magnetostricção).
A tensão magnetoestrictiva depende de vários fatores, como:
A magnitude e direção do campo magnético aplicado
A magnetização de saturação (a magnetização máxima possível) do material
A anisotropia magnética (a preferência por certas direções de magnetização) do material
O acoplamento magnetoelástico (a interação entre a magnetização e a tensão elástica) do material
A temperatura e o estado de tensão do material
A tensão magnetoestrictiva pode ser positiva ou negativa, dependendo de se o material se expande ou se contrai quando magnetizado. Alguns materiais apresentam uma inversão no sinal de sua tensão magnetoestrictiva quando expostos a campos magnéticos altos, o que é conhecido como reversão Villari.
A tensão magnetoestrictiva pode ser medida por diversos métodos, como interferometria óptica, extensômetros, transdutores piezelétricos, ou técnicas ressonantes. O parâmetro mais comum usado para caracterizar a magnetostricção é o coeficiente de magnetostricção (também chamado de coeficiente de Joule), que é definido como:
λ=LΔL
onde ΔL é a mudança no comprimento do material quando magnetizado de zero até a saturação, e L é seu comprimento inicial.
Materiais Magnetoestrictivos
Existem muitos materiais que exibem magnetostricção, mas alguns deles têm valores mais altos e melhor desempenho do que outros. Alguns exemplos de materiais magnetoestrictivos são:
Ferro: O ferro é um dos materiais magnetoestrictivos mais comuns e amplamente utilizados, devido à sua alta magnetização de saturação e baixo custo. No entanto, o ferro também tem algumas desvantagens, como um coeficiente de magnetostricção baixo (cerca de 20 ppm), alta perda de histerese (a energia dissipada durante cada ciclo de magnetização) e alta perda por correntes parasitas (a energia dissipada devido a correntes induzidas em materiais condutivos no material). O ferro também tem uma baixa temperatura de Curie (a temperatura acima da qual um material perde suas propriedades ferromagnéticas), o que limita seu uso em aplicações de alta temperatura.
Níquel: O níquel tem um coeficiente de magnetostricção maior do que o ferro (cerca de 60 ppm), mas também uma perda de histerese e perda por correntes parasitas maiores. O níquel também tem uma baixa temperatura de Curie (cerca de 360 °C) e é propenso à corrosão.
Cobalto: O cobalto tem um coeficiente de magnetostricção moderado (cerca de 30 ppm), mas uma alta magnetização de saturação e uma alta temperatura de Curie (cerca de 1120 °C). O cobalto também tem uma baixa perda de histerese e perda por correntes parasitas, tornando-o adequado para aplicações de alta frequência.
Liga Ferro-Alumínio (Alfer): Esta liga tem um coeficiente de magnetostricção alto (cerca de 100 ppm), uma alta magnetização de saturação e uma alta temperatura de Curie (cerca de 800 °C). Também tem uma baixa perda de histerese e perda por correntes parasitas, e boas propriedades mecânicas. No entanto, é difícil de fabricar e requer tratamento térmico especial.
Liga Ferro-Níquel (Permalloy): Esta liga tem um coeficiente de magnetostricção baixo (cerca de 1 ppm), mas uma alta magnetização de saturação e uma alta permeabilidade (a capacidade de um material de suportar um campo magnético interno). Também tem uma baixa perda de histerese e perda por correntes parasitas, tornando-a ideal para blindagem magnética e aplicações de gravação.
Liga Cobalto-Níquel: Esta liga tem um coeficiente de magnetostricção moderado (cerca de 20 ppm), mas uma alta magnetização de saturação e uma alta temperatura de Curie (cerca de 950 °C). Também tem uma baixa perda de histerese e perda por correntes parasitas, e boa resistência à corrosão.
Liga Ferro-Cobalto: Esta liga tem um coeficiente de magnetostricção moderado (cerca de 30 ppm), mas uma magnetização de saturação muito alta e uma alta temperatura de Curie (cerca de 980 °C). Também tem uma baixa perda de histerese e perda por correntes parasitas, e boas propriedades mecânicas.
Liga Cobalto-Ferro-Vanádio (Permendur): Esta liga tem um coeficiente de magnetostricção baixo (cerca de 5 ppm), mas uma magnetização de saturação muito alta e uma temperatura de Curie muito alta (cerca de 1400 °C). Também tem uma baixa perda de histerese e perda por correntes parasitas, tornando-a adequada para aplicações de alta potência.
Ferritas: As ferritas são materiais cerâmicos compostos por óxidos de ferro e outros óxidos metálicos, como óxido de cobalto ou óxido de níquel. Elas têm coeficientes de magnetostricção baixos (menos de 10 ppm), mas também têm baixa magnetização de saturação e baixa permeabilidade. Têm perdas de histerese e perdas por correntes parasitas muito baixas, tornando-as ideais para aplicações de alta frequência. Elas também têm altas temperaturas de Curie (acima de 400 °C) e boa resistência à corrosão.
Terras Raras: As terras raras são elementos com números atômicos de 57 a 71, como lantânio, cério, neodímio, samário, gadolínio, terbium, disprósio, holmio, érbio, túlio, itérbio ou lutécio. Elas têm coeficientes de magnetostricção muito altos (até 1000 ppm), mas também têm perdas de histerese e perdas por correntes parasitas muito altas. Têm magnetização de saturação e permeabilidade moderadas, mas baixas temperaturas de Curie (abaixo de 300 °C). São frequentemente usadas em combinação com outros metais ou compostos para formar ligas ou intermetálicos com propriedades melhoradas.
Terfenol-D: O Terfenol-D é um composto intermetálico composto por terbium, ferro e disprósio. Ele tem o coeficiente de magnetostricção mais alto já registrado (cerca de 2000 ppm), o que significa que pode produzir grandes tensões quando magnetizado. Também tem uma alta magnetização de saturação e uma alta temperatura de Curie (cerca de 380 °C). No entanto, também tem uma perda de histerese e perda por correntes parasitas muito altas, o que limita sua eficiência e faixa de frequência. Também requer um campo magnético alto (cerca de 800 kA/m) para atingir sua tensão máxima, o que aumenta seu consumo de energia e custo.
Galfenol: O Galfenol é uma liga de ferro e gálio, com composição de cerca de Fe81Ga19. Tem um coeficiente de magnetostricção moderado (cerca de 250 ppm), mas uma perda de histerese e perda por correntes parasitas muito baixas, o que o torna mais eficiente e durável do que o Terfenol-D. Também tem uma alta magnetização de saturação e uma alta temperatura de Curie (cerca de 700 °C). Pode operar em campos magnéticos baixos (cerca de 100 kA/m) e frequências altas (até 10 kHz).
Metglas: O Metglas é um vidro metálico composto por ferro, boro, silício e outros elementos. Tem um coeficiente de magnetostricção baixo (cerca de 20 ppm), mas uma alta magnetização de saturação e uma alta permeabilidade. Também tem perdas de histerese e perdas por correntes parasitas muito baixas, tornando-o ideal para blindagem magnética e aplicações de conversão de energia.
Aplicações da Magnetostricção
A magnetostricção tem muitas aplicações em diversos campos, como:
Atuadores: Atuadores são dispositivos que convertem energia elétrica em movimento mecânico, ou vice-versa. Atuadores magnetoestrictivos usam materiais magnetoestrictivos para produzir movimento linear ou rotativo quando submetidos a um campo magnético ou para gerar um campo magnético quando submetidos a tensão mecânica. Atuadores magnetoestrictivos têm vantagens sobre outros tipos de atuadores, como piezelétricos ou eletrostáticos, em termos de força maior, deslocamento maior, resposta mais rápida, menor consumo de energia, design mais simples e vida útil mais longa.
Sensores: Sensores são dispositivos que medem grandezas físicas, como força, pressão, temperatura, deslocamento ou campo magnético. Sensores magnetoestrictivos usam materiais magnetoestrictivos para detectar mudanças nessas grandezas, medindo a tensão ou magnetização induzida no material. Sensores magnetoestrictivos têm vantagens sobre outros tipos de sensores, como extensômetros ou capacitivos, em termos de maior sensibilidade, precisão, estabilidade, confiabilidade e durabilidade.
Transdutores: Transdutores são dispositivos que convertem uma forma de energia em outra, como som ou ultrassom. Transdutores magnetoestrictivos usam materiais magnetoestrictivos para gerar ou receber ondas acústicas, aplicando ou detectando um campo magnético no material. Transdutores magnetoestrictivos têm vantagens sobre outros
