Aula 04 - Fundamentos de eletromagnetismo

A descoberta do Magnetismo remonta a 3000 a.C., quando na Ásia Menor um pastor observou que a ponta metálica do seu cajado era muitos vezes atraída pelo solo. Após algumas observações, o pastor concluiu que essa atração era exercida por uma espécie de rocha a que se deu o nome de Magnetite.
Também na Grécia Antiga, um filósofo de nome Tales observou que pequenos objetos eram atraídos pelo âmbar, depois de friccionado. Como não havia explicação para este fenômeno, atribuía-se a esta resina fóssil um poder mágico. Muitos séculos mais tarde, descobriu-se que outros materiais, depois de friccionados, também atraíam outros corpos. Esta propriedade passou a chamar-se eletricidade, que deriva do grego Elektron, que significa âmbar.
Em 1800 Alessandro Volta fez uma interessante descoberta que permitiu uma melhor compreensão dos fenômenos elétricos. Alessandro Volta consegue finalmente construir uma pilha, a pilha de Volta, o que permitiu inúmeras pesquisas no que diz respeito aos fenômenos elétricos.
Vinte anos mais tarde, em 1820, um cientista de nome Oersted descobre, por acaso, que um fio quando percorrido por corrente eléctrica exerce um efeito, semelhante ao de um ímã, sobre uma agulha magnética.
Estabelece-se assim a ligação entre Eletricidade e Magnetismo.
Em 1820, Hans Christian Oersted (1777-1851) mostrou que uma bússola sofria deflexão quando era colocada perto de um fio percorrido por uma corrente. Por outro lado era conhecido que campos magnéticos produzem deflexão em bússola, o que levou Oersted a concluir que correntes elétricas induzem campos magnéticos. Com isto ele havia encontrado, então, uma conexão entre eletricidade e o magnetismo. Ele observou também, que os campos magnéticos produzidos por correntes elétricas, em um fio retilíneo, tinham a forma de círculos concêntricos como mostra a figura (a). O sentido destas linhas é indicado pelo norte da bússola. Uma outra forma de se determinar o sentido das linhas de B é usar a regra da mão direita, a qual é mostrada esquematicamente figura (b).

Há muito tempo se observou que certos corpos tem a propriedade de atrair o ferro. Esses corpos foram chamados ímãs. Essa propriedade dos ímãs foi observada pela primeira vez com o tetróxido de triferro, numa região da Ásia, chamada Magnésia. Por causa desse fato esse minério de ferro é chamado magnetita, e os ímãs também são chamados magnetos.

A magnetita é o ímã que se encontra na natureza: é o ímã natural. Mas, podemos fazer com que os corpos que normalmente não são ímãs se tornem ímãs. Os ímãs obtidos desse modo são chamados ímãs artificiais. Chamamos corpo neutro àquele que não tem propriedade magnética; corpo imantado àquele que se tornou ímã. Chamamos imantação ao processo pelo qual um corpo neutro se torna imantado. Teoricamente, qualquer corpo pode se tornar um ímã. Mas a maioria dos corpos oferece uma resistência muito grande à imantação. Os corpos que se imantam com grande facilidade são o ferro e certas ligas de ferro usadas na fabricação de ímãs permanentes. Uma dessa ligas é o ALNICO, composta de ferro, alumínio, níquel, cobre e cobalto.

Os principais processos de imantação são: Por indução magnética que é o fenômeno pelo qual uma barra de ferro se imanta quando fica próxima de um ímã. Por "aproximação" no qual uma barra de ferro neutra é colocada próxima de um ímã, ela se imanta. Por corrente elétrica onde temos um condutor enrolado em uma barra de ferro e percorrido por uma corrente elétrica; a barra de ferro se torna um ímã. Como a imantação foi obtida por meio de uma corrente elétrica, esse ímã é chamado eletroímã. 

Há bastante aplicações para os eletroímãs pois conseguimos obter eletroímãs muito mais possantes do que os ímãs naturais e ter o controle do eletroímã, controlando a corrente que passa pelo condutor; assim, aumentando a intensidade da corrente, o eletroímã se torna mais possante; suprimindo-se a corrente, ele deixa de funcionar.

Indução eletromagnética

Vários cientistas colaboram com trabalhos na área de magnetismo e eletromagnetismo. Em 1820 o físico dinamarquês Hans Oersted (1777-1851) descobriu que a agulha magnética de uma bússola era defletida quando colocada próxima de um condutor percorrido por uma corrente elétrica.

Até esta época a maneira conhecida de gerar corrente elétrica era através das pilhas voltaicas. A idéia de gerar energia elétrica através do magnetismo levou vários físicos a estudarem a possibilidade de inverter os efeitos obtidos nas experiências de Oersted.

Michael Faraday (1791 – 1867) acreditava que a eletricidade, o magnetismo e a gravidade poderiam ser fenômenos descritos em uma única teoria. Após vários estudos, em 1831, Faraday provou que a eletricidade e o magnetismo estavam ligados.

Enrolando dois fios em lados opostos de um anel metálico, com um dos fios ligado a uma bateria e outro a um medidor de corrente, Faraday demonstrou que a variação de um campo magnético gera corrente elétrica. O desenho abaixo mostra o esquema da experiência de Faraday.

O fenômeno observado nesta experiência é chamado de indução eletromagnética e serviu como base para a teoria eletromagnética que foi desenvolvida posteriormente. Esta descoberta revolucionou a indústria e mudou o mundo. Até hoje utilizamos este conhecimento para gerar energia elétrica em usinas hidroelétricas e em vários aparelhos que contém um dínamo.

O dínamo é constituído por um imã fixo em um eixo móvel, ao redor deste eixo existe uma bobina (fio condutor enrolado, constituindo um conjunto de espiras). Não existe contato físico entre o imã e a bobina. O imã gira com a bobina ao seu redor. Este movimento gera a variação do campo magnético do imã, surgindo então, uma corrente elétrica no conjunto de espiras da bobina.

Permeabilidade magnética
A propriedade de um material pela qual ele muda a indução de um campo magnético, em relação ao seu valor no ar, é chamada permeabilidade (m). A permeabilidade do ar é a de valor unitário, mar = 1.

As permeabilidades das substâncias ditas diamagnéticas são ligeiramente inferiores a uma unidade, ao passo que as permeabilidades de substâncias paramagnéticas são ligeiramente maiores do que a unidade. A permeabilidade é uma razão de densidades de fluxo e, por conseguinte, não tem dimensão.
Se uma folha de ferro cobre um ímã, não existe campo magnético acima da folha, porque o fluxo entra no ferro e segue um trajeto inteiramente dentro do próprio ferro. A indução magnética no ferro é maior do que no ar; por conseguinte, diz-se que o ferro tem elevada permeabilidade. As permeabilidades de outras substâncias ferromagnéticas também são muito altas.
À esquerda, as linhas de fluxo que cruzam o entreferro de um ímã. À direita, as linhas de fluxo magnético acompanham o anel de ferro doce, que é mais permeável do que o ar.

Quando colocamos uma barra de ferro doce num campo magnético, devido à sua permeabilidade, o campo é distorcido e o fluxo magnético passa pelo ferro, em vez de pelo ar. A barra de ferro doce se transforma num ímã, nessas circunstâncias, com a extremidade A como pólo S e com a B como pólo N. Diz-se que essa barra está imantada por indução. O magnetismo produzido numa substância ferromagnética, pela influência de um campo magnético, é chamado magnetismo induzido.
Se o campo magnético for retirado, removendo-se os dois ímãs de barra (ou o ímã em forma de U), a maior parte do magnetismo induzido se perde; os ímãs produzidos por indução são conhecidos como ímãs temporários. Um pedaço de aço temperado não é tão fortemente magnetizado por indução, mas conserva maior magnetismo residual, quando retirado do campo indutor.
O processo de imantação é um pouco mais eficiente, devido à redução da lacuna de ar; a isso, às vezes, se dá o nome de imantação por contato. O prego se transforma num ímã, por indução.

Histerese Magnética
A intensidade do campo magnético, H, atua sobre o material como força imantadora, na indução magnética.

À medida que um material ferromagnético é sujeito a uma força imantadora cada vez maior, a densidade do fluxo, B, aumenta até que o material fica saturado. Se a força imantadora for então reduzida a zero, a imantação não retorna ao zero, mas fica atrasada em relação à força imantadora. O retardamento da imantação atrás da força imantadora é conhecido como histerese. Quanto maior o retardamento, maior o magnetismo residual conservado pelo material.
A densidade do fluxo, e portanto a imantação, só pode ser reduzida a zero invertendo-se o campo magnético e aumentando a força imantadora no sentido oposto. A força imantadora inversa, se suficientemente aumentada, faz com que o material torne a atingir a saturação, mas com os seus pólos invertidos. Reduzindo a força imantadora a zero e então elevando-a no sentido original. Este processo pode ser repetido e a imantação do material acompanha uma curva chamada curva de histerese.
O aço temperado tem característica de histerese de 'arco denso', porquanto o magnetismo residual é elevado; o ferro doce tem característica de 'arco fino'. A área dentro de uma curva de histerese dá uma indicação da quantidade de energia dissipada, ao se levar uma substância ferromagnética através de um ciclo completo de imantação. No funcionamento de muitos dispositivos elétricos, essa energia é desperdiçada, e aparece como calor: a característica de histerese de um material ferromagnético é, portanto, importante consideração a ser levada em conta no projeto desses dispositivos elétricos.

Campo magnético ao redor de um condutor.

Fig. 9 - Campo magnético
em torno de um condutor.

Um condutor transportando uma corrente elétrica produzirá uma corrente magnética campo ao redor do condutor como mostrado na figura 9. Este campo tem um forma circular e existe ao longo de todo o comprimento do condutor. Devido à sua forma circular, o campo magnético não não tem polos norte ou sul específicos, mas é considerado fluir em um loop circular contínuo em direção a um polo norte indefinido.

Regra de preensão com a mão direita.

Fig. 10 - Regra de preensão
com a mão direita.

A direção de um campo magnético em torno de um condutor pode ser lembrado usando a regra de preensão com a mão direita mostrada na figura 10.  Imagine segurar um condutor com a mão direita, como mostrado, com o polegar indicando a direção do fluxo de corrente convencional de positivo para negativo. Os dedos da mão direita, enrolados ao redor do condutor indicam a direção do fluxo de magnético fluxo.

Campos magnéticos em torno de condutores paralelos.

Fig. 11 - Campo magnético em
torno de condutores paralelos

Se dois condutores paralelos conduzem a mesma corrente, o sentido da os campos magnéticos ao redor de cada condutor se interligarão e opor-se entre os condutores, conforme mostrado na figura 11 formando uma área de fluxo magnético zero (sem fluxo) entre o condutores, isso acontece entre condutores adjacentes ao redor do eixo de uma bobina.

 

Campos magnéticos em torno de bobinas.

Fig. 12 - Campo magnético em
torno de condutores em loop.

Entretanto, quando o condutor é dobrado em um laço ou bobina, o a direção dos campos magnéticos dentro da bobina coincide, concentrando o fluxo magnético dentro da bobina, como mostrado na figura 12.

 

O Solenoide.

Fig. 13 - Campo magnético em torno
de um solenoide e uma barra magnética.

Quando as bobinas de fio são formadas em uma série de loops contínuos chamados de solenóide, o efeitos descritos acima produzem um padrão de campo magnético semelhante ao em torno de uma barra magnética, como mostrado na figura 5. Aumentando ou diminuindo a corrente através do indutor aumenta ou diminui a força do campo magnético, dando o efeito de uma barra magnética, mas com um intensidade de campo variável.

Este campo magnético variável pode ter vários efeitos. Pode ser usado para produzir movimento, por exemplo em motores elétricos, ou pode ser usado para produzir efeitos elétricos em outros condutores afetados pelo campo.

Como este módulo lida com sinais CA em componentes estáticos, como indutores e transformadores, (em vez de máquinas móveis, como motores ou geradores), os efeitos descritos relacionam mudanças na os campos magnéticos em torno dos indutores estáticos, às mudanças na corrente através desses indutores.

Aplicação de eletromagnetismo em Eletroímãs
Os eletroímãs, através do campo magnético que produzem, aplicam uma força magnética em peças adequadas, as quais, por sua vez, podem ser utilizadas para elevar uma carga, acionar um relé, afrouxar um freio sob pressão por molas, sustentar um peça de trabalho etc. Para tanto, os eletroímãs apresentam diferentes formas construtivas.
Em (a) temos o eletroímã de núcleo, utilizado para afrouxar freios, para vibradores, contactores etc.; em (b) aquele de alavanca móvel, utilizado em contactores e relés; em (c) aquele de armadura tipo pistão, utilizado em freios, acionamento de engrenagens etc.; em (d) o tipo com núcleo em E e, em (e) o tipo de bobina anular usados nas embreagens.
A parte móvel de um eletroímã se chama armadura. A atração que o núcleo do eletroímã aplica sobre a armadura é tanto mais intensa quanto mais intenso for o fluxo magnético. Assim, para um dado eletroímã a intensidade da força atrativa (chamada força portante) sobre a armadura será tanto maior quanto mais intensa seja a corrente elétrica e quanto menor for a distância que separa a armadura do núcleo. Essa distância entre a armadura e o núcleo é o 'entreferro'. Na maioria dos modelos de eletroímãs a força portanto cresce ao diminuir o entreferro.

Termos usados em eletromagnetismo.

Fluxo Magnético é o nome dado ao equivalente magnético da corrente elétrica. É o fluxo de magnetismo do polo norte para o polo sul de um ímã. Fluxos de fluxo magnético ao longo das linhas de força magnética que constituem um campo magnético.

Assim como a corrente elétrica, é mais fácil para o fluxo magnético fluir através de alguns materiais do que outros, o ferro macio, por exemplo, tem uma permeabilidade muito elevada. Isso significa que é muito fácil para o fluxo magnético fluir através dele. A alta permeabilidade também pode ser descrita como relutância muito baixa ao fluxo do fluxo magnético (o equivalente magnético da resistência).

O ar tem mais relutância e, portanto, é menos permeável que o ferro. É portanto mais fácil para um fluxo fluir através do ferro do que através do ar, e muitos dispositivos eletromagnéticos usam materiais como o ferro para concentrar o fluxo magnético em uma pequena área e assim aumentar a eficácia de dispositivos como transformadores, motores e eletroímãs.

Este arquivo pode ser baixado em: Aula 03 - Fundamentos de Eletromagnetismo.

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/01/2017