Materiais magnéticos

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Materiais magnéticos

  1. 1. Materiais Magnéticos para Energia e Ambiente Rodrigo Eberhart Renato Fernandes UFABC
  2. 2. Energia e Ambiente● Nanomateriais magnéticos● Novos materiais magnéticos● Novas ligas magnéticas● Pesquisas recentes● Curiosidades● Materiais avançados Magnéticos
  3. 3. História do Magnetismo
  4. 4. O que produz um campo magnético?
  5. 5. Michael Faraday● Nota comemorativa – Faraday● Um dos pioneiros dos estudos do eletromagnetismo
  6. 6. James Clerk Maxwell● Equações de Maxwell - Eletromagnetismo
  7. 7. Equações de Maxwell● 4 equações de Maxwell Rev. Bras. Ensino Fís. vol.32 no.4 São Paulo Oct./Dec. 2010
  8. 8. Magnetismo da Terra
  9. 9. Magnetismo da Terra● Protetor da Terra dos raios cósmicos e do vento solar que seria mortal para os seres vivos da terra● Outra importância diz respeito a conservação da Atmosfera na Terra
  10. 10. Visões Populares
  11. 11. Forno de Micro-ondas
  12. 12. Funcionamento Básico de um Forno de Micro-ondas● O Magnetron emite ondas de micro-ondas direcionadas em linha reta
  13. 13. Exemplos de ordenamento magnético
  14. 14. Histerese
  15. 15. Domínios Magnéticos
  16. 16. Tamanho diferentes e interações
  17. 17. SQUID (Superconduting Quantum Interference Device)
  18. 18. Identificação da estrutura cristalina de um clustermagnético (difração de nêutrons)
  19. 19. Aplicações
  20. 20. ● Lâmpadas● Fluorescentes● Contém Ítrio e● Térbio.
  21. 21. Aplicações● Imãs de terras raras● Neodímio,Samário,Hólmio,Térbio.● Computadores discos rígidos (Hard disk)● Turbinas Eólicas (geradores), Neodímio.● Audio auto falantes/fones de ouvido● Bicicletas dinâmos● Motores eletricos com imãs permanentes
  22. 22. Aplicações● Motores lineares (usados nos trens Mag-lev)● Rolamentos eletrodinâmicos● Montanhas russas de passeio● Pickups de guitarra● Windbelt geração de eletricidade por indução eletromagnética e vibração aerostásticas.
  23. 23. Aplicações● Nanomateriais magnéticos● Novos remédios contra o câncer● Novos materiais para estabilizar nanotubos de carbono de forma homogênea● Aplicações na indústria aeroespacial fuselagem de caças, de transporte e aviões comerciais (EMBRAER, BOEING, SAAB, AIRBUS)
  24. 24. Fuselagem de caças● Usa-se nanomateriais com propriedades magnéticas para estabilizar o material nanocomposto de forma homogênea, para melhorar as características do material avançado.● Centro de pesquisa em SBC em SP com pesquisas variadas sobre aviônica avançada e materiais avançados com a liderança do Prof. Da UFABC Frank Crespilho, que pesquisará nanomateriais magnéticos e nanotubos de carbono na fab. de nanocompósitos.
  25. 25. Nanomateriais● Presentes na Fuselagem de caças avançados, como o SAAB Gripen, gerando economia de energia e materiais.●●●
  26. 26. Fuselagem
  27. 27. Nanomateriais Magnéticos● Linha recente de pesquisas● Muito Promissora● Novos materiais● Nanomateriais de Ouro, Prata com diferentes propriedades magnéticas● Novos materiais nanocompósitos com nanopartículas magnéticas
  28. 28. Aplicações e materiais envolvidos● Imã interessante de Neodímio, ferro e boro (NdFeB) substituindo-se o Nd por Praseodímio percebe-se aumento de desempenho do imã depois com a adição de carbeto de titânio (TiC)● Nanopartículas (TiC) estabilização e homogenizam o imã em questão para motores elétricos e inúmeras outras aplicações.● UFABC, profa. Regina Keiko Murakami
  29. 29. Reciclagem de imãs de discos rígidos patenteada pelo IPT● Imã feito de liga de Nd-Fe-B usado em HD e em geradores de turbinas eólicas (imagem IPT,2011)● www.inovacaotecnologica.com.br
  30. 30. Etapas para reciclagem de material magnético● 4 etapas: Reciclagem dos ímãs de neodímio A técnica de reciclagem de ímãs combina quatro etapas: 1.hidrogenação; 2.desproporção (transformação da fase magneticamente dura em outras fases); 3.dessorção (retirada de hidrogênio da estrutura cristalina do composto previamente hidrogenado); e 4.recombinação (obtenção da fase magneticamente dura com tamanho de grão inferior ao inicial) em ligas à base de neodímio-ferro-boro.
  31. 31. Artigos importantes* Microstructure of fine-grained Nd–Fe–B sintered magnetswith high coercivityH. Sepehri-Amin,a Y. Une,b T. Ohkubo,a K. Honoa,⇑ and M.Sagawaba National Institute for Materials Science, Tsukuba305-0047, JapanbIntermetallics Co., Ltd., Kyoto 615-8245, JapanMarço 2011
  32. 32. Aplicações na área Médica● Aparelho de Ressonância Magnética por dentro
  33. 33. Aparelho Ressonância Magnética
  34. 34. LHC
  35. 35. HD
  36. 36. Materiais Utilizados em HD● Disprósio, Neodímio, e diversas ligas.● 467 doláres/Kg há oito anos valia 15 U$● Brasil se quiser aumentar sua participação no mercado de eletrônicos, terá que investir em reciclagem e mineração de terras raras. (Carajás, PA, Minas Gerais), porque os valores estão aumentando a cada ano.
  37. 37. Spintrônica● Magnetização espontânea● Cientistas conseguiram otimizar uma propriedade conhecida como magnetização espontânea em um dos materiais mais promissores para o emergente campo da spintrônica.● Na spintrônica, os dados digitais são armazenados nos spins de elétrons individuais, e não em correntes de elétrons, como na eletrônica atual.
  38. 38. Spintrônica - Materiais● Ferrita de Bismuto● Imagem da superfície de uma amostra da ferrita de bismuto● com duas fases cristalinas - as áreas vermelha e verde● indicam os dois conjuntos de cristalizações, orientadas a 90● graus uma em relação à outra. [Imagem: Ramesh group]
  39. 39. Arranjo Estrutura da estrutura cristalina(Romboédrica e Tetragonal) Ferrita de Bismuto
  40. 40. SpintrônicaMagnetoeletrônicosA ferrita de bismuto é um material promissor para aeletrônica, mas que também está chamando aatenção dos pesquisadores da área de energia solar.• Películas ferroelétricas oferecem nova rota para aenergia solarA magnetização espontânea surge em um tipoespecífico de cristalização desse compostomultiferroico e pode ser "apagada" com a aplicaçãode um campo elétrico. A magnetização é restauradaquando a polaridade do campo elétrico é invertida
  41. 41. Trem com levitação Magnética
  42. 42. Trem por Levitação Magnética
  43. 43. Levitação Magnética
  44. 44. Mecanismo de Levitação Magnética
  45. 45. Supercondutores● Levitação Magnética
  46. 46. Supercondutores
  47. 47. Supercondução e efeito Meissner
  48. 48. Efeito Meissner
  49. 49. Repulsão magnética● Repulsão de materiais magnéticos
  50. 50. Avanço da Tc emSupercondutores
  51. 51. Diamagnético Perfeito e Supercondutor
  52. 52. Efeito Meissner● A propriedade que distingue um supercondutor (SC) de um condutor perfeito é o diamagnetismo,que impede que as linhas de força de um campo magnético penetrem no material.● Essa propriedade conhecida como efeito Meissner – Walther Meissner (1882-1974) dá origem a um dos fenômenos mais intrigantes -● Supercondutividade – Levitação Magnética
  53. 53. Estrutura de material supercondutor
  54. 54. Supercondutores do Tipo I e II
  55. 55. Supercondutividade● Transporte de corrente elétrica com o mínimo de perda sem resistência● Em 1993, o supercondutor com a maior temperatura crítica era uma cerâmica baseada nos elementos tálio, cobre, mercúrio, cálcio, bário e oxigênio com a fórmula HgBa2Ca2Cu3O8+δ com Tc = 138 K.● YBCO – óxido de itrio cobre bário YBa2Cu3O7
  56. 56. Aplicações dos Supercondutores● Promissoras aplicações futuras incluem redes inteligentes de alta performance, transmissão de energia elétrica, transformadores, dispositivos de armazenamento de energia, motores elétricos (por exemplo, para propulsão de veículos, trens maglev), dispositivos de levitação magnética, limitadores de corrente, os materiais nanoscópicos como as buckyballs, nanotubos, materiais compósitos e supercondutores refrigeração magnética. No entanto, a supercondutividade é sensível aos campos magnéticos em movimento para que os aplicativos que usam corrente alternada.
  57. 57. Heike Kamerlingh-Onnes● Holandês (1856 – 1926)● Prêmio Nobel de Física● 1913
  58. 58. Supercondutores● Levitação feita com um solenóide e sem sofrimento para o “Batráquio” - sapo.● Ig● Nobel● 2000
  59. 59. Supercondutores – Teoria BCSEm suma, na teoria BCS, aatração entre pares de elétronsmediada por oscilações da redecristalina é a responsável pelasupercondutividade. Os pares deCooper formam um condensadoque flui sem resistência pelomaterial e atua expelindo camposmagnéticos externos fracos,ocasionando o efeito Meissner.
  60. 60. Condutores e Supercondutores
  61. 61. Supercondutores● Túlio ….elementos de terras raras● E outros elementos que formam materiais cerâmicos misturados os elementos são formados óxidos dessas misturas cerâmicas supercondutoras● Ti- Titânio,Y- Ytrio, Hg-Mercúrio, Ba-Bário, Nb - Nióbio, Pb-Chumbo,Sr- Estrôncio, Bi-Bismuto, Cu – Cobre entre outros elementos.
  62. 62. Materiais Supercondutores● Este novo material é um metal, formado por uma liga de estrôncio, manganês e bismuto (SrMnBi2), que se comporta de forma muito similar ao grafeno, o que abre a possibilidade de seu uso em conjunto ou como substituto nas mesmas funções.
  63. 63. Materiais Supercondutores● Mas o que mais está chamando a atenção é a possibilidade de "dopagem" do SrMnBi2 com outros elementos, o que poderá criar ímãs super fortes ou novos materiais supercondutores de alta temperatura.● Anisotropic Dirac Fermions in a Bi Square Net of SrMnBi2● Joonbum Park, G. Lee, F. Wolff-Fabris, Y. Y. Koh, M. J. Eom, Y. K. Kim, M. A. Farhan, Y. J. Jo, C. Kim, J. H. Shim, J. S. Kim● Physical Review Letters, vol.107, acessado dia 16/11/2011.
  64. 64. Aplicações variadas
  65. 65. Aplicações Práticas
  66. 66. Necessita de uma grande infraestrutura● Mas é viável!
  67. 67. Motor de elétrico
  68. 68. Materiais de Motores elétricos● Motores elétricos necessitam de magnetos de Neodímio e outras ligas.● Ferramentas elétricas requerem magnetos de Neodímio e disprósio em seus motores● Miniaturizados.
  69. 69. Gerador de energia
  70. 70. Fusão Nuclear● França ITER, 2018...(Promessas...)
  71. 71. Cabo Supercondutor● 3.200 A e 24.000 Volts.....UAU.......!!!!!!● O efeito foi realizado por espanhóis em 2009...
  72. 72. Transmissão de Energia Elétrica com cabos Supercondutores● Supercabos de transmissão (Nexan, Hannover)● Alemanha (2010) 3200A e 24 Kv !
  73. 73. Cabos Supercondutores● Aumentam a eficiência de transmissão de energia eletrica● São feitos de materiais variados Férricos, Sanduichados com cerâmicas supercondutoras, plásticos especiais, cobre, aluminio, e outras ligas avançadas.
  74. 74. Supercondutor● Cabo supercondutor● YBCO, vêm em forma de fita de 1,5 mícron, em cabos mais avançados usam fitas com uma camada de óxido de cério ( que ajuda a alinhar os cristais), entremeado com 6 camadas de YBCOde 0,6 mícron.(testado em 2006/07 em NJ EUA)
  75. 75. Turbinas Eólicas● Materiais compósitos, metálicos, e com ligas com elementos como o Neodímio.● No magneto dos aerogeradores podem existir mais 230 Kg de Neodímio.
  76. 76. Imã permanente para motores elétricos es que aguentam temperaturas de 200ºC● Engenheiros Americanos do laboratórios Ame, descobriram uma liga feita de Ytrio, Neodímio e disprósio em estruturas cristalinas 2-14-1 que aumentam a eficiência do Magneto em altas temperaturas.● Esta melhoria nos materiais possibilitará carros híbridos melhores e mais eficientes em realação a perda de eficiência energética. O ytrio e o desprósio alteram o coeficiente térmico deste novo material.
  77. 77. Nobel de Física - 2010● Geim e Novoselov
  78. 78. Grafeno
  79. 79. GRAFENO● Única camada monoatômica de átomos de carbono com inúmeras aplicações;● Novos compostos eletrônicos, magnéticos, estruturais● Efeito Hall anômalo, condutividade de corrente transversal em um campo magnético perpendicular, formação de vales quânticos valetrônica....

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