eclética química 35-3.indd ECLÉTICA química www.scielo.br/eq Volume 35, número 3, 2010 141 Artigo/Article PERMEABILIDADE E AUTOINDUÇÃO MAGNÉTICA DO NÍQUEL E DA PLATINA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA Waldir Garlipp; Mario Cilense RESUMO: Efeito da temperatura sobre a autoindução magnética do níquel e da platina e a per- meabilidade magnética do níquel, no intervalo de temperatura de 525K a 620K, confirma dados encontrados na literatura. PALAVRAS CHAVE: propriedades magnéticas, Ni, Pt, autoindução magnética, permeabilidade magnética, susceptibilidade magnética, domínios magnéticos, parede de Bloch, magnetostrição, lei de Lenz. Introdução A pesquisa da permeabilidade e da histere- se magnética, dos metais e ligas ferromagnéticas, com a aplicação do campo magnético, da tempe- ratura, da tensão e deformação mecânicas e da magnéto-mecanica, apresentam propriedades de grande interesse cientifi co e tecnológico (9). Em particular a permeabilidade magnética é medida e analisada em função da temperatura por meio de dispositivos eletroeletrônicos (7) em amostras com varias dimensões e formatos. A permeabilidade magnética μ de um fi o metálico retilíneo e delgado ferromagnético é cal- culada pelo produto da auto indução magnética (Vmag/I0)×τ pelo fator π/l. (4), onde Vmag é a for- ça eletromotriz induzida.nas suas extremidades, quando a corrente contínua circulante Io é desli- gada abruptamente, τ é o tempo de relaxação do circuito elétrico utilizado e l o seu comprimento. Conforme o método experimental e sistema de unidades adotado, outros fatores são adotados como por exemplo, 0,5/l (5), (2l/c2 ×ln(2l/ea))-1 (10) e onde e é o numero natural, a o diâmetro da amostra, e c a velocid ade da luz. Objetivo da pesquisa Calcular a auto-indutância magnética transversal em amostras em forma de fi os delga- dos e retilineos de Ni e Pt por meio da expressão (Vmag/I0)×τ em função da temperatura. Experimental Fios de níquel e platina com comprimento de 0,19 m, e diâmetro de 0,0004 m, para evitar o efeito pele, “skin effect”, foi recosido em atmos- fera neutra a 873K durante 5 horas e esfriado, na velocidade de 4,6 10-1 K/min até a temperatura ambiente. As amostras foram colocadas no interior de um tubo de vidro pyrex, selado em atmosfera rarefeita de argônio, juntamente com um par ter- moelétrico mostrado na fi gura 1. Ecl. Quím., São Paulo, 35 - 3: 141 - 145, 2010 Ecl. Quím., São Paulo, 35 - 3: 141 - 145, 2010142 Ecl. Quím., São Paulo, 35 - 3: 141 - 145, 2010 143 Artigo Article Artigo Article Figura 1. Amostra encerrada no tubo de vidro pyrex em atmosfera rarefeita de ar gônio; conectada ao circuito elétrico de medida de Vmag : K chave interruptora, F Fonte de tensão continua (6,0 Volt), M1 e M2 semi-telas do osciloscópio com imagem permanente, rF resistência interna da fonte, r resistência variável e A amperímetro. 500 525 550 575 600 625 650 675 700 725 750 775 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 Autoindução magnética(Henry) Niquel 99,5% pureza Au to in du çã o (H en ry )x 10 3 Temperatura (K) Ni Figure 2. Autoindução do Ni em função da tempera- tura absoluta. Figura 3. Autoindução do Ni e da Pt relativas a au- toindução no ponto Curie, em função da temperatura absoluta. Discussão Na fi gura 2 o comportamento da curva, no intervalo de 525K a 620K é semelhante ao da fi gu- ra, literatura (8), a menos do fator π/2, e na fi gura 3, por analogia ao trabalho teoricamente analisado por Mott (11) e outros (6), sobre a resistência elé- trica do Ni, em função da temperatura e do campo magnético. Segundo esses autores, a partir da tempera- tura ambiente, a ``metade´´ dos elétrons de condu- ção que transitam da banda Ns2 para a banda Md8 da confi guração eletrônica do Ni tabela 1, tem seus momentos magnéticos, spins emparelhados sob a ação do campo magnético, porem a medida que a vibração iônica cresce com a temperatura, a propriedade intrínseca ferromagnético tende a de- saparecer, liberando esses elétrons e contribuindo para a elevação da resistência elétrica até o ponto Curie. A ampola foi colocada no interior de um forno elétrico e conectada ao circuito elétrico mostrado na fi gura 1. Os dados experimentais fo- ram obtidos das amostras nas temperaturas entre 525K e 750K mantendo uma oscilação térmica de ± 0,4K. Operação do circuito elétrico Após aquecer o fi o (Ni ou Pt) por 20 minu- tos em cada patamar sucessivo de 15K, no inter- valo de 525K a 750K, a corrente elétrica continua I0 é ligada durante alguns segundos e bruscamente desligada pela chave interruptora K. Esta opera- ção produz, em cada semi-tela do osciloscópio, uma curva exponencial decrescente da força ele- tromotriz Vmag no níquel e no shunt de carbono, em função do tempo, que permite avaliar os seus valores máximos e calcular os respectivos tempos de relaxação τ2 e τ1. Sendo para o níquel e sendo para o shunt de carbono onde R é a resistência elétrica do shunt de carbono. Pela aplicação da relação onde L é a autoindução magnética e de- monstrado experimentalmente que τ2 = τ1 = τ resulta solução que justifi ca nesse trabal ho sua aplicação como a adoção dos valores Vmag2, I0 e τ. A fi gura 2 mostra a autoindução do eleme n- to Ni, a fi gura 3 a autoindução dos elementos Ni e Pt relativas ao ponto de Curie, em função da tem- peratura. Tabela 1. Extraído de “Periodic Chart of the atoms , 1947 Ed. H. D. Hubbard and W. F. Meggers Nº tômico elemento K L M N O P 1 2 3 4 5 6 s s p s p d s p d f s p d f s p d f 28 Ni 2 2 6 2 6 8 2 78 Pt 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 9* 1 Melhor interpretação do comportamento da autoindução do níquel, é feita hoje pela teoria dos domínios magnéticos que são compostos por grupos de momentos magnéticos, spins, separados entre si por paredes de transição magnética (pare- de de Bloch). Nesses grupos a orientação paralela de spins dos elétrons dos átomos vizinhos na rede cristalina, é vantajosa sob o ponto de vista energé- tico, resultando numa magnetizaçã o espontânea, que é acentuada com a aplicação externa de um campo magnético. Com a temperatura crescente cada vez mais spins perdem as orientações paralelas, liberando mais elétrons livres, favorecendo o crescimento da autoindução até a temperatura de Curie. É o que indica a curva da fi gura 2, que entre as tem- peraturas de 525K a 750K indica a existência de um ponto de infl exão a 575K, ponto de alteração de equilíbrio na orientação de uma parcela de do- mínios magnéticos, (8), e outro a 620K em que hà uma desordem na ori entação dos domínios com a reação ferromagnético ⇔ paramagnética. Ecl. Quím., São Paulo, 35 - 3: 141 - 145, 2010144 Ecl. Quím., São Paulo, 35 - 3: 141 - 145, 2010 145 Artigo Article Artigo Article Na fi gura 3 as curvas referentes ao Ni e a Pt foram obtidas pelo quociente Vmag/VCurie em fun- ção da temperatura no sentido de analisar o estado auto indutivo do níquel em relação ao da platina. Até as proximidades do ponto Curie o Ni é ferromagnético, mantendo seu baixo valor de au- toindução em relação ao da Pt, e além desse ponto torna-se paramagnético, com a mesma autoindu- ção da Pt, como se nota com o mutuo posiciona- mento das duas curvas. Alem do efeito térmico, o campo magnéti- co H normal ao fi o, gerado pela corrente elétrica que atua sobre a orientação dos domínios magné- ticos pode deformar, aniquilar, nuclear as paredes de Bloch, alterando as dimensões e a autoindução do fi o. O fenômeno da variação relativa da dimen- são l do fi o, Δl/l, denominado de λ é chamado de magnetostrição. Ele altera o tempo médio de relaxação dos spins dos elétrons livres e portanto afeta a autoindução do Ni. Neste trabalho o campo magnético médio no interior do fi o do Ni, onde H = I/2πr foi calcu- lado pela expressão, para a corrente elétrica I = 0,4 A e para r variando de , a = 2 10-4 m a n = 10-8 m. O valor obtido de Hm = 17 Oe permite obter λ = 2,0.10-5 (7) e a força de ≈ 0,2N normal ao fi o. Segundo a referencia (13), essa força praticamen- te não atua sobre as medidas de autoindução neste trabalho. Com o conhecimento da magnetostrição, em função do campo magnético e da temperatura, pode-se avaliar a porcen tagem média de domínios magnéticos em processo de orientação, de cresci- mento, nucleação e aniquilamento (1 ) Conclusão Na fi gura 2, a autoindução magnética nor- mal a direção longitudinal do fi o do níquel, cria- da pela brusca interrupção da cor rente elétrica, cresce com a temperatura no intervalo de 525K a 750K. Nesse intervalo de temperatura a curva cor- respondente apresenta uma alteração de equilíbrio de orientação dos domínios magnéticos a 575K, e uma desordem na orientação dos domínios na transformação ferromagnética paramagnética a 620K. No intervalo de temperatura de 525K a 620K, fi gura 3, mostra que a auto indução do Ni ferromagnético, devido a contribuição dos domí- nios magnéticos, é inferior ao da Pt paramagnéti- ca. Acima de 620K, ponto de Curie, a autoindução desses elementos se confunde no estado paramag- nético. Não se encontrou na literatura uma justifi - cativa teórica para esse comportamento, conforme o trabalho com a resistividade elétrica do níquel e do paládio (5). A autoindução magnética transversal do níquel aqui calculada e multiplicada por 16,6 m-1 (π/l), fornece uma permeabilidade magnética, com valor superior ao obtido por Kirkham (8), no mesmo intervalo de temperatura. Essa diferença pode ser explicada por muitas causas como, pu- reza, formato, tratamento térmico, estrutura mi- crografi ca do corpo de prova, da densidade da corrente elétrica, do efeito da magnetostricção e outras (13 ). Agradecimento Ao Professor doutor Holland, L. R., pela discussão sobre as características desta pesquisa e resultados experimentais. Abstract: Effect of temperature on the magnetic permeability and magnetic self induction of Nickel and Platinum in the range 525K-620K. Keywords: Magnetic properties of Ni and Pt, magnetic self induction, magnetic dominion, magnetic perme- ability, magnetic susceptibility, Bloch wall, magnetostriction, Lenz´s law. Bibliografi a [1] BOHN, F., Magnetostrição e Ruído Barkhausen nos aços elétricos de grão não orientado. 2005. 112 p. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria – R.G. do Sul. [2] GARLIPP, W.; DE MARCHI A. Projeto, construção e calibração de um permeâmetro magnético. São Carlos: EESC/USP, 1968, (Publicação-153). [3] GARGIONE FILHO, B. Medidas AC de Permeabilidade Magnética para uma direção de magnetização transversal. 1968, 61 p. 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