Materiais eletrônicos essenciais: Parte 7 - Materiais magnéticos

1 Introdução aos materiais magnéticos

Os materiais magnéticos são substâncias que apresentam propriedades magnéticas devido à sua estrutura interna, o que lhes permite gerar um campo magnético ou ser afetados por um campo magnético externo. Esses materiais podem atrair ou repelir outros materiais, e seu comportamento magnético é fundamental para muitos dispositivos eletrônicos modernos.

Os materiais magnéticos são indispensáveis no setor eletrônico devido à sua capacidade de armazenar, transferir e converter energia. Eles são usados em várias aplicações, desde dispositivos com eficiência energética até tecnologias avançadas de comunicação. Esses materiais são fundamentais para componentes como motores, transformadores, sensores, dispositivos de armazenamento magnético e antenas, o que os torna essenciais para setores como o eletrônico, o de telecomunicações, o de energia, o automotivo e o de saúde.

2 Tipos de materiais magnéticos usados em eletrônicos

2.1 Materiais magnéticos duros (ímãs permanentes)

Os materiais magnéticos rígidos, também conhecidos como materiais magnéticos permanentes, são materiais que podem manter suas propriedades magnéticas por um longo período após a magnetização e não perdem facilmente suas propriedades magnéticas. As principais características dos materiais magnéticos duros são que eles podem manter seu magnetismo original por um longo período após a magnetização, têm grande coercividade (Hc=10^4~10^6 A/m), linhas de histerese mais espessas e alto produto de energia magnética máxima (BH)max e magnetismo remanente.

2.1.1 Ligas de alnico

As ligas de alnico são materiais magnéticos permanentes comumente usados com alta coercividade e magnetismo remanente. As principais vantagens das ligas de alnico como ímãs permanentes incluem alta coercividade, alta temperatura de Curie e boa estabilidade de temperatura. As ligas de alnico têm alta coercividade e podem manter suas propriedades magnéticas sob a ação de um forte campo magnético externo e não são facilmente desmagnetizadas. Além disso, sua temperatura de Curie chega a 860 °C e sua temperatura máxima de operação é de 525 a 550 °C, o que permite manter boas propriedades magnéticas em ambientes de alta temperatura. O alnico tem um alto magnetismo remanescente e pode manter suas propriedades magnéticas em campos magnéticos mais fortes. Ele tem boa resistência à corrosão e pode ser usado em ambientes agressivos. A curva de desmagnetização das ligas de Alnico varia de forma não linear, o que significa que elas apresentam propriedades diferentes durante o processo de desmagnetização.

Fig. 1 Ímã de liga de alnico

2.1.2 Liga de titânio-cobalto

A liga de titânio-cobalto é um dos tipos mais comuns de ímãs permanentes. As ligas de titânio-cobalto podem manter alta indução magnética (1,0-1,25 T) e produto de energia magnética (2,2×10⁵ erg/cm³) na faixa de intensidade do campo magnético de até 8,75-11,94 kA/m. Essa excelente propriedade de histerese permite que as ligas de Ti-Co tenham baixa perda de energia durante a reversão do campo magnético, o que melhora a eficiência da conversão de energia e é particularmente adequada para sistemas de motores com cargas variáveis frequentes. As ligas de titânio-cobalto são capazes de atingir uma indução magnética de até 1,25 T na faixa de intensidade de campo operacional de 8,75 a 11,94 kA/m. Essa alta força de indução magnética permite a produção de momentos magnéticos fortes e maior eficiência ao operar em campos magnéticos elevados. As ligas de titânio-cobalto podem manter suas propriedades magnéticas em temperaturas mais altas e não desmagnetizam significativamente, mesmo em ambientes de alta temperatura. Isso permite que elas sejam excelentes em motores e geradores elétricos que operam em temperaturas altas ou flutuantes, garantindo uma operação confiável. As ligas de titânio-cobalto podem atingir altas propriedades magnéticas e, ao mesmo tempo, manter alta resistência mecânica e resistência a altas temperaturas por meio de composições químicas precisamente proporcionais (por exemplo, cobalto, vanádio e outros elementos). Isso permite que elas se sobressaiam em uma ampla gama de condições operacionais complexas.

Fig. 2 Liga de titânio-cobalto

2.1.3 Ímãs permanentes de cobalto de terras raras

Os ímãs permanentes de cobalto de terras raras são de dois tipos, RCo5 e R2Co17, em que R representa elementos de terras raras, como samário, praseodímio, cério e lantânio, etc. O primeiro tem uma estrutura cristalina hexagonal CaCu5 e o segundo tem uma estrutura cristalina tripartida. O primeiro tem uma estrutura de sistema de cristal hexagonal do tipo CaCu5 e o segundo tem uma estrutura de sistema de cristal tripartido. O tipo RCo5 é caracterizado por alta anisotropia de cristal magnético, o tipo R2Co17 é caracterizado por alta força de indução magnética e ponto Curie, pelo ferro, cobre e outros elementos que substituem parcialmente o cobalto, tornando-se um material de altíssimo desempenho.

Os ímãs de cobalto são caracterizados por coercividade extremamente alta e produtos de energia magnética, são uma classe de ímãs permanentes com excelente desempenho. O processo de preparação adota principalmente o método de pó e o método de fundição, e o método de pó adota a moldagem por campo magnético, a pressão hidrostática, a sinterização em fase líquida e outros processos. Usado principalmente em tubos de ondas viajantes, magnetrons e outros dispositivos elétricos a vácuo e dispositivos de micro-ondas, como circuladores, para fornecer o campo magnético. Também é amplamente utilizado nos campos de micromotores, micro-relés, rolamentos magnéticos, relógios eletrônicos e outros pequenos instrumentos e medidores de precisão.

Fig. 3 Ímãs permanentes de cobalto de terras raras

2.2 Materiais magnéticos macios

Os materiais magnéticos macios referem-se a quando a magnetização ocorre em Hc não é maior que 1000A/m, esses materiais são chamados de ímãs macios. Os materiais magnéticos macios típicos podem atingir a força máxima de magnetização com o mínimo de campo magnético externo. O material magnético macio é um material magnético com baixa coercividade e alta permeabilidade. Os materiais magnéticos macios são fáceis de magnetizar e desmagnetizar e são amplamente usados em equipamentos elétricos e eletrônicos. Os materiais magnéticos macios mais usados são as ligas de ferro-silício (chapa de aço silício) e uma variedade de ferritas magnéticas macias, entre outros.

2.2.1 Ímã macio de aço silício

O ímã macio de aço silício tem várias vantagens significativas, o que o torna amplamente utilizado no setor de eletrônica de potência. Primeiro, a alta indução magnética de saturação do aço silício significa que menos seção transversal de material pode ser usada sob as mesmas condições de fluxo magnético, o que economiza material e permite a miniaturização dos componentes. Em segundo lugar, o aço silício tem baixas perdas magnéticas, especialmente em campos magnéticos CA, e sua alta resistividade reduz efetivamente as perdas por correntes parasitas, enquanto as baixas perdas por histerese garantem excelente desempenho durante a operação. Além disso, o aço silício também tem bom desempenho de processamento, é fácil de ser transformado em materiais em folha, adequado para perfuração, corte e outras técnicas de processamento. As formas mais comuns incluem chapas de aço silício laminadas a frio, tiras de aço elétrico não orientado laminadas a frio e tiras de aço elétrico orientado laminadas a frio, amplamente utilizadas em sistemas eletrônicos e eletrodomésticos em transformadores e bobinas de baixa frequência e outros componentes. Por fim, o aço silício tem um desempenho particularmente bom em aplicações de baixa frequência e alta potência, especialmente em núcleos para transformadores de potência, transformadores de distribuição e transformadores de corrente, que são comumente usados em eletrônica de potência com frequências de até 400 Hz.

Fig. 4 Ímã macio de aço silício

2.2.2 Ferrita magnética macia

A ferrita magnética macia é caracterizada por baixa densidade de fluxo de saturação, baixa permeabilidade, baixa temperatura Curie, baixa perda em frequências médias e altas e baixo custo. Os três primeiros pontos baixos são suas deficiências, limitando o escopo de seu uso, e agora (início do século XXI) está tentando melhorar. Os dois últimos pontos baixos são suas vantagens, facilitando o acesso ao mercado de alta frequência, que agora (no início do século XXI) está sendo trabalhado para expansão.

Fig. 5 Ferrite magnético macio

Os materiais magnéticos macios são amplamente utilizados em eletrônica devido às suas excelentes propriedades magnéticas. Eles são comumente usados como materiais de núcleo para transformadores, indutores e transformadores de corrente e tensão, onde sua baixa perda de histerese e alta força de indução magnética de saturação melhoram a eficiência desses componentes e reduzem a perda de energia. Os materiais magnéticos macios também são amplamente utilizados nas seções do estator e do rotor de motores e geradores elétricos para aumentar a densidade e a eficiência da potência, especialmente em motores de alta frequência. Além disso, eles são usados para blindagem eletromagnética para reduzir a interferência eletromagnética (EMI) em equipamentos eletrônicos e garantir uma operação estável. Os materiais magnéticos macios também desempenham um papel importante na tecnologia de aquecimento por indução, melhorando a eficiência do aquecimento ao interagir com correntes de alta frequência em uma ampla gama de aplicações, como aquecimento de metais, moldagem de plásticos e soldagem. Nos sistemas de gerenciamento de energia, os materiais magnéticos macios são usados em filtros e equipamentos de fornecimento de energia para melhorar a estabilidade e a eficiência por meio de suas características de baixa perda magnética. Além disso, os materiais magnéticos macios são usados em sensores magnéticos, componentes passivos e outros conjuntos eletrônicos, como sensores de posição, sensores de velocidade, capacitores magnéticos e interruptores. De modo geral, com suas excelentes propriedades magnéticas e capacidade de processamento, os materiais magnéticos macios desempenham um papel fundamental na indústria eletrônica em diversas áreas, desde o gerenciamento de energia até as comunicações, a automação e os dispositivos médicos.

2.3 Ligas magnéticas

As ligas magnéticas são ligas compostas de ferro e outros elementos metálicos (por exemplo, cobalto, níquel, elementos de terras raras etc.), que têm excelentes propriedades magnéticas e são amplamente usadas em muitos campos, como eletrônica, comunicações e energia. De acordo com as diferentes propriedades magnéticas, as ligas magnéticas são geralmente divididas em duas categorias: ligas magnéticas macias e ligas magnéticas duras.

Ligas magnéticas macias: Essas ligas são caracterizadas por baixa perda de histerese e boa permeabilidade, o que as torna excelentes para aplicações como transformadores, motores e indutores. As ligas magnéticas macias comuns, como o aço silício e as ligas de ferro-níquel, são usadas principalmente em eletrônica de potência, eletrodomésticos, eletrônica automotiva e outros campos.

Ligas magnéticas duras: As ligas magnéticas duras têm alto produto de energia magnética e força de campo magnético, podem manter propriedades magnéticas estáveis e geralmente são usadas na fabricação de ímãs permanentes. As ligas magnéticas duras comuns incluem neodímio-ferro-boro (NdFeB), alumínio-níquel-cobalto (AlNiCo) e ligas à base de cobalto. Elas são amplamente usadas em campos de alta tecnologia, como motores elétricos, sensores, alto-falantes e imagens por ressonância magnética (MRI).

As ligas de ímãs apresentam diferentes características de desempenho em aplicações práticas. Por exemplo, os ímãs de neodímio-ferro-boro (NdFeB) tornaram-se materiais indispensáveis na indústria moderna e na eletrônica com seu produto de alta energia magnética e força magnética poderosa, e são amplamente utilizados em motores elétricos, turbinas eólicas, alto-falantes e outros produtos. As ligas de alnico, por outro lado, são comumente usadas para componentes magnéticos em ambientes especiais e de alta temperatura devido à sua boa resistência à temperatura e estabilidade.

Fig. 6 Ímãs de neodímio-ferro-boro (NdFeB)

3 Propriedades dos materiais magnéticos para eletrônicos

3.1 Permeabilidade magnética

A permeabilidade magn ética é uma quantidade física que caracteriza as propriedades magnéticas de um meio magnético. Indica a resistência ao fluxo magnético ou a capacidade de conduzir linhas de força magnéticas em um campo magnético depois que a corrente flui por uma bobina no espaço ou no espaço do núcleo. Sua fórmula μ = B / H, em que H = intensidade do campo magnético, B = intensidade da indução magnética, símbolos comumente usados μ, μ para a permeabilidade do meio, ou permeabilidade absoluta.

A permeabilidade magnética em produtos eletrônicos sobre o impacto das propriedades eletromagnéticas é muito importante, principalmente na indução eletromagnética, indutância e fechamento magnético, blindagem eletromagnética e outros aspectos. No processo de indução eletromagnética, a permeabilidade magnética determina a capacidade do material de responder às mudanças no campo magnético, o que, por sua vez, afeta o tamanho da corrente induzida.

A seleção de materiais com permeabilidade adequada pode melhorar a eficiência e o desempenho de dispositivos como transformadores e indutores. Nos indutores, os materiais de alta permeabilidade podem aprimorar a relação entre a corrente induzida na bobina e a intensidade do campo magnético, melhorando a eficiência e a sensibilidade do dispositivo. Nos materiais de confinamento magnético, os materiais com maior permeabilidade magnética podem reduzir efetivamente o vazamento do campo magnético e aumentar a concentração e a eficácia do campo magnético.

Além disso, a permeabilidade magnética também desempenha um papel importante na blindagem eletromagnética, e a seleção de materiais de alta permeabilidade magnética pode absorver, refletir ou dispersar a energia das ondas eletromagnéticas e reduzir a interferência e os danos da radiação eletromagnética em equipamentos eletrônicos, equipamentos de comunicação e equipamentos aeroespaciais. Portanto, a permeabilidade magnética desempenha um papel fundamental na otimização do desempenho eletromagnético dos produtos eletrônicos, melhorando a eficiência do equipamento e reduzindo a interferência eletromagnética.

Fig. 7 Permeabilidade magnética

3.2 Densidade do fluxo magnético de saturação

A SMFD (Saturation Magnetic Flux Density, densidade de fluxo magnético de saturação) refere-se a um valor limite da força de indução magnética (força do campo magnético) em um material magnético que é gradualmente atingido à medida que a força do campo magnético aplicado aumenta. Quando a intensidade do campo magnético aumenta ainda mais, a intensidade do campo magnético dentro do material não aumentará mais, e esse valor limite é a densidade do fluxo magnético de saturação do material. Em resumo, a indução magnética de saturação é a força máxima do campo magnético que um material pode suportar. A força da indução magnética de saturação tem um impacto importante na aplicação, que se reflete principalmente em vários aspectos.

Em primeiro lugar, a intensidade da indução magnética de saturação de um material determina a energia magnética máxima que ele pode armazenar em um campo magnético forte, além do qual o material não consegue aprimorar ainda mais suas propriedades magnéticas, o que é crucial para o projeto de componentes magnéticos de alto desempenho (por exemplo, indutores, transformadores, ímãs permanentes etc.). Materiais com alta força de indução magnética de saturação podem operar com forças de campo magnético mais altas, fornecendo maior fluxo magnético para dispositivos de alta potência e alta eficiência.

Em segundo lugar, em componentes magnéticos, como indutores e transformadores, a alta força de indução magnética de saturação significa que mais energia magnética pode ser armazenada no mesmo volume, permitindo projetos miniaturizados. Por exemplo, o uso de materiais com alta força de indução magnética de saturação em transformadores reduz o tamanho do núcleo e diminui o peso do dispositivo, mantendo o alto desempenho e a eficiência.

Além disso, diferentes aplicações têm diferentes requisitos para a força de indução magnética de saturação e, em equipamentos eletrônicos de alta frequência, processamento de sinais e equipamentos elétricos de alta potência, a escolha de materiais de alta força de indução magnética de saturação pode melhorar efetivamente o desempenho do sistema. Nos transformadores de potência, essa característica pode aumentar a densidade do fluxo magnético, reduzir as perdas do núcleo e, assim, melhorar a eficiência do transformador.

Por fim, a indução magnética de saturação também é afetada pela temperatura, com a maioria dos materiais diminuindo a indução magnética de saturação à medida que a temperatura aumenta, o que é particularmente importante para aplicações em ambientes operacionais de alta temperatura, especialmente em equipamentos eletrônicos automotivos, aeroespaciais e de energia, em que é fundamental selecionar materiais que mantenham uma indução magnética de saturação elevada em altas temperaturas.

Fig. 8 Densidade do fluxo magnético de saturação

3.3 Coercividade

A coercividade é uma das propriedades importantes dos materiais magnéticos e refere-se à capacidade de um material de manter suas propriedades magnéticas após a remoção do campo magnético ou à intensidade mínima do campo magnético externo necessária para reverter a direção da magnetização do material. Ela reflete a capacidade do material de resistir à reversão da magnetização e, portanto, é fundamental para o desempenho dos ímãs permanentes. A influência da coercividade nos ímãs permanentes se reflete principalmente na estabilidade magnética, na resistência à desmagnetização, na força do campo magnético em relação ao volume e na seleção de aplicações. Uma coercividade mais alta significa que o material pode manter propriedades magnéticas fortes, mesmo sob a influência do campo magnético externo ou de mudanças de temperatura, por um período mais longo, o que é fundamental para aplicações que exigem estabilidade de longo prazo, como motores elétricos, geradores e sensores.

Além disso, quanto maior a coercividade, mais forte é a capacidade de desmagnetização do material, mesmo em altas temperaturas ou fortes campos magnéticos externos e outros ambientes adversos, o material não perde facilmente suas propriedades magnéticas, de modo que o desempenho dos ímãs permanentes de alta coercividade em ambientes operacionais complexos é superior, sendo amplamente utilizado nos setores automotivo, aeroespacial e outros. Os ímãs permanentes de alta coercividade podem atingir campos magnéticos mais fortes em um volume menor, o que é especialmente importante para equipamentos miniaturizados, instrumentos de precisão e dispositivos móveis. Por exemplo, em motores em miniatura, sensores e acionamentos magnéticos de alta eficiência, os ímãs permanentes com alta coercividade podem fornecer força magnética suficiente para melhorar a eficiência e o desempenho do equipamento. Os requisitos de coercividade variam de acordo com a aplicação, sendo que os materiais de coercividade mais alta geralmente são escolhidos para aplicações que exigem campos magnéticos fortes e estáveis, como motores elétricos, geradores de ímã permanente e acionamentos magnéticos, enquanto os materiais de coercividade mais baixa são suficientes para aplicações que não exigem campos magnéticos fortes, reduzindo os custos.

4 Materiais magnéticos em dispositivos eletrônicos

Os materiais magnéticos desempenham um papel fundamental em vários dispositivos eletrônicos, incluindo fontes de alimentação, transformadores, sistemas de armazenamento de dados, motores, sensores e dispositivos de comunicação sem fio, devido à sua capacidade de interagir com campos magnéticos e facilitar a conversão de energia, o armazenamento de dados e a transmissão de sinais.

4.1 Fontes de alimentação e transformadores

Nas fontes de alimentação e nos transformadores, os materiais magnéticos são essenciais para a conversão e a regulagem da tensão. Os transformadores, por exemplo, dependem de núcleos magnéticos feitos de materiais magnéticos macios, como aço silício ou ferrite. Esses materiais aumentam a eficiência da indução eletromagnética, permitindo que o transformador aumente ou diminua a tensão de forma eficaz. As propriedades magnéticas permitem a transferência de energia elétrica de uma bobina para outra sem contato elétrico direto, tornando os transformadores indispensáveis nos sistemas de distribuição de energia, onde eles convertem a eletricidade de alta tensão para uso seguro em residências e indústrias.

4.2 Armazenamento de dados

Os materiais magnéticos também são vitais em aplicações de armazenamento de dados, principalmente em unidades de disco rígido (HDDs) e fitas magnéticas. Nos HDDs, camadas finas de material magnético são usadas para armazenar informações digitais. Os cabeçotes de leitura/gravação da unidade alteram o alinhamento magnético na superfície do disco, permitindo que os dados sejam gravados ou recuperados. As fitas magnéticas, comumente usadas para armazenamento de backup, também utilizam princípios semelhantes para armazenar dados em um campo magnético, permitindo a preservação de dados a longo prazo.

4.3 Motores e sensores

Em motores e sensores, os materiais magnéticos facilitam a conversão de energia elétrica em movimento mecânico e vice-versa. Por exemplo, ímãs permanentes e eletroímãs são usados no projeto de motores elétricos, inclusive motores sem escovas, que são amplamente usados em aplicações que vão desde o setor automotivo até a robótica. Sensores, como os sensores de corrente, usam materiais magnéticos para detectar e medir os campos magnéticos produzidos por correntes elétricas, fornecendo feedback crítico em sistemas de controle.

Fig. 9 Sensores magnéticos

Os materiais magnéticos são igualmente importantes nas tecnologias de comunicação sem fio. Nos dispositivos sem fio, componentes como antenas, moduladores, demoduladores e componentes de radiofrequência (RF) dependem de materiais magnéticos para otimizar a transmissão e a recepção de sinais. Esses materiais ajudam a focalizar e orientar as ondas eletromagnéticas, melhorando o desempenho dos sistemas de comunicação, como telefones celulares, roteadores Wi-Fi e comunicações via satélite.

5 Conclusão

Os materiais magnéticos são essenciais em uma grande variedade de dispositivos eletrônicos, desempenhando funções importantes na conversão de energia, no armazenamento de dados, no controle de movimento e na transmissão de sinais. Nas fontes de alimentação e nos transformadores, eles permitem a regulação eficiente da tensão, enquanto nos sistemas de armazenamento de dados, como discos rígidos e fitas magnéticas, eles facilitam a gravação e a recuperação confiáveis de dados. Em motores e sensores, os materiais magnéticos são essenciais para a conversão de energia e a medição precisa, alimentando tudo, desde veículos elétricos até robôs industriais. Além disso, os componentes magnéticos em dispositivos de comunicação sem fio melhoram o desempenho de antenas e componentes de RF, garantindo a transmissão e a recepção ideais de sinais. De modo geral, os materiais magnéticos são fundamentais para a funcionalidade e o desempenho dos eletrônicos modernos.

A Stanford Advanced Materials (SAM) é uma importante fornecedora de materiais magnéticos de alta qualidade, apoiando essas aplicações críticas com soluções de materiais confiáveis.

Leitura adicional:

Materiais eletrônicos essenciais: Parte 1 - Silício

Materiais eletrônicos essenciais: Parte 2 - Carbeto de silício

Materiais eletrônicos essenciais: Parte 3 - Germânio

Materiais eletrônicos essenciais: Parte 4 - Compostos de gálio

Materiais eletrônicos essenciais: Parte 5 - Materiais à base de carbono

Materiais eletrônicos essenciais: Parte 6 - Materiais condutores e isolantes