(Parte 1 de 2)

Disciplina de Eletromagnetismo1

1-MAGNETISMO1-MAGNETISMO

(Página 5 a 23 da apostila Fundamentos do Eletromagnetismo, (Página 5 a 23 da apostila Fundamentos do Eletromagnetismo, do professor Fernando Luiz Rosa Mussoi)do professor Fernando Luiz Rosa Mussoi)

Disciplina de Eletromagnetismo2

ConhecerConhecer as leis fundamentaisleis fundamentais do EletromagnetismoEletromagnetismo e suas aplicaçõesaplicações.

• CompreenderCompreender o processo de formaçãoformação de campocampo magnéticomagnético e características do magnetismo;

• AnalisarAnalisar situaçõessituações onde o campo magnético proporciona mudançamudança no meio ambientemeio ambiente;

• AnalisarAnalisar situações onde a força magnéticaforça magnética e a relutânciarelutância magnéticamagnética influenciam circuitos circuitos elétricoselétricos;

Disciplina de Eletromagnetismo3

• Tipos de Ímãs, Teoria de Weber e Teoria dos Domínios Magnéticos. • CAMPO MAGNÉTICO:

• Características das linhas e Densidade de Campos Magnéticos. • IMANTAÇÃO:

• Materiais Moles e Duros.

• Ferromagnéticos, Diamagnéticos, Paramagnéticos e Ferrimagnéticos. • PERMEABILIDADE MAGNÉTICA.

Disciplina de Eletromagnetismo4

Há mais de 2500 anos, os gregosgregos sabiam da existência de um certo tipo de pedra (hoje chamada de magnetita magnetita ou ímã permanenteímã permanente) que atraíaatraía pedaços de ferro (limalhas).

A palavra “ímã” vem do francês aimantaimant que significa “amanteamante”, em relação à sua característica de atraçãoatração.

Disciplina de Eletromagnetismo5

Na China, no século Ι a.C., observou-se que um imã suspenso por um fio (ou flutuando sobre a água), tende a orientar-se na direção norte-sul terrestre. Isto deu origem à BússolaBússola.

A bússola é um ímãímã, assim como o planeta Terra. Todo ímã tem um pólo pólo nortenorte e outro sulsul, sendo que os opostosopostos se atraematraem. Por isso, o pólo nortenorte magnético da bússola magnético da bússola (ponteiro pintadopintado) aponta para o pólo pólo sulsul magnético do planeta magnético do planeta que, por coincidência, está perto do pólo pólo nortenorte geográfico da Terrageográfico da Terra.

Disciplina de Eletromagnetismo6

Embora as cargas elétricas e os pólos magnéticos sejam similares em vários aspectos, existe uma importante diferença entre eles: os pólos magnéticos sempre ocorrem aos pares. Quando um ímã é dividido ao meio, pólos iguais e opostos aparecem em cada lado do ponto de quebra. Isso resulta em dois ímãs, cada um com um pólo norte e um pólo sul.

Disciplina de Eletromagnetismo7

1. (Direito C. L. 97) Sabe-se que, ao contrário do que ocorre na Terra, não existe um campo magnético na superfície da Lua. Pode-se, então, concluir que, se uma agulha imantada, usada como bússola na Terra, for levada para a Lua, ela: a) fornecerá leituras mais precisas do que ao ser usada na Terra. b) indicará a direção norte-sul lunar. c) perderá sua imantação. d) não será desviada quando colocada próxima de uma corrente elétrica contínua. e) não poderá ser usada como bússola magnética.

2. Quando um ímã permanente em forma de barra é partido ao meio, observa-se que: a) as extremidades de uma das metades são pólos norte e as extremidades da outra metade são pólos sul. b) as propriedades magnéticas desaparecem. c) em cada uma das metades temos polo norte e polo sul. d) numa metade, temos uma extremidade com polo norte e a outra extremidade sem polo e, na outra metade, temos uma extremidade com polo sul e a outra extremidade sem polo. e) o número e o tipo dos pólos, em cada metade, dependerá do material de que é feito o ímã.

http://www.fisicaevestibular.hpg.ig.com.br/campomag.htm

Disciplina de Eletromagnetismo8

Em 12601260, o francês Petrus Peregrinus observou que, as extremidades de um imã possuem um poder maior de atração pelo ferro: são os pólos magnéticos.

Disciplina de Eletromagnetismo9

Em 16001600, William Gilbert descobriu que a

Terra era um ímãímã naturalnatural com pólos magnéticos próximos aos pólos norte e sul geográficos:

Magnetismo terrestre:Magnetismo terrestre:

Disciplina de Eletromagnetismo10

Em 17501750, a atraçãoatração e a repulsãorepulsão dos pólos magnéticos foram estudadas quantitativamente por JohnJohn MichellMichell. Pólos iguais se repelem e pólos diferentes se atraem.

Disciplina de Eletromagnetismo11

Em 1920 foram desenvolvidos ímãs de maior capacidade com ligas de AlnicoAlnico (Alumínio, Níquel e Cobalto), que retêm um magnetismo muito intenso e são usados na fabricação de alto-falantes. TMaxTrab = 550oC. Aplicações: Placas magnéticas, sensores

(reeds) e levantadores de carga.

Em 1950 grandes avanços foram feitos no desenvolvimento de ímãs cerâmicos orientados

(FerritesFerrites) feitos com ligas de Manganês e Zinco

(MnZn) e Níquel e Zinco (NiZn). TMaxTrab = 250oC. Aplicações: Alto-falantes, sensores e motores C.

Disciplina de Eletromagnetismo12

Em 1970 foram obtidos impressionantes aumentos de forças magnéticas a partir de ligas de SamárioSamário CobaltoCobalto (terras raras), mas com custos elevados. TMaxTrab = 250oC. Aplicações: micro-motores e sensores automotivos.

Em 1980, da família das terras raras, os ímãs de

Neomídio-Ferro-BoroNeomídio-Ferro-Boro surgiram com capacidades magnéticas ainda maiores e com custos menores, porém muito sensíveis a temperaturas elevadas.

TMaxTrab = 180oC. Aplicações: Auto-falante, brindes, equipamentos eletrônicos.

Disciplina de Eletromagnetismo13 FONTE: http://www.imatec.ind.br/imasferrite.html

Disciplina de Eletromagnetismo14FONTE: http:// w.magnetos gerais.com.br/

Tabela comparativa entre diferentes tipos de ímãs:

Campo Coercivo (Hc)Campo Coercivo (Hc): representa o campo desmagnetizante necessário para reduzirreduzir a indução magnética a zero. Ou seja, representa a dificuldadedificuldade em desmagnetizar um material.

Anisotrópico - Quando um ímã possui orientação preferencial do campo.

Isotrópico - Quando um ímã NÃO possui orientação preferencial do campo.

Indução remanente (Br)Indução remanente (Br): um valor alto resulta um fluxo magnético elevado.

Disciplina de Eletromagnetismo15

FONTE: Materiais Magnéticos para a indústria automobilistica, Fernando Landgraf (Artigo).

Segundo quadrante de curvas BxH de vários ímãs comerciais disponíveis no mercado, com valores no sistema cgs (gauss x oersteds) e sistema internacional (tesla x kA/ m)

Disciplina de Eletromagnetismo16

Exemplo comparativo de ímãs em motores elétricos (fonte: artigo Motor de ímãs permanentes e Invesor de Frequencia WEG)

Redução de 47% no volume.

Neodímio Ferrite

Caro Barato

Hc e Br altoHc e Br baixo

Dimensão motor menorDimensão maior Temp. Trab. 180*CTemp.Trab. 350*C

Ímãs superficiaisÍmãs internos

Torque menorTorque maior

Limitada faixa de velocidadeFaixa maior de velocidade Protegido contra força centrífuga

Disciplina de Eletromagnetismo17

• Há mais de 2500 anos, os gregos conheciam as propriedades da magnetita (ou ímã permanente).

• No século I, na China, surgiu umas das primeiras aplicações do ímã, a bússola.

• Os polos magnéticos (N e S) são INDIVISÍVEIS.

• Em 1260, Petrus descobriu que o íma ATRAÍA o FERRO.

• Em 1600, Gilbert descobriu que a Terra era um enorme ímã natural.

• Em 1750, Michell descobriu a atração e repulsão entre os polos magnéticos.

• Em 1920 descobriu-se o imã do tipo ALNICO.

• Em 1950 descobriu-se o ímã do tipo FERRITE.

• Em 1970 descobriu-se o ímã do tipo SAMÁRIO-COBALTO.

• Em 1980 descobriu-se o ímã do tipo NEODMIO-FERRO-BORO.

Disciplina de Eletromagnetismo18

Tipos de ÍMÃS:

• NATURAISNATURAIS – Magnetita, composto por Óxido de Ferro (Fe3O4)

• ARTIFICIAISARTIFICIAIS – composto por metais e ligas cerâmicas, e podem ser TEMPORÁRIOS (ferro doce, mais puro) ou

PERMANENTES (ligas de aço, Ferro e Carbono, contendo Níquel ou Cobalto).

O magnetismo é a expressão de uma forma de energia, normalmente associada a forças de atração e de repulsão entre alguns tipos particulares de materiais, chamados de Ímãs.

Disciplina de Eletromagnetismo19

TEORIA DE WEBER:TEORIA DE WEBER: toda substância magnética é composta de ímãs muito pequenos, chamados de Ímãs Elementares.

Um material apresenta propriedades magnéticas, quando há uma predominância de imãs elementares orientados sobre os não orientados. Assim, genericamente, pode-se dizer que:

• Materiais Materiais MagnéticosMagnéticos:: são aqueles que permitem a orientação dos seus imãs elementares.

Exemplos: ferro, níquel e algumas ligas metálicas, como o aço.

• Materiais Materiais Não-MagnéticosNão-Magnéticos:: são aqueles que não permitem a orientação dos seus imãs elementares.

Exemplos: alumínio, madeira, plástico, entre outros.

Disciplina de Eletromagnetismo20 Ímãs Elementares

Disciplina de Eletromagnetismo21

MAGNÉTICOS:MAGNÉTICOS: um exame microscópico revelaria que um imã é, na verdade, composto por pequenas regiões, na sua maioria com 1mm de largura ou comprimento [Giancoli], que se comportam como um pequeno ímã independente, com os seus dois pólos.

Disciplina de Eletromagnetismo22

• TIPOS DE ÍMAS: NATURAISNATURAIS (magnetita) e os

ARTIFICIAISARTIFICIAIS (temporários, ferro doce, ou permanente, ligas de Ni, Fe, Co).

• Segundo a teoria de Weber temos os seguintes materiais: MAGNÉTICOSMAGNÉTICOS (permite a oritentação dos ímãs elementares) e os NÃO-MAGNÉTICOSNÃO-MAGNÉTICOS (NÃO permite a orientação dos ímãs elementares).

• Um ímã é composto por várias regiões pequenas, e se comportam como pequenos ímãs independentes chamados de domínios magnéticos. No caso do ímã estes domínios estão orientados.

Disciplina de Eletromagnetismo23

É a REGIÃO ao redor de um ímã, na qual se observa um efeito magnético. Esse efeito é percebido pela ação de uma FORÇA MAGNÉTICA de ATRAÇÃO ou de REPULSÃO.

A representação visual do Campo Magnético é feita através de Linhas de Campo Magnético, ou Linhas de Indução Magnética, ou Linhas de Fluxo Magnético. Estas linhas são envoltórias imaginárias fechadasfechadas que SAEMSAEM do pólo NORTENORTE e ENTRAMENTRAM no pólo SULSUL.

Disciplina de Eletromagnetismo24

Figura 3.2 – Visualização das Linhas de Campo com limalha de ferro: (a) um ímã em forma de barra (Fonte: Giancoli. Physics for engineers and scientists; (b) dois ímãs em barra com polos opostos se defrontando concentram as linhas de campo; (c) dois ímãs em barra com pólos iguais se defrontando deformam as linhas de campo; (d) linhas de campo de um ímã em ferradura (U) visto do topo (Fonte:http://w.feiradeciencias.com.br/sala13/13_T01.asp).

a b c d

Disciplina de Eletromagnetismo25

• São sempre linhas fechadas: saem e voltam a um mesmo ponto;

• As linhas nunca se cruzam;

• Fora do ímã, as linhas saem do pólo norte e se dirigem para o pólo sul;

• Dentro do ímã, as linhas são orientadas do pólo sul para o pólo norte;

• Saem e entram na direção perpendicular às superfícies dos pólos;

• Nos pólos a concentração das linhas é maior: quanto maior concentração de linhas, mais intenso será o campo magnético numa dada região.

Disciplina de Eletromagnetismo26

Quem é o pólo Norte e Sul na figura abaixo? Qual é o campo uniforme e o não-unifome?

Disciplina de Eletromagnetismo27

DENSIDADE DE CAMPO MAGNÉTICO DENSIDADE DE CAMPO MAGNÉTICO ou DENSIDADE DE FLUXO MAGNÉTICO (B):ou DENSIDADE DE FLUXO MAGNÉTICO (B):

Um Weber corresponde a 1x108 linhas do campo magnético [Giancoli].

A Densidade de Fluxo MagnéticoDensidade de Fluxo Magnético, cuja unidade é Tesla (T), é uma relação entre o Fluxo magnético

O Fluxo magnético, cuja unidade é o Weber (Wb), simbolizado por φ, é definido como o conjunto de todas as linhas de campo que atingem perpendicularmente uma dada área (A).

Disciplina de Eletromagnetismo28

Exemplo 3.1.

Um fluxo magnético de 8.10-6Wb atinge perpendicularmente uma superfície de 2cm2. Determine a densidade de fluxo B.

Temos: 2cm2 = 2.10-4 m2. Substituindo na equação:

Assim, a densidade de fluxo magnético é de 4.10-2T.

Faça novos cálculos com os dados abaixo: a) φ = 6x10-5Wb e A = 1,2x10-3 m2. B =

Disciplina de Eletromagnetismo29

CONVERSÕES entre Parâmetros Magnéticos: (FONTE: Introdução a Análise de Circuitos, Boylestad)

= 3,20 linhas/Am= 1 gauss/oersted4pix10-7 Wb/Amµo

InglêsCGSSI (MKS)

Gauss(maxwell/cm2)

= 104 gauss

Wb/m2

1 Wb/m2 = 1 T B

Linhas =

Maxwell =

108 maxwell

Webers (Wb)

1 Wb φ

Disciplina de Eletromagnetismo30

Com base na tabela de conversão de unidades magnéticas, indique as unidades de cada grandeza abaixo:

InglêsInglês

InglêsInglês

4,65x10-5 gauss60.0 maxwellsCGSCGS

Disciplina de Eletromagnetismo31

É o fenômeno de indução magnética de um material provocada pela proximidadeproximidade de um campocampo magnéticomagnético.

Pregos e tachas transformam-se em ímãs temporários.

Os domínios magnéticos do ferro, que normalmente estão orientados em todas as direções ao longo da barra, ficam orientados em uma direção predominante, como num imã.

Disciplina de Eletromagnetismo32

Materiais Magneticamente Materiais Magneticamente MolesMoles: : ao afastar o ímã, os domínios magnéticos do ferro voltam a se desorientardesorientar. Exemplo: Ferro Puro (ferro doce ou soft iron).

Materiais Magneticamente Materiais Magneticamente DurosDuros ( (ímãs permanentesímãs permanentes): ): ao afastar o ímã, os domínios magnéticos do ferro permanecem orientadosorientados. Exemplo: Aço e Ferrite.

Um material pode perderperder suas propriedades magnéticas quando submetido a choqueschoques mecânicosmecânicos.

Ponto de Curie: temperaturatemperatura na qual um ímã perdeperde suas propriedade magnéticas. Ao abaixar a temperatura o mesmo pode voltar a ser um ímã.

Ferro – 770oC Cobalto – 1131oC Níquel – 358oC

Disciplina de Eletromagnetismo33

FERROMAGNÉTICO: Seus imãs elementares sofrem grandegrande influência do campo magnético indutor. São fortemente atraídos pelos ímãs. Exemplo: ferroferro, aços especiais, cobalto, níquel, e algumas ligas (alloys) como AlnicoAlnico e Permalloy.

PARAMAGNÉTICO: Seus imãs elementares sofrem pequenapequena influência do campo magnético indutor. São fracamentefracamente atraídos pelos ímãs. Exemplo: alumínioalumínio, sódio, manganês, estanho, cromo, platina, paládio, oxigênio líquido, sódio, etc.

Disciplina de Eletromagnetismo34

DIAMAGNÉTICO: Seus imãs elementares sofrem pequenapequena influência do campo magnético indutor. São fracamente repelidos pelos ímãs. Exemplo: cobre, água, mercúrio, ouro, prata, bismuto, antimônio, zinco, chumbo, Cloreto de Sódio (NaCl), etc.

FERRIMAGNÉTICO: São semelhantes aos ferromagnéticosferromagnéticos. Possuem alinhamento em anti-paralelo, porém a magnetização resultante não é nula. A força resultante é menormenor do que nos materiais ferromagnéticos. Exemplo: Óxidos magnéticos como a

FerriteFerrite.

Disciplina de Eletromagnetismo35

A Permeabilidade Magnética de um material é uma medida da facilidadefacilidade com que as linhaslinhas de campocampo podem atravessaratravessar um dado materialmaterial. É um conceito similarsimilar a Resistividade Resistividade ElétricaElétrica.

Disciplina de Eletromagnetismo36 Barra de ferro doce

Disciplina de Eletromagnetismo37

A permeabilidade magnética no vácuopermeabilidade magnética no vácuo, µo, vale:

A unidade de permeabilidade também pode ser expressa por

Tesla-metro por Ampère, Tm/ATm/A ou ainda, Henry por metro, H/mH/m.

A propriedade de um material pela qual ele mudamuda a induçãoindução de um campo magnético, em relação ao seu valor no vácuovácuo, é chamada Permeabilidade Magnética RelativaRelativa (μR ):

(Parte 1 de 2)

Comentários