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sexta-feira, 7 de junho de 2013

Os Ímãs Permanentes e os Motores Puramente Magnéticos (Parte 2/2)



Se você deseja obter uma melhor contextualização básica sobre a história e a física do magnetismo, seus parâmetros e sobre os ímãs permanentes e outros materiais magnéticos, aprecie, primeiro, a Parte 1 deste tópico.

Motores Puramente Magnéticos:


A capacidade aparentemente misteriosa de ímãs em influenciar o movimento à distância, sem qualquer fonte de energia aparente, há muito tem apelado para a imaginação dos inventores. Um dos primeiros exemplos de motor magnético foi proposto pelo bispo John Wilkins (1614-1672) e tem sido amplamente copiado desde então. Ele consiste em uma rampa com um ímã no topo, que atrairia uma bola de metal inicialmente parada ao pé da rampa, por sobre a rampa. Perto do ímã havia um pequeno orifício que era para permitir que a bola, ao subir, caísse através dele, sob a rampa e voltasse ao fundo, onde uma abertura permitiria que ela voltasse para o início de novo.

O dispositivo simplesmente não pôde funcionar pois, qualquer ímã forte o suficiente para puxar a bola rampa acima, era também necessariamente muito forte para não permitir que ela caísse no buraco acima. Confrontado com este problema, as versões mais modernas normalmente usam uma série de rampas e ímãs, posicionados de modo a bola está para ser entregue a partir de um ímã para outro enquanto ele se move. O problema continua a ser a mesmo, ainda sem solução.

Todavia, há um poder natural em ímãs, seu magnetismo natural, que, basicamente, pode ter um tremendo poder se aplicado de uma maneira que aproveita o torque produzido em uma geometria circular livre para girar.

É fato que, pela eventual ação de uma força externa, um magneto for colocado no interior de um campo magnético externo, o seu próprio campo magnético irá rapidamente interagir com o campo magnético externo no qual ele foi inserido. Tal interação provocará deformações em ambos os campos, as quais resultam em dois casos:
  • com ganho no fluxo magnético original de ambas as fontes de magnetismo;
  • com perda no fluxo magnético original de ambas as fontes e magnetismo.
Em ambos os casos, os corpos de ambas as fontes de energia magnética passam a sofrer um torque mútuo.

O torque N em um magneto é proporcional ao campo B aplicado e ao momento magnético m do magneto:


onde × representa um produto vetorial.


Esta é uma quantidade vetorial, sendo a sua direção em qualquer ponto do campo magnético a direção do campo vetorial naquele ponto.


Campo vetorial de força magnética de um magneto esférico em 3D
Um campo vetorial é uma atribuição de um vetor para cada ponto em um subconjunto do espaço euclidiano (uma seta que atribui ao ponto do espaço, uma força com intensidade, direção e sentido). Um campo de vetores no plano, por exemplo, pode ser visualizada como uma série de setas com uma dada magnitude e direção cada um ligado a um ponto no plano. Campos de vetores são muitas vezes utilizados para modelar, não apenas os campos de força magnética, mas também, por exemplo, a velocidade e a direção de um fluido em movimento no  espaço, ou uma força direcional qualquer, como a força gravitacional, a medida em que ela muda de ponto a ponto.

O torque sobre um magneto, devido a interação um campo magnético externo é fácil de ser observado empiricamente: basta colocar dois magnetos próximos, e soltar um deles, permitindo que ele se mova.

Dependendo do posicionamento relativo inicial do magneto dentro do campo magnético externo no qual ele é inserido, o torque poderá ser de dois tipos:
  • de atração;
  • de repulsão.
Se após ser inserido no campo magnético impróprio o corpo do magneto estiver livre para se mover e, se a magnitude do torque for suficiente para demover a massa do seu corpo da inércia, ele, de fato, se porá em movimento.

No caso de torque de atração, os vetores de resultantes tenderão a provocar um deslocamento do magneto livre no sentido de aproximação em relação a fonte do campo externo, de modo a fazer com que ambos os campos se alinhem, se somando ao máximo que for possível, formando, por fim, um único campo e passando a agir como um único magneto. Durante este deslocamento a intensidade do torque irá aumentando, e quando o deslocamento termina o torque atinge seu valor máximo.

Já, no caso de repulsão, o deslocamento do magneto livre se dará num sentido que faça com que a interação entre os campos se anule, portanto, será um deslocamento de afastamento, e o torque diminuirá enquanto o magneto livre se desloca, até se tornar também nulo, ou insuficiente frente a massa do corpo do magneto para dar continuidade ao deslocamento.

No entanto, desde agora, eu quero esclarecer que eu venho a pensar que todos esses motores magnéticos apresentados, apesar de serem realmente capazes de girar, eles não são capazes de produzir torque considerável, quando leva-se em conta o tamanho e o custo da máquina.

Portanto, eles são uma farsa, no sentido de que eles não se aplicam a geradores de energia a partir de, puramente, a energia de seus magnetos, enquanto que, como motores, elas só podem ser aplicados ao acionamento de pequena cargas, que possuam baixo conjugado de partida  (ex. ventiladores e exaustores), sendo, ainda, a velocidade de operação, altamente dependente do conjugado resistente.

Um motor puramente magnético é um dispositivo teórico capaz de converter continuamente a força do campo magnético em energia mecânica, criando um torque. Teoricamente a energia mecânica pode ser desenvolvida a partir das forças de repulsão entre um ímã permanente móvel e um ímã permanente fixo.

Muitos inventores tem construído protótipos de vários tipos de motores de ímã permanentes ao longo da história, principalmente nos últimos anos. Howard Johnson recebeu três patentes nos EUA em motores magnéticos (em 1979, 1989 e 1995), mas até 2012, não houve reconhecimento de nenhuma tentativa bem sucedida de replicar o motor magnético Johnson.

Algumas propostas contemplam máquinas puramente magnéticas, enquanto outras, tendo incorporado tanto ímãs permanentes e quanto eletroímãs. Os eletroímãs podem ser uteis nos motores magnéticos, principalmente, para provocar modificações no campo magnético estático provido pelo estator, como método para dar a partida automática na operação desse dispositivo, tirando-o da inercia de um sistema magnético balanceado, onde os campos magnéticos estáticos não podem transferir energia.

O fascínio que há com estes tipos motores reside no seu potencial para a produção de "energia livre", seja mecânica (motor) ou elétrica (com um gerador acoplado).

Recentemente outro inventor da Argentina publicou um vídeo de um motor puramente magnético com um gerador acoplado. O protótipo é chamado de "Torian III."

O protótipo possui três estatores circulares estacionários, que formam um conjunto que é interligado por duas hastes laterais. Cada estator tem ímãs possui ímãs permanentes embutido em sua circunferência, aparentemente distribuídos de uma forma não simétrica.

Possui também um rotor de três estágios instalados sobre um eixo comum, que está livre para girar e que se encaixa dentro de cada um dos estatores circulares quando o dispositivo é iniciado. Cada rotor apresenta 15 magnetos embutidos em sua periferia.

O dispositivo é iniciado girando-se manualmente qualquer um dos estágios do rotor (para prover o impulso inicial) e em seguida puxando-se, também manualmente, o conjunto estator para que cada um deles venha a ficar sobre o seu respectivo estagio do rotor.

Aparentemente, esta partida manual é suficiente para iniciar o dispositivo, que, então, um movimento giratório se estabeleça e se sustentar, mesmo com o estagio gerador produzindo uma pequena quantidade de energia, suficiente para fazer acender um conjunto de LEDs.

Perto do final do vídeo, ele levanta-se o dispositivo, mesmo em operação, para fora da mesa e mostra que não existem fios ocultos anexados.

Motor Magnético Argentino TORIAN 3 Parte 1/ 2:




Motor Magnético Argentino TORIAN 3 Parte 2/ 2:



Muitos pesquisadores sérios acreditam que não exista uma geometria que possa tornar isso possível. Outros, entre os quais eu me incluo, acreditam que apesar da máquina poder girar ela não ofereceria um torque  suficiente para ser rentável. Não há, até o presente momento, conhecimento de que motores puramente magnéticos para aplicações de geração de energia elétrica já sejam comercializados em qualquer parte do mundo.

Uma máquina semelhante a Torian III parece ser um dispositivo muito interessante e, se funcionar, sobre ele, uma série de ensaios podem (e precisam) ser realizados, para verificar, entre outras coisas, por exemplo, a auto regulação de velocidade, a capacidade de torque, a eventual possibilidade de operação em dois e em quatro quadrantes, etc, além de estudos baseados em sucessivas modificações da geometria magnética (ângulos de inclinação das cavidades (ver o desenho da geometria sugerida mais adiante), número total de cavidades, de magnetos, etc), sempre seguido de ensaios bem realizados, com torque e velocidade mensurados, tarefas que que poderiam ajudar a descrever uma teoria consistente do seu funcionamento, além de permitir encontrar uma configuração ótima de arquitetura.


Réplica do Motor Torian III:




Testes e Ensaios:


Ensaios para verificação da capacidade de torque e de auto-regulação de velocidade são fundamentais, também, para que se possa avaliar, comparativamente, as reais possibilidades de emprego competitivo dessas máquinas. Estes ensaios podem ser realizados com o emprego de um freio eletromagnético a base de material magnético em pó (freio de partículas magnéticas) acoplado ao eixo da máquina. Neste caso, a ideia é que o freio realize a função uma carga variável para o motor, permitindo o ajuste do Conjugado Resistente oferecido a ele, por se variar, proporcionalmente a tensão C.C. aplicada à bobina do freio.


Freios de partículas magnéticas são únicos no seu projeto em relação a outros tipos de freios eletro-mecânicos por causa da sua ampla faixa de torque operacional disponível e por isso são ideais para ensaios. Tal qual um freio de eletromecânica, a relação Torque x Corrente é quase linear, evitando a obrigatoriedade de se ter que medir diretamente o torque em ensaios.

Além disso, o torque é independente da velocidade do rotor dentro da faixa de operação recomendada, que, em geral, situa-se entre 40 e 2000 rpm para a maioria dos freios de partículas magnéticas comercialmente disponíveis.

Em um freio de partículas magnéticas, o torque pode, ainda, ser controlado, comparativamente, com muita precisão (dentro da faixa de rotação operacional do freio) e, também, responder muito mais rapidamente à variação do ponto de ajuste, operando, em geral, com tensão de 0 ~ 24 Vcc e corrente de 0 ~ 1 Ampère.

O freio eletromagnético de partículas é composto por três componentes principais: uma bobina, um estator e um rotor (e, obviamente, o pó magnético).

As partículas magnéticas (muito similar a limalhas de ferro finas) estão, inicialmente, desmagnetizadas e sob efeito da força da gravidade, depositadas no interior da cavidade entreferro. O material do pó é, geralmente, uma liga de Fe, Ni, Mn e Co, apresentando baixa remanência para baixo torque residual (< 2% do torque máximo), com granularidade de 50 ~ 800 mícrons, em forma arredondada para o melhor característica anti-fricção e anti-erosão das superfícies mecânicas pelo atrito com o pó magnético.

Quando a máquina faz o freio girar, o pó é forçado a distribuir-se pela cavidade, comprimido pela força centrífuga contra a superfície do estator. No entanto, quando a energia é aplicada à bobina, o fluxo magnético resultante tenta ligar as partículas entre si, quase como uma lama de partículas magnéticas. 

As partículas de pó se alinham ao longo das linhas de força do campo magnético, ligando o rotor e o estator em conjunto. Isso produz atrito e, consequente frenagem. À medida que a corrente elétrica que flui pela bobina é aumentada, a ligação das partículas torna-se mais forte.


O rotor do freio passa por essas partículas ligadas. A saída da caixa está rigidamente ligado a uma parte da máquina. À medida que as partículas começam a unir, uma força resistente é criada no rotor, abrandando e, eventualmente, parando o eixo de saída.


Quando a corrente da bobina é desligada, o eixo fica livre para girar e a força centrífuga pressiona o pó magnético, novamente, contra o estator. Isto, consequentemente, liberta o rotor, que pode rodar livremente. No entanto, uma vez que o pó de partículas magnéticas permanece na cavidade, devido ao magnetismo residual, esse tipo de dispositivo de freio possui, sempre, alguma magnitude de conjugado resistente residual associado a eles.

Fato interessante quanto a tal tipo e freio é que é que quanto maior ele é, muito mais eficiente ele se torna, podendo produzir Conjugados Resistentes máximos, desde 2 Nm até 500 Nm, consumindo uma mesma potência elétrica, em torno 24 W. Isso ocorre por que a energia que produz a frenagem vem da quantidade de matéria que é magnetizada, não dependendo, necessariamente, da capacidade da fonte de energia elétrica.

Entre uma unidade de de freio de menor porte e uma outra unidade de freio de porte maior, apenas a indutância da bobina é, em geral, um pouco aumentada. N entanto, isso faz com que a constante de tempo (L/R) e, portanto, o tempo de resposta do freio, também aumente. Isso significa que freios eletromagnéticos de partículas de maior porta são muito eficientes em energia mas são lentos em resposta.

Todavia, em todos os casos, para manter o torque ajustado estável, a fonte de alimentação precisa ser regulada em corrente, seja por método de regulação linear ou por PWM, neste caso, com frequência de chaveamento próxima a 1kHz.

Além do freio, será necessário um bom multímetro para se monitorar a corrente da bobina (torque) e um bom tacômetro para se medir a rotação para várias condições de torque.

Arquitetura de um Motor Puramente Magnético:


É uma pena que o blog original do autor do Torian III saiu do ar. De qualquer modo, eu desejo sucesso! Tal qual Nikola Tesla nos havia dito, o universo é cheio de energia elétrica e de energia eletromagnética e, os ímãs estão apenas focando e canalizando essa energia.

Engenheiros do Hitachi Magnetic Corp da Califórnia, afirmaram que "... um motor-gerador executado exclusivamente por ímãs é viável e lógico, mas a política da questão o tornar impossível para prosseguir no desenvolvimento de um motor de imã ou qualquer dispositivo que possa competir com os cartéis de energia."

Uma geometria aproximada (e ilustrativa) da arquitetura de um dispositivo que poderia funcionar como um motor puramente magnético, baseado no princípio da repulsão, é mostrado na figura a seguir:



A constituição desta máquina prevê a instalação de 3 peças magnetos de neodímio em série, alojados em cada um dos 15 receptáculos existentes ao longo da periferia circular, tanto do rotor, quanto do estator. Os receptáculos nada mais são que perfurações redondas com centro deslocado em 24º entre furações adjacentes, para alojar, em série, cada uma, 3 peças de imãs de formato disco cilíndrico de Ø = 6 mm x 6 mm.

Deste modo, o estator consome um total de quarenta e cinco peças de magnetos e o rotor, também, quarenta e cinco peças de magnetos (total 90), alojados em receptáculos que são furados com uma inclinação axial de 23º em ambos, estator e rotor.

Também ambas as peças de disco do estator e do rotor podem ser obtido por usinagem em Chapa de Poliacetal (termoplástico, branco (em geral), opaco) de espessura 12 mm, um material que garante excelente estabilidade dimensional, possuindo alta resistência e diminuta absorção de água. 



O poliacetal é utilizado na fabricação de engrenagens, roscas sem fim, roldanas, rolamentos, buchas, eixos, guias entre outras peças industriais. Outras propriedades são: alta rigidez, elevada resistência, atoxicidade, baixo coeficiente de atrito, excelente acabamento superficial, facilidade de usinagem, magneticamente neutro (base de resina poliacetal é inerentemente não-magnética) e, principalmente, não é tão caro.

Além da questão da geometria, outra questão importante a ser considerada é com relação a quanto de Torque e quanto Potência que se pode extrair desse tipo de máquina por volume / massa de magnetos empregados e como a geometria afeta isso e eu ainda não disponho de dados experimentais para apresentar. Também questões com respeito ao método de partida/parada da máquina e quanto a regulação de velocidade devem ser pensadas.

Com a máquina em repouso, em geral, estator e rotor estão separados, o suficiente para não interagirem, magneticamente, de modo considerável. Assim, para a partida da máquina, usa-se deslizar o estator para que o rotor passe a se alojar exatamente dentro do seu interior e, com isso, os campos passam a interagir e o rotor a girar.

Assim, será preciso pensar em algum tipo de atuador mecânico biestável com mudança por ação momentânea de um solenoide eletromecânico, ou pôr ação de um solenoide biestável baseado de imã permanente, que possa promover o deslizamento, do estator, tanto para partida , quanto para parada, automaticamente, a partir de um leve toque pelo operador em um botão pulsador, ou de um impulso proveniente de um circuito de comando partida / parada automático.

Muitas arquiteturas apresentam um sistema triplo, com três conjuntos estator / rotor (três discos de rotores e três discos de estatores, como o Torian III). Nestes casos, é conveniente que exista, de um disco para o outro, uma defasagem física correspondente a 1/3 da distância entre os receptáculos de ímãs adjacentes. Isso reduz a possibilidades de existir zonas mortas em inter-polos. 




Perendev-Type Magnetic Motor Animation

Outra questão relevante à viabilidade de tais máquinas, e que é de difícil verificação, é com respeito a durabilidade dos imãs, que com toda certeza deverá ser menor do que o apregoado pelos fabricantes dos ímãs de neodímio, uma vez que a frequente operação por oposição de polos, com a atrito magnético da repulsão produzindo algum eventual calor por indução irá provocar um decaimento mais rápido do momento magnético das peças do que o normal. Vibrações e choques de partida / parada também podem constituir-se em forças de desmagnetização.

É bom lembrar que,  apesar desse imãs apresentam um enorme fluxo magnético, eles são mecanicamente frágeis e podem perder seu magnetismo de modo irreversível em temperaturas acima de 120°C. Alguns experimentadores (e críticos) desse tipo de aplicação falam em decaimento em poucos meses, outros falam em decaimento após 20 anos, o que seria muito bom. Mas isso depende também da classe do imã de neodímio.

Os ímãs de neodímio (N) são classificados pelo material de que são feitos. Em geral, quanto maior o grau (o número que segue ao "N"), mais forte é o ímã (maior BH max). O mais alto grau de ímã de neodímio atualmente disponível é N52 (42>BHmax>40), porém o N42 (52>BHmax>49,5) é o que apresenta a melhor relação custo-benefício.

Qualquer letra seguindo o grau refere-se à Temperatura Máxima de Operação do ímã e, não existindo letra em seguida ao grau, o ímã de neodímio é para a temperatura padrão.

Para a temperatura padrão (Temperatura Máxima de Operação = 80°C), os valores de grau N (faixa de BHmax) para diferentes tipos de materiais de imãs de neodímio são:


Tipo de MaterialDensidade de Fluxo Residual Br (kG)Força Coerciva
Hc (kOe)
Força Coerciva Intrinseca Hci
(kOe)
Produto-Energia
BH max (MG.Oe)
N3511.7-12.1>11.0>1233-35
N3812.2-12.6>11.0>1236-38
N4012.6-12.9>11.0>1238-40
N4213.0-13.2>11.0>1240-42
N4513.3-13.7>11.0>1243-45
N4813.8-14.2>11.0>1245-48
N5014.1-14.5>11.0>1148-50
N5214.5-14.8>11.2>1149.5-52

kG => Quilo Gauss  ;   kOe => Quilo Oersted  ;   kG.Oe => Quilo Gauss-Oersted

As classificações de temperatura de operação são:

Padrão (sem letra) --> Tmax = 80°C ; Tcurie = 310°C
M  --> Tmax = 100°C ; Tcurie = 340°C   (o mais forte: N50M)
H   --> Tmax = 120°C ; Tcurie = 340°C   (o mais forte: N48H)
SH --> Tmax = 150°C ; Tcurie = 340°C   (o mais forte: N45SH)
UH --> Tmax = 180°C ; Tcurie = 350°C  (o mais forte: N40UH)
EH --> Tmax = 200°C ; Tcurie = 350°C  (o mais forte: N38EH)

Todavia, quanto mais alta a faixa de temperatura de operação recomendada, maior será o custo do ímã e menor será o BHmax que é disponível para aquela faixa, de modo que a melhor relação custo benefício o recomendado situa-se entre o N42H - N42SH.

Neodímio ferro boro (NdFeB) é uma liga feita principalmente a partir de uma combinação de neodímio, ferro, boro, cobalto e diferentes níveis de disprósio e praseodímio.

A composição química exata no interior do NdFeB depende do grau de do NdFeB. Disprósio e praseodímio são adicionados como um substituto para algum do neodímio para melhorar a resistência à corrosão e melhorar a Hci (coercividade intrínseca) do neodímio. Um exemplo da composição é dado abaixo:

Principais Elementos no NdFeB
Porcentagem na Composição
Neodímio (Nd)
29% - 32%
Ferro (Fe)
64.2% – 68.5%
Boro (B)
1.0% - 1.2%
Alumínio (Al)
0.2% - 0.4%
Niobio (Nb)
0.5% -1%
Disprósio (Dy)
0.8% -1.2%


O método de fabricação de ímãs de neodímio ferro boro é como apresentado neste Resumo de Produção:


Caso você resolva entrar nessa área de pesquisa, como primeiro passo esqueça a ilusão de energia totalmente livre.Os metais de terras raras são encontrados, comercialmente viáveis, em poucos locais da terra, a grande maioria dentro da China, portanto, um negócio altamente geo-politicamente dependente.

Outra coisa a ser considerada é que, apesar dos fabricantes persistirem em afirmarem que ímãs de neodímio irão durar "uma vida", de qualquer modo e sobre qualquer circunstância, a verdade é que pouco se sabe para se poder suportar essa afirmação. O que de fato ocorre com a sua força, com a decorrência do tempo de vida do neodímio, quando submetido a uma operação de repulsão magnética de intensidade continuamente variável (que é o que ocorre quando a máquina está girando), é um mistério.

Por isso, se você for trabalhar seriamente com ímãs, eu recomendo que você considere a possibilidade de obter, além dos instrumentos de medição eletrônica triviais, também um Medidor de Fluxo Magnético para que você mesmo possa fazer experiências envolvendo a vida útil do neodímio.

Um Medidor de Fluxo de Campo Magnético (Fluxômetro, mas, para não confundir com outros tipos de medidores de fluxo, como dre fluxo hidráulico, por exemplo, também chamado de Medidor de Campo Magnético"Gaussmeter" ou "Teslameter") é um instrumento integrador eletrônico com mostrador digital com alta sensibilidade e pequeno desvio.

Os medidores de campo magnético "gaussmeter" permitem a medida da densidade de fluxo magnético que atravessa uma seção transversal (no ar). A relação entre o a densidade de campo e o fluxo magnético é dada por:

 B = F / A      , sendo:                                                                B = A intensidade de campo magnético ou indução magnética [T] 
F = Fluxo Magnético em [V.s] = [T.m2] = [Wb]
A = Seção Transversal  [m2]

Medir o campo magnéticos na superfície de ímãs ou no "gap" de dispositivos magnéticos, destacam-se como as principais medidas que podem ser feitas com os medidores de campo magnético.

Notem que, a unidade de campo magnético (H) no Sistema Internacional (SI) é Ampère por metro (A/m). Apesar de todo o esforço em utilizar as unidades do SI, muitos equipamentos de medidas ainda utilizam as unidades do sistema CGS, no qual o campo é medido em oersted [Oe]. 

Já, as unidades gauss (G), no CGS e tesla (T) no SI referem-se a indução magnética (B) - também denominada de densidade de fluxo magnético. Esta é a grandeza que pode ser medida, diretamente, com os medidores de campo magnético.

O medidor de fluxo pode ser usado não só para a medição do fluxo magnético dos ímãs permanentes, mas também para o controle de qualidade e de triagem de produtos magnéticos em geral. Sua versatilidade faz com que o seu emprego seja possível, tanto em laboratório, como também na linha de produção de uma empresa, e recomendados para a medida de campos de ímãs, solenoides DC, magnetização residual e dispositivos magnéticos.

Um bom fluxômetro tem funções como as de retenção de valor máximo e de indicação automática de polo e, ao menos, quatro faixas de medição selecionáveis. Ele pode também ser utilizado para a medição do campo magnético de impulso. Estes medidores de fluxo, em geral, medem o fluxo Ф de um campo magnético, usando o princípio de indução eletromagnética e o método de integração eletrônica. O diagrama do sistema de medição é mostrado na figura a seguir.


O sensor de medição, em geral, é um dispositivo constituído de um par de bobinas de Helmholtz, que consiste de duas bobinas magnéticas circulares idênticas que são colocadas simetricamente, uma em cada lado da área experimental ao longo de um eixo comum, e separadas por uma distância igual ao raio da bobina. Cada bobina conduz uma corrente eléctrica igual, que flui no mesmo sentido relativo, para produzir uma região de campo magnético quase uniforme.

Uma corrente é induzida pela variação do fluxo magnético Ф passando através de uma bobina de medição. A corrente é a entrada do medidor de fluxo. Após a integração do atual obtém um sinal de tensão de CC, que é proporcional à variação do fluxo magnético. A tensão CC é convertida em sinal digital e exibida pelo mostrador. Assim, o fluxo magnético pode ser medido deste modo mas, antes de fazer a medição, em geral, é necessário que se faça a sintonia para eliminar o desvio pois, o fluxômetro irá mostrar uma valor aleatório que aumenta em uma direção de forma contínua.

Este valor do desvio é causado pela acumulação de desvio do sinal do integrador no medidor de fluxo. O ajuste é no sentido de fazer um ajuste grosso até que o valor do desvio passe a mudar bem lentamente, para, dai, então, poder também utilizar o ajuste fino para terminar de ajustar o desvio. Pressione a tecla RESET, após o valor do desvio ter se mantido estável, um indicador deve exibir ZERO, caso contrario, procede-se um reajuste fino, até que o indicador ZERO seja ativo. O ponto zero será mais estável se você usar o ajuste fino para ajustar o desvio.

Medidor de Campo Magnético - Gaussmeter
Série TLMP-HALL
Como se pode perceber, um fluxômetro não é um instrumento de operação trivial, o ideal é que se considere atentamente todas as instruções do manual de operação do usuário que é associado a ele. Ele também é um instrumento caro mas, existe alguma possibilidade de improvisação empregando multímetros comuns e uma simples antena AM de quadro, desde que se construa em separado, o circuito integrador eletrônico que irá interfaceá-los. Mas esse artifício não é o ideal para se medir fluxos magnéticos intensos, como é o caso do imãs de neodímio.

Alguns medidores comerciais são bastante precisos, porém mais caros. Eles dispõem de um mostrador em tela rica de informações, mas costumam ser produzidos com escala fixa, tendo que se escolher o modelo do instrumento pelo fundo de escala desejado, na hora de adquirir um medidor. Apresentam as funções: medida de campo  DC, medida de campo Máximo DC (valor de pico de um campo variável), Polaridade (Norte/Sul). Acompanham "Relatório  de  Calibração" a partir de padrões magnéticos rastreados e uma Sonda Hall Transversal (ponta para medição) fixa (5 x 1,5 mm). Dez modelos encontram-se em produção e venda (pela GlobalMag / MAGNAFLUX), como o modelo da foto ao lado, nos seguintes fundos de escala:

TLMP-HALL-20k    ± 20000 gauss (DC)
Medidor de Campo Eletromagnético Digital Icel EM-8000
TLMP-HALL-15k    ± 15000 gauss (DC)
TLMP-HALL-10k    ± 10000 gauss (DC)
TLMP-HALL-05k    ± 5000 gauss (DC)
TLMP-HALL-02k    ± 2000 gauss (DC)
TLMP-HALL-01k    ± 1000 gauss (DC)
TLMP-HALL-300   ± 300 gauss (DC)
TLMP-HALL-200   ± 200 gauss (DC)
TLMP-HALL-100   ± 100 gauss (DC)
TLMP-HALL-050   ± 50 gauss (DC)

Outros, já são menos precisos e mais baratos (cerca de R$ 750,00). Estes dispõem de chave de seleção de escala, só que não costumam ir além de 20.000 mili-gauss (20 gauss) como máxima medida (como o da foto ao lado), de modo que este, pouca ou nenhuma serventia terá para se trabalhar no controle da dimensão da densidade de fluxo magnético dos potentes imãs de neodímio (que é da ordem de 10 ~ 20 quilo-gauss).

Diante disso e, como boa parte dos técnicos e engenheiros envolvidos com magnetismo e eletro-magnetismo costumam possuir, de antemão, um multímetro, cujos mais sofisticados e caros, instrumentos manuais, com mostrador de 4 e 1/2 dígitos, custam menos do que o medidor de campo eletromagnético mais barato visto ai em cima, então, a melhor solução em termos de custo-benefício, para se medir campo magnético de imãs de neodímio, pode ser o emprego de um Transdutor de Campo  Magnético.

Transdutor de Campo  Magnético - TMAGv2
Um Transdutor de Campo  Magnético é um instrumento que  converte a intensidade do campo magnético em uma tensão elétrica, ou seja, ele gera uma tensão elétrica proporcional ao campo magnético medido. Ele não tem mostrador algum e, portanto, é mais barato. Este instrumento  pode ser acoplado a um multímetro (ou a um osciloscópio ou um sistema de aquisição de dados), para monitorar a intensidade de campos magnéticos CC e CA (com multímetro, apenas CC). Costumam possuir duas sensibilidades: 0,1T/V (tesla/volt) e 1T/V. Destina-se, sobretudo, para uso em projetos e desenvolvimento de produtos envolvendo magnetismo / eletro-magnetismo, diagnósticos de problemas magnéticos e na pesquisa científica.

Como a saída máxima é de 2,0 Volts absolutos (+2V para polo norte e -2V para polo sul), isso significa que, usando-se a escala (ou sensibilidade) de 1T/V, podemos medir campos de intensidade de até 2 Tesla, que corresponde a 20.000 Gauss, cobrindo toda a necessidade de medição, para todos os imãs permanentes, incluindo os de neodímio, atuais.

Fraudes Reais:


Desde 2006 Michael J. Brady afirmava ter disponível para venda geradores, tanto com máquinas de 100 kW, quanto com de 200 ~ 300 kW, motores totalmente magnéticos, livre de outra fonte de energia, muito menos necessitando combustível.

Ele afirmava que isso era uma evolução de seu alegado motor puramente magnético, que milhões de pessoas têm visto em vídeos on-line (motor Perendev original), postado na Web em conjunto com uma demonstração de que ele havia se programado para fazer na Alemanha em 2004, mas que não se concretizou.

Depois Brady iniciou contratos e pré-venda e passou a tomar dinheiro de um grupo de 61 clientes alemães, muitos dos quais pagando até a metade do preço de compra de 20.000 a 40.000 euros por um gerador. O valor total arrecadado superou a marca de 1 milhão de euros, apenas de clientes alemães mas, as máquinas prometidas nunca foram entregues, nem nunca se pôde verificar clientes fora da Alemanha que realmente chegassem a receberam tal produto.

Depois de declarar falência na Alemanha, Mike Brady alugou uma casa no Lago Zurique, na Suíça, adquiriu  alguns Maseratis e Range Rovers. Ele foi preso e extraditado para a Alemanha, onde os 61 clientes queriam seu dinheiro de volta.

Jornais alemães confirmaram que ele foi, de fato, preso em Zurique em 29 de março de 2010 e extraditado para a Alemanha em resposta a um pedido feito pelo Ministério Público de Munique, tendo ido para a  cadeia em Stadelheim. Parabéns para a justiça alemã, continuem nos dando o exemplo!


Segurança Pessoal:


Atenção, peças de imãs de neodímio podem se tornar objetos bastante interessantes de se manipular nas mão de curiosos, todavia, alguns cuidados são recomendados. Por exemplo, duas peças de blocos de neodímios iguais, digamos que retangulares, de medidas 50 X 50 X 20 mm, podem se atrair até mesmo a longas distâncias (maiores que 500 mm) e, não havendo nenhum corpo material que se interponha entre eles, eles colidirão com grande impacto, podendo até mesmo quebrar alguma (ou ambas) as peças e fragmentos do material podem, eventualmente, ser lançados a grandes velocidades.

Isso representa em uma situação de risco a ser considerada, com relativo grande perigo para a integridade da saúde dos seus olhos. Por  isso é recomendável que se manipule múltiplas peças de imãs de neodímio usando óculos de segurança.

Além disso, se uma das suas mãos, ou mesmo outra parte do seu corpo, estiver interposta entre dois deles, de dimensões tais quais descritas anterior, no momento em que haja uma eventual atração, isso pode resultar em contusões e ferimentos graves, chegando mesmo a quebrar seus ossos. Por isso, tome muito cuidado, principalmente ao movimentar uma peça de imã de neodímio com as mãos, próxima de outras peças.

Só Mais um "Vídeo Idiota"?


Uma visão geral do motor Perendev e replicação experimental por Sterling D. Allan do "Pure Energy Systems". A replicação do motor Perendev utiliza uma série de magnetos montados nas extremidades de um conjunto de rotor-estator múltiplo, na qual os estatores deslizam para engatar com os rotores, e começar a girar o eixo. Vídeo postado por American Antigravity


Leia também:


quinta-feira, 17 de janeiro de 2013

Os Ímãs Permanentes e os Motores Puramente Magnéticos (Parte 1/2)

Atenção:


Originalmente, este tópico se encontrava aqui, em uma postagem única, todavia, como eu o tenho revisado frequentemente e, como ele vem crescendo e se tornando realmente muito extenso, eu tratei de particioná-lo (por enquanto, apenas em duas partes).

Aqui, nesta primeira parte, permanece apenas aquilo que diz respeito a uma contextualização básica sobre a História e a Física do Magnetismo, seus Parâmetros Característicos e sobre os Ímãs Permanentes e outros Materiais Magnéticos, enquanto que, tudo aquilo que é relativo, especificamente, aos Motores Puramente Magnéticos, foi transferido para a Parte 2. (mas não deixe de ver os linques ao final desta postagem).

Os Ímãs Permanentes na Natureza:


Ímãs permanentes são, objetos que produzem seus próprios campos magnéticos persistentes e constantes. Todos os ímãs permanentes são dipolos, ou seja, possuem sempre dois polos, denominados pólo sul e polo norte. Os dipolos não podem ser separados. Se um ímã for dividido em duas partes, independente das proporções destas, obtêm-se dois ímãs menores, cada um com um polo norte e um polo sul.

Eles são magnetos feitos de materiais ferromagnéticos que podem ser naturais (como a Magnetita, que é um óxido de Ferro – Fe3O4) ou artificiais (os mais tradicionais e antigos feitos de ferro com alto teor de carbono), de modo que, em ambos os caso, as suas propriedades magnéticas originam-se na organização atômica dos materiais.

Os magnetos naturais são minerais produzidos na natureza terrestre e não resultado dos esforços do homem e os antigos gregos chamavam essas pedras magnéticas de “substância magnetita”. A denominação “magnetita” deriva do nome da região onde elas eram encontradas na antiguidade, que era a Magnésia (região da Grécia), e magnésia significava para os gregos antigos "lugar das pedras mágicas", pois estas pedras "magicamente" atraiam-se.

Os chineses são ditos como ter tido conhecimento de alguns dos efeitos do magnetismo desde a antiguidade. Provavelmente eles foram os primeiros a observar que as pedras semelhantes a magnetita, quando suspensas livremente, tinham uma tendência a assumir um direcionamento persistente. Tais pedras foram talhadas e usadas inicialmente em artefatos de previsão místicos (geomancia), porém durante a dinastia chinesa Qin (221-206 a.C.) elas passaram a originar as primeiras bússolas magnéticas rudimentares.

O mineral apresenta forma cristalina isométrica, geralmente na forma octaédrica. É um material de dureza 5,5 – 6,5 na escala Mohs, é quebradiço, fortemente magnético, de cor preta e quando polido apresenta brilho metálico. Por séculos os cientistas se perguntam como a magnetita se torna magnetizada. Dr. Peter Wasilewski do Goddard Space Flight Center da NASA sugeriu que isso acontece como resultado da queda de raios de descarga atmosférica.

Todavia, é necessário também a ação de erosão do solo pelas águas das chuvas, com os rios carregando partículas minerais de compostos de óxidos de ferro (FeO e Fe2O3), formando depósitos naturais, principalmente próximos ao mar, concentrando-se nas praias também pela ação das ondas e das correntes marítimas.

O campo eletromagnético breve, porém extremamente intenso associado aos raios faz com que os domínios magnéticos (dipolos magnéticos moleculares) no mineral se alinhem. O fato de que a magnetita é encontrada apenas na profundidade rasa parece apoiar a teoria da necessidade de raios de descarga atmosféricas para elas se magnetizarem.

Normalmente esses domínios magnéticos são originalmente desordenados e, na somatória vetorial, se anulam mutuamente, mas, quando eles são alinhados o mineral é magnetizado. Isto é semelhante ao que acontece de maneira controlada e com uma intensidade muito menor, em um gravador de fita ou um disco rígido de computador, os quais se baseiam em camada partículas de óxido de ferro, que tê o seu padrão de campo magnético alterado, para uma ou para outra direção, por uma fonte de pequena energia magnética externa.

Amostras de magnetita podem ser magnetizadas em laboratório, mas é difícil comprovar quando isso ocorre na natureza até um afloramento da magnetita pode ser verificada antes e depois de um raio para a presença de magnetitas. No entanto, é evidente que o solo rico em óxidos ferrosos, principalmente em alta concentração, se torna muito melhor condutor elétrico e, por isso, atrai para si mais facilmente os raios.

A teoria do ferromagnetismo é baseada em forças eletrônicas de troca. Estas forças são tão fortes que estes materiais são magnetizados espontaneamente, mesmo na ausência de um campo aplicado externamente. No entanto, em laboratório, é preciso aplicar campos magnéticos para saturar um material ferrimagnético. Em alguns casos, mesmo o material na forma de pequenos grãos tem uma capacidade de reter magnetismo quase zero. Isso levanta a questão:

Por que não são todos os materiais ferrimagnéticos magnetizado para seus estados de saturação, mesmo no campo zero?

Para responder esta pergunta, postulou-se, em 1907, quando a teoria do ferromagnetismo tornou-se inicialmente avançada, que materiais ferromagnéticos são subdivididos em muitos subestruturas pequenas, chamadas domínios. Cada domínio, em si, é espontaneamente magnetizado à saturação, entretanto, a direção da magnetização varia de domínio para domínio. A somatória vetorial (somatória em que se considera a direção e o sentido da força) de todos os domínios, por conseguinte, produzem uma magnetização total quase zero. Não foi até a década de 1930 que a existência dos domínios foram confirmados experimentalmente.

De fato, o magnetismo se torna resultado de um direcionamento quase homogêneo dos spins dos elétrons dos átomos que se encontram em cada domínio, no interior do material. Isso é obtido durante a formação do material, quando as moléculas assumem uma orientação única ou predominante, de modo que cada molécula do material (ou ao menos a grande maioria delas), sendo um pequeno ímã natural, denominado de ímã molecular, somam-se, cada uma, ao efeito das demais.

O magnetismo se caracteriza pela formação de um campo de força estático de configuração bipolar e este, por linhas de força. Ambos os pólos têm a força magnética igual e, provavelmente, partículas subatômicas ainda desconhecidas, tratadas atualmente apenas como partículas virtuais, trafeguem por essas linhas, saindo do corpo do material do magneto por um de seus pólos e retornando ao mesmo corpo, na mesma exata proporção, pelo outro polo.

As linhas de força de um campo magnético são coletivamente chamadas de fluxo magnético, para o qual se usa o símbolo Φ, a letra grega Phi. A unidade de fluxo magnético (ou fluxo de indução magnética) no Sistema Internacional de Unidades de Medida (SI) é o Weber (Wb). Se o corpo de um magneto se encontra em um espaço isento de interferência de quaisquer outros campos magnéticos externos, ele apresentara um fluxo magnético constante.

A força magnética em torno de um magneto não é uniforme. Existe uma grande concentração de força em cada uma das extremidades polares do ímã e uma força muito fraca no centro. A prova deste fato pode ser obtida por meio de imersão um ímã em limalha de ferro. Verifica-se que muita limalha se agarra às extremidades do ímã, enquanto muito pouca adere ao centro.

Magnetos produzidos pelo homem a partir de materiais magnetizados são chamados ímãs artificiais. Eles podem ser feitos em uma variedade de formas e tamanhos e são amplamente utilizados em aparelhos elétricos. Ímãs artificiais são geralmente feitos a partir de ferro ou ligas de aço especiais que são geralmente magnetizados eletricamente.

O material a ser magnetizado é inserido como núcleo de uma bobina de fio isolado de elevada indutância e, então, uma corrente elétrica de intensidade muito elevada e fita circular pela bobina. Magnetos podem também ser produzidos por friccionamento do material não magnetizado com a magnetite, ou com um outro ímã artificial.

Ímãs artificiais são geralmente classificados como permanentes ou temporários, em função da sua capacidade de reter as suas propriedades magnéticas depois de a força de magnetização é removida. Ima feitos a partir de substâncias, tais como o aço temperado e certas ligas que retêm uma grande parte do seu magnetismo, são chamados de magnetos permanentes.

Estes materiais são relativamente difíceis de magnetizar devido à oposição oferecida para as linhas de força magnéticas quando as linhas de força tenta distribuir-se por todo o material. A oposição que o material oferece para as linhas de força magnética é denominada relutância. Todos os ímãs permanentes são produzidos a partir de materiais que têm uma alta relutância.

Um material com uma baixa relutância, tal como ferro macio ou aço silício recozido, são relativamente fáceis de magnetizar, mas irão manter apenas uma pequena parte do seu magnetismo uma vez que a força de magnetização é removida. Materiais do tipo que facilmente perdem a maior parte da sua força magnética são chamados ímãs temporários.

A quantidade de magnetismo que permanece em um ímã temporário é referida como o seu magnetismo residual. A capacidade de um material para reter uma quantidade de magnetismo residual é chamado de remanência do material.

A diferença entre um ímã permanente e um temporário pode ser indicada em termos de relutância, com um ímã permanente tendo uma elevada relutância e um ímã temporário tendo uma baixa relutância.

Os ímãs são também descritos em termos da permeabilidade dos seus materiais, ou à facilidade com que as linhas magnéticas de força se distribuem por todo o material.

Uma ímã permanente, o qual é produzido a partir de um material com uma certa relutância elevada, tem uma baixa permeabilidade. Um ímã temporário, produzido a partir de um material com uma baixa relutância, que têm uma alta permeabilidade.

Quando um material ferromagnético é magnetizado numa dada direção, ele não deve relaxar de volta a zero de magnetização quando o campo magnético imposto é removido. Como já foi dito alguns parágrafos acima, a quantidade de magnetização que ele mantém fora da ação de um campo campo magnético externo é chamado de remanência.

Todavia, ele poderá ser levado de volta para zero pela aplicação de um novo campo magnético externo reverso, na direção oposta ao da magnetização. A intensidade do campo externo reverso necessário para desmagnetizar o imã é chamada de coercividade.

Densidade de fluxo B e polarização magnética J, versus a força do campo magnético H,
para ímãs permanentes de baixa coercividade (aços, Alnicos).
Outrossim, se um campo magnético alternado é aplicado a um material ferromagnético, responsivamente a sua magnetização irá variar alternadamente dentro de uma faixa denominada ciclo de histerese. A perda do histórico da curva de magnetização é a propriedade chamada histerese e está relacionada com a existência de domínios magnéticos no material. Uma vez que os domínios magnéticos são orientadas, demandará um pouco de energia para reorientá-los de volta.

Esta propriedade dos materiais ferromagnéticos é útil como uma "memória" magnética. Já algumas outras composições de materiais ferromagnéticos reterá uma magnetização imposta indefinidamente e são úteis como "ímãs permanentes".

A dependência das propriedades magnéticas de uma direção preferencial é chamado anisotropia magnética. Existem vários tipos diferentes de fontes e anisotropia magnética:

Anisotropia de estruturas cristalinas (magnetocristalina): a estrutura atômica de um cristal apresenta direções preferenciais para a magnetização;

Anisotropia de forma (relativas ao formato dos grãos): quando uma partícula não é perfeitamente esférica, o campo de desmagnetização não será igual para todas as direções, criando um ou mais eixos preferenciais;

Anisotropia magnetoelástica: tensão residual ou aplicada pode alterar o comportamento magnético, levando a anisotropia magnética. O efeito magnetoelástico resulta da interação entre as orbitas dos spins. Os momentos de spin são acopladas à estrutura por meio dos elétrons orbitais. Se a estrutura for alterada pela tensão, as distâncias entre os átomos magnéticos é alterada e, portanto, as energias de interação são alteradas. Isto produz anisotropia magneto-elástica;

Anisotropia de troca: um tipo relativamente novo de visão, que ocorre quando os materiais anti-ferromagnéticos e ferromagnéticos interagem.

Atualmente, a anisotropia magnetocristalina tem uma grande influência sobre os usos industriais de materiais ferromagnéticos. Materiais com anisotropia magnética alta geralmente têm alta coercividade, ou seja, são  difíceis de desmagnetizar. Estes são chamados de materiais ferromagnéticos "duros", e são usados ​​para fazer ímãs permanentes.

Um ímã permanente bom deve produzir um campo magnético de intensidade elevada, com uma massa reduzida, e deve ser estável contra as influências que possam desmagnetizá-lo. As propriedades desejáveis de tais ímãs são tipicamente expressos em termos da remanência, da coercividade e do produto-energia (BH) max, as quais resultam, tanto dos elementos dos materiais magnéticos que os compõem, quando dos métodos envolvidos no seu processo de sua elaboração.

Materiais dos Imãs Permanentes Artificiais:


Ao longo do século 20, houve um aumento de 200 vezes no produto-energia máximo, BH max, de materiais magnéticos permanentes. O produto energético dos aços magnéticos disponíveis em 1900 giravam em torno de 2 kJ/m3 , mas os últimos ímãs comerciais tinham produtos-energia que excedem a 400 kJ/m3  A coercividade elevada significa que os materiais são muito resistentes a tornar-se desmagnetizados, uma característica essencial de um ímã permanente.

A primeira melhoria importante em materiais magnéticos permanentes no século 20 foi possibilitada pelo desenvolvimento da família ferro + alumínio (Al) + níquel (Ni) + cobalto (Co) de materiais. Esta família pode ser também denominada de “ímãs de metal”, caso não se queira usar o nome comercial Alnico.

Os imãs de Alnico são fabricados através do processo de fundição. Ao longo de 20 anos, quatro sub famílias de ímã de metal foram desenvolvidas:

1 - Ligas de Alnico isotrópicas, contendo apenas 12% de Co, ou menos;
2 – Ligas tratadas de moderada coercividade de campo, contendo de 20% a 25% de Co. Ligas de alnico anisotrópicas obtidas pela elevação da proporção de Cobalto, pelo resfriamento parcial do fundido imerso em um campo magnético e pela têmpera como tratamento térmico final;
3 - Ligas de alta coercividade, contendo mais de 30% de Co. aumentando o teor de cobalto e adicionando titânio e nióbio, tanto o valor de BH max, quanto a coercividade, ambos aumentam;
4 - Variedades colunar de ambos, 2 e 3 acima.

Os magnetos Alnico revolucionaram a indústria do ímã permanente na primeira metade do século 20, mas os processos de fabricação são complexos e as matérias-primas são caros. Em particular, o cobalto é um material estratégico cuja oferta está sujeita a mudanças no clima político mundial.

A dominação do mercado de ímã permanente pelos ímãs de metal Alnico foi desafiada pela introdução de ímãs de ferrite de cerâmica na década de 1950. O uso de ímãs de ferrite ultrapassou o uso de ímãs de metal no final dos anos 1960.

Ímãs permanentes de ferrite são a segunda grande família de materiais de ímã permanente e foram desenvolvidos pela Philips a partir de 1940. Ferrites são geralmente compostos cerâmicos ferrimagnéticos não-condutores, derivados do óxido de ferro tais como a hematite (Fe2O3) ou magnetite (Fe3O4), assim como os óxidos de outros metais. 

De um modo geral, as ferrites são, como a maioria das outras cerâmicas: materiais duros e quebradiços. Todavia, em termos das suas propriedades magnéticas, as diferentes ferrites são, muitas vezes, classificadas como "moles" ou "dura", no que se refere à sua coercividade magnética ser baixa ou alta.

Ímãs permanentes de ferrite são feitos de ferrites dura, que têm uma alta coercitividade e remanência alta depois da magnetização. Estas são compostas por óxidos de ferro e de bário ou estrôncio. Elas também conduzem o fluxo magnético bem e tem uma elevada permeabilidade magnética. Isto permite que estes ímãs chamados cerâmicos, armazenem campos magnéticos mais fortes do que o ferro em si. Eles são baratos, e são amplamente utilizados em produtos domésticos, tais como auto-falantes e ímãs de geladeira, mas também são, ainda, a primeira escolha para a maioria motores CC, separadores magnéticos, sensores de MRI (ressonância magnética) e automotivo.

Por sua vez, as ferrites macias são ferrites são utilizados em núcleos de dispositivos eletromagnéticos, tais como alguns tipos de transformadores e de indutores especiais. Contêm níquel, zinco e / ou compostos de manganês. Eles têm uma baixa coercividade e a coercividade baixa significa que a magnetização do material, pode facilmente reverter de direção, com a dissipação de muito pouca energia (perdas por histerese), ao mesmo tempo em que, um alta resistividade elétrica do material impede que correntes de Foucault trafeguem no núcleo (as correntes de Foucault são também uma causa de perda de energia em circuitos magnéticos).

Por causa de suas perdas comparativamente baixas devido a alta permeabilidade, combinada com a baixa coercividade, as ferrites macias podem operar em alta velocidade de comutação e campo, providos por sinais elétricos de altas frequências. Tais ferrites são amplamente utilizados nos núcleos de transformadores e indutores de RF, em aplicações tais como fontes de alimentação chaveada, em solenoides de alto desempenho e varredura e feixe de elétrons nos não tão antigos cinescópios.

O método para se produzir magnetos de ferrite, tanto isotrópicos quanto anisotrópicos, envolve calcinar  o óxido férrico e de bário ou de carbonato de estrôncio, em aquecimento de 1000 - 1350 °C, empregando em seguida  esferas de moagem para se obter partículas de cerca de 1 µm de diâmetro, depois a prensagem do pó (em um campo magnético para alinhar as partículas, no caso de ímãs anisotrópicos), e a sinterização do compactado para produzir formas regulares. É possível fabricar ímãs de borracha flexíveis e ou ímãs plásticos por mistura de pó de ferrite, com o material à base de borracha ou de plástico. Esses ímãs flexíveis têm muitos usos que variam de tiras e anéis magnéticos de vedações para sinais magnéticos e jogos.

A grande vantagem trazida pelos imãs de ferrite tem sido o seu custo e, apesar de já ter entrado em queda, principalmente pelo fim do emprego dos tubos de raios catódicos nos aparelhos receptores de T.V. e nos monitores de vídeo de informática hoje, as ferrites ainda correspondem a cerca de 2/3 da produção mundial de ímã por tonelagem e cerca de de 40% do mercado medido em termos financeiros.

A terceira família importante de materiais de ímãs permanente que pôde ser desenvolvida no século 20 baseiam-se nos elementos de terras raras, tais como o samário, o cério, o ítrio, o praseodímio, neodímio, gadolínio, etc. Muito embora estes materiais tenham sido reportados pela primeira vez apenas em 1936 (Drozzina e Janus), eles só passaram a ser desenvolvidos comercialmente durante os últimos 40 anos.

Metais de terras raras não puderam estar prontamente disponíveis até 1950, quando a pesquisa sobre as propriedades de de transição dos compostos de metais terras raras, consequentemente, se tornou possível. O desenvolvimento de ímãs de terras raras se tornou mais sério por volta de 1966, quando pesquisadores do Laboratório de Materiais da Força Aérea dos EUA descobriu que uma liga de ítrio e cobalto, YCo5  teve, de longe, a maior anisotropia magnética constante de qualquer material conhecido então.

A alta anisotropia dos metais de terras raras é o principal responsável pela força de magnetos de terras raras. Durante o fabrico de ímãs, um poderoso campo magnético alinha os grãos microcristalinos do metal de modo que seus eixos de magnetização preferencial apontam, predominantemente, na mesma direção, firmando um forte campo magnético no interior do material.

É difícil encontrar um outro material ou dispositivo cuja principal característica de mérito principal tenha sido aumentada por um fator de 200 dentro de um único século, como os ímãs permanentes.

O gráfico a seguir, apresenta a história do desenvolvimento de ímãs permanentes, olhando para os seus valores (BH) max, alcançados desde 1880, mostrando também, por  semelhança com uma escada, que as maiores melhorias foram feitas, principalmente, pela evolução de novos materiais.

Os pontos 1, 2 e 3 na figura são associados ao período em que todos os magnetos permanentes eram feitos de aços, já os pontos 4, 5, 6, 7 e 8, são para a época em que predominou os magnetos de Alnico, enquanto os pontos 9, 10, 11 e 12 revelam a recente era dos magnetos permanentes de terras raras. A figura a seguir, por sua vez, representa um esquema  que relaciona as mudanças no tamanho do ímã exigido para uma aplicação específica qualquer, associados aos mesmos pontos 1 – 12 do gráfico anterior.

Quanto ao desenvolvimento de materiais de ferrite, não criou-se registos para o valor de (BH) max eles no gráfico, porque o aumento da sua coercividade foi acompanhado por uma diminuição da remanência (ferrites moles), enquanto as ferrites duras competem com os imãs de terras raras.

Um ímã de neodímio (também chamado de ímã de neodímio-ferro-boro, ou menos especificamente de ímã de terras raras) é feito a partir de uma combinação de neodímio, ferro e boro — Nd2Fe14B. Esses ímãs são dotados de uma elevada densidade de fluxo em comparação com ímãs feitos de outros materiais e de mesma massa. Começou a ser produzido a partir de de 1980.

Todavia, eles são também mecanicamente frágeis e perdem seu magnetismo rapidamente e de modo irreversível em temperaturas elevadas (acima de 120 °C, que é a sua temperatura de Curie). Devido ao seu custo mais baixo, eles vêm rapidamente substituindo os ímãs de samário-cobalto na maioria das aplicações onde a temperatura não é crítica. Eles podem ser obtidos então, por meio de aglomerados de neodímio, ou sinterizados, que resulta em ímãs de fluxo ainda mais densos.

A utilização de tratamentos de superfície de proteção, tais como o revestimento em ouro, em níquel, em zinco, em estanho ou em resina epóxi pode proporcionar proteção contra a corrosão, se necessário.

Originalmente, o custo elevado destes imãs limitavam a sua utilização para aplicações que necessitam de magnetos de tamanho compacto, em conjunto com a força de campo elevada. Ambas, tanto as matérias-primas e quanto as licenças de patentes eram caros. A partir dos anos 1990, os ímãs de neodímio tornaram-se cada vez menos caros, e o baixo custo tem inspirado novos usos, tais como brinquedos de construção magnéticas, assim como as pesquisas de geometria para produção de torque de movimento giratório em motores puramente magnéticos.

Os elementos de terra rara (lantanídeos) em sua forma pura são metais que são ferromagnéticos, o que significa que, como o ferro, eles podem ser magnetizados, mas devido a sua  temperatura Curie baixa (inferiores à temperatura normal do ambiente), o seu magnetismo só pode aparece em baixas temperaturas.

Todavia, eles elaborados a formarem compostos com metais de transição, tais como ferro, níquel e cobalto, que têm temperaturas Curie bastante acima da temperatura ambiente. Assim, os magnetos de terras raras são feitas a partir destes compostos.

A vantagem dos compostos de terras raras juntamente com mais outros ferromagnéticos é que as suas estruturas cristalinas têm muito elevada anisotropia magnética. Isto significa que um cristal do material é fácil de magnetizar numa direção particular, mas resiste a ser magnetizado em qualquer outra direção.

Átomos de elementos de terras raras no estado sólido, podem manter elevados momentos magnéticos. Isto é uma consequência do enchimento incompleto do orbital f, o qual pode conter até 7 elétrons desemparelhados e com spins alinhados. Elétrons nesse orbital são fortemente localizados e, portanto, facilmente mantém os seus momentos magnéticos e funcionam como centros paramagnéticos. Momentos magnéticos em outros orbitais são muitas vezes perdidos devido a forte sobreposição com os vizinhos, por exemplo, os elétrons que participam em ligações covalentes formam pares que resultam em zero de spin.

Um cubo magnético (comercialmente denominado NEO-CUBE)
feito com 6 x 6 x 6 ímãs de neodímio esféricos.
Momentos magnéticos intensos ao nível atômico, em combinação com um alinhamento estável (anisotropia elevada) resulta em um produto-energia elevado e é por isso, e também pela grande variedade de formatos em que eles são apresentados, que ímãs de neodímio têm fascinado as pessoas já por muitos anos.

Para efeitos de propaganda, estima-se que, um ímã de neodímio mantido sob certas condições ambientais típicas, demandará um prazo de cerca de 500 anos para que o seu campo magnético (também chamado de indução magnética ou, mais apropriadamente de densidade do fluxo magnético) B, que é o número de linhas de fluxo por unidade de área que permeiam o campo magnético, na seção transversal da sua região interpolar, reduza-se a 50%. Esta é a alegada vida útil para estes magnetos.

Apesar de todos os avanços feitos no século 20 para melhorias das propriedades magnéticas de materiais magnéticos permanentes, depois que o homem passou a dominar a produção de magnetismo a partir da eletricidade, e principalmente pelo sedutor rápido desenvolvimento dos métodos de controle da corrente elétrica, os ímãs permanentes passaram a ser relegados a um segundo plano no âmbito das tecnologias de conversão de energia e, não obstante ao fato de que efetivamente campos magnéticos são, antes de tudo, armazéns de energia, os magnetos deixaram de ser vistos, de modo específico, como fontes dela, passando a ser usados apenas como elementos coadjuvantes nos sistemas geradores de energia elétrica e mecânica.

Uma evidência disso é o fato de que a definição preferida de “momento magnético” tem mudado ao longo do tempo. Antes de 1930, os livros didáticos definiam o momento usando pólos magnéticos. Desde então, a maioria tem definido em termos de correntes elétricas. Muito mais do que uma simples questão de opção entre sistemas de unidade de medida, tal mudança significou uma inibição do aprofundamento do desenvolvimento das teorias dos fenômenos de princípio magnetostáticos, em favorecimento de uma mais rápida evolução do conhecimento de fenômenos de princípio eletrostáticos.

Também a atenção para a novidade em consequência do início das teorias quânticas, causando uma exagerada e desnecessária cisão entre as mecânicas clássicas e quânticas e, apresentando está segunda, inicialmente, de uma maneira até certo ponto confusa quanto às teorias das partículas elementares e, tendo ainda isso nos chegado em uma época em que o homem não possuía conhecimento adequado sobre nanoestruturas, de um modo geral, provocou uma mudança de foco que também atrasou o desenvolvimento de uma maior profundidade para as teorias do magnetismo. De um momento para o outro, o homem desejou olhar microscopicamente muito profundamente, para além dos átomos, mesmo antes, e em detrimento, de compreender razoavelmente bem, e melhor, os princípios dos fenômenos físicos a nível ao nível molecular.

Tal atraso começou a ser compensado, apenas a partir de meados dos anos 1960, com novas visões sendo lançadas sobre os princípios magnetostáticos em ferromagnetismo e sobre as interações magnetoelásticas e também com a micromagnética, que mais recentemente vem fazendo com que o magnetismo seja reavaliado ao nível de materiais nanoestruturados, fato que é devido, principalmente, as pressões originadas das demandas comerciais por mídias magnéticas cada vez de mais alta densidade e pelo emprego das técnicas de espectroscopia por ressonância magnética nuclear.

Graças a isso, as nanopartículas de domínio magnéticos único passaram a constituir um modelo de sistema importante em magnetismo. Em particular, os conjuntos de nanopartículas superparamagnéticas podem apresentar uma grande variedade de comportamentos diferentes, dependendo das interações inter-partículas. A partir do isolamento de nanopartículas ferromagnéticas de domínio único, tanto o comportamento da magnetização interativa, quanto a não interativa, entre conjuntos de partículas tem sido revisado. Atenção especial tem sido dada para o tempo de relaxação do sistema. No caso da interação entre as nanopartículas, a lei relaxamento habitual de Néel-Brown (fenômeno magnético dependentes do tempo conhecido como viscosidade magnética) se torna modificada. Com interações crescentes, tanto o comportamento spin desordenado, quanto o superparamagnetismo modificado e o superferromagnetismo podem ser obtidos e explicados.

Concomitante a isso, nas recentes décadas, a spintrônica começou a emergir, a partir de descobertas na década de 1980 sobre fenômenos de transporte de elétrons que são spin-dependentes em dispositivos de estado sólido. Assim, modernos dispositivos de spintrônica dependem não apenas da carga elétrica do elétron mas também de seu spin.

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