maquinas elétricas

maquinas elétricas

(Parte 1 de 6)

Curso: Mecatrônica Módulo: I Carga Horária: 50h Docente: Turno: Turma: Discente:

Material Instrucional especialmente elaborado pelo Prof. Newton para uso exclusivo do CETEB-CA.

Magnetismo5
Cronologia5
Introdução5
Termos Magnéticos5
Pólos dos Ímãs6
Sentido das Linhas de Forças6
Fragmentação de um Ímã7
Lei de Atração e Repulsão dos Ímãs7
Magnetismo Terrestre7
Téoria Molecular7
Permeabilidade Magnética8
Relutância Magnética8
Densidade Magnética9
Fluxo Magnético9
Blindagem Magnética9
Indução9
Eletromagnetismo10
Experiencia de Orested10
Linhas de Força Magnética1
Sentido das Linhas de Força Magnéticas1
Regra do Saca Rolhas12
Condutores em Posição Paralela12
Campo Magnético em Solenóide / Bobinas13
Eletroímã14
Disposição de Ímãs15
Gerador Elementar16
Introdução16
Corrente Alternada17
Freqüência20
Conversão Eletromagnética de Energia21
Introdução21
Relação Entre Indução Eletromagnética e Força Eletromagnética21
Lei de Farady da Indução Eletromagnética2
Sentido da FEM Induzida – Regra de Fleming23
Lei de Lenz24
Força de Lorentz25
Efeito Hall25
Movimento de uma Carga num Campo Magnético26
Força sobre uma Corrente26
Gerador Corrente Alternada e Gerador de Corrente Contínua27
Estudo de Vetores27
Alternador30
Gerador de Corrente Contínua37
Descrição de Funcionamento de Gerador C38
Tipos de Geradores de C42
Curva de Saturação Gerador Auto-Excitado Tipo Série4
Curva de Saturação Gerador Auto-Excitado Tipo Paralelo4
Gerador Auto-Excitado do Tipo Compound4
Motores Elétricos de Corrente Contínua46

Sumário Motores Elétricos de Corrente Alternada 47

Introdução47
Motores Monofásico49
Motores de Indução Trifásicos52
Máquina Síncrona61
Motor Síncrono61
Motor Síncrono sem Carga62
Motor Síncrono com Carga63
Gerador Síncrono (Alternador)63
Transformador64
Problema –164
Problema – 265
Problema – 36
Principio Básico do Transformador6
Reator (Indutor)6
Transformadores Trifásico73
Transformador de Corrente TC75

5 Referências Bibliográficas 81

Magnetismo

Cronologia

Séculos antes da Era Cristã: gregos conheciam um mineral chamado “lodestone", óxido de ferro, da região de Magnésia; 2700 A .C.: registros do uso de bússolas rústicas feitas de Lodestone pelos chineses; 1000-1200 D.C: bússolas para navegação largamente utilizadas; 1600: William Gilbert, considerado o pai do magnetismo, publica os primeiros conhecimentos afirmando que a Terra é um grande ímã; 1820: Oersted descobre a relação entre eletricidade e magnetismo; Ampere determinou que duas bobinas carregando corrente elétrica agem como ímãs; Arago descobre que o ferro pode ser magnetizado e Faraday afirma que eletricidade pode ser gerada trocando o fluxo magnético dentro de uma bobina. 1920: ímãs de maior capacidade magnética são desenvolvidos: o Alnico. 1950: significantes desenvolvimentos de ímãs cerâmicos orientados (Ferrites) 1970: impressionantes aumentos de forças magnéticas foram obtidas a partir de ligas de Samário Cobalto (Terras Raras), porém com custos muito altos. 1980: da família Terras Raras os ímãs de Neodímio Ferro Boro surgiram com capacidades magnéticas ainda maiores e com menor custo, porém muito sensíveis à altas temperaturas.

Termos do Magnetismo:

Ferromagnético: material que exibe fenômeno de histerese onde a permeabilidade magnética depende da força de magnetização. Curva de Histerese: representação gráfica da relação entre força magnética e a magnetização induzida resultante de um material ferromagnético. Fluxo magnético: manifestação física de um material quando submetido a influencias da magnetização

Indução magnética(β): número de linhas magnéticas por unidade de área na direção do fluxo.

Força coercitiva(H): campo desmagnetizante necessário para reduzir a indução magnética a zero. Desmagnetização: a completa ou parcial redução da indução representada no segundo quadrante da curva de Histerese. Produto de energia (Bhmáx): ponto da curva de desmagnetização no qual o produto da indução magnética pelo campo desmagnetizante atingem o máximo valor. Anisotrópico: quando um ímã possui orientação preferencial de maneira que as características magnéticas são melhores nesta direção. Isotrópico: material que não possui orientação preferencial apresentando características magnéticas em qualquer direção ou eixo. Gap: porção do circuito magnético que não contém material ferromagnético. Permeabilidade: habilidade da indução magnética atravessar um material. Remanência(B): indução magnética que permanece em um circuito magnético após a remoção do campo magnético externo aplicado. Saturação: um material magnético está saturado quando um aumento de força de magnetização aplicada não resulta no aumento da indução magnética. Força atrativa: é a força exercida por um ímã em um objeto ferromagnético.

Introdução ao Magnetismo Dá-se o nome de magnetismo à propriedade que certos corpos possuem de atrair materiais ferrosos.

Em época bastante remota, os gregos descobriram que certo tipo de rocha, encontrada na cidade de Magnésia, Ásia Menor, tinha o poder de atrair pequenos pedaços de ferro. A rocha era constituída por um tipo de minério de ferro chamada magnetita (Óxido magnético de ferro) e por isso o seu poder de atração foi chamado de magnetismo. Mais tarde descobriu-se que se prendendo um pedaço dessa rocha ((óxido magnético de ferro) ímã natural) na extremidade de um barbante ela se posicionava de tal maneira que uma das suas extremidades apontavam sempre para uma mesma direção. Esses pedaços de rocha, suspensos por um fio, receberam o nome de “pedra-guia” e foram usadas pelos chineses há 2 mil anos, para viagens no deserto, e também pelos marinheiros, quando das primeiras descobertas marítimas. Assim sendo, descobriu-se que a terra é um grande ímã natural e o giro dos ímãs em direção ao norte é causado pelo seu magnetismo.

Pólos dos Ímãs

Os pólos dos ímãs localizam-se nas extremidades e são denominados de Norte e Sul.

Nos pólos, a força magnética do ímã é maior, por ser esse local de maior concentração de linhas magnéticas.

Para provar, praticamente, a existência das linhas de forças magnéticas do ímã, podemos fazer a experiência do espectro magnético. Para tal,coloca-se um ímã sobre uma mesa, sobre o ímã um vidro plano e, em seguida derrama-se limalhas, aos poucos, sobre o vidro. As limalhas se unirão pela atração do ímã, formando um circuito magnético do ímã sobre o vidro, mostrando assim, as linhas magnéticas. A linha de força magnética é a unidade de fluxo magnético. Podemos notar, através do espectro magnético, que as linhas de força magnética caminham dentro do ímã; saem por um dos pólos e entram pelo o noutro, formando assim um circuito magnético. Observa-se também, a grande concentração de linhas nos pólos dos ímãs’ou seja, nas suas extremidades.

Sentido das linhas de força de um ímã

O sentido das linhas de força de um ímã, por convenção, é sempre, externamente, do pólo norte para o pólo sul e internamente do pólo sul para o pólo norte.

Fragmentação de um ímã

Se um ímã for quebrado, em três partes, por exemplo, cada uma das partes constituirá um novo ímã.Os pólos de um ímã independente do seu tamanho ocorrem em par N-S.

Campo Magnético do Ímã Damos nome de campo magnético do ímã ao espaço ocupado por suas linhas de força magnética. Lei de Atração e Repulsão dos Ímãs

No ímã, observa-se o mesmo princípio das cargas elétricas. Ao se aproximarmos uns dos outros, pólos de nomes diferentes se atraem e pólos de nomes iguais se repelem.

Magnetismo Terrestre

O pólo norte geográfico da terra é, na realidade, o pólo sul magnético e o pólo sul geográfico é o pólo norte magnético. Esta é a razão pela qual o pólo norte da agulha de uma bússola aponta para o Pólo Norte geográfico. Outras causas do magnetismo terrestre são as correntes elétricas (correntes telúricas) originadas na superfície do globo em sua rotação do Oriente para o Ocidente, e a posição do eixo de rotação da Terra em relação ao Sol.

Ímãs Artificiais

São aqueles fabricados pelo homem, e podem ser obtidos pelo contato ou atrito com outro ímã ou pela influência de uma corrente elétrica. Esses ímãs oferecem uma vantagem sobre os naturais, pois, alem de proporcionar maior força de atração, podem ser fabricados em tamanho e formatos variados.

Teoria Molecular da Magnetização

Esta teoria presume que cada molécula de um material magnetizável constitui um diminuto ímã (ímã elementar), cujos eixos encontram-se desalinhados entre si. Sem o alinhamento dos ímãs elementares, o corpo na apresentará efeito magnético.

Colocando-se uma barra desse metal sob efeito de um campo magnético externo, as moléculas alinhar-se-ão, polarizando-a, formando um campo magnético conjunto. Quando todos os ímãs elementares forem alinhados, o material tornar-se-á saturado. Nos aços de alto teor de carbono, ao ser retirada a influencia do campo externo, os ímãs elementares permaneceram alinhados e, por esse fator, são denominados ímãs permanentes. Os melhores ímãs desse tipo são os aços ligados com níquel e cobalto e ainda com pequena porcentagem de alumínio (Al = Alumínio; Ni = Níquel; Co = Cobalto).

Todo o ímã permanente pode perder total ou parcialmente o seu fator de imantação, isto é, ter seus ímãs elementares novamente desalinhados, quando submetido a um campo alternado intenso ou a temperaturas elevadas.

Os aços de baixo teor de carbono (ferro doce),ao ser retirado a influencia do campo externo, os ímãs elementares tornam a desalinhar-se, total ou parcialmente, daí a receber a denominação de ímãs temporários. Quando o desalinhamento é parcial, o material conserva o restante do magnetismo, que é chamado de remanescência. Existem substância que facilitam as passagens das linhas magnéticas, assim como existem outras que dificultam a passagem.

Permeabilidade Magnética

Permeabilidade magnética é a condutibilidade magnética, ou seja, a facilidade que certos materiais oferecem a passagem das linhas magnéticas.

Os materiais ferrosos, em geral, são bons condutores de linhas magnéticas. Os materiais magnéticos são classificados da seguinte maneira:

Paramagnéticos: são materiais que tem imantação positiva, porém constante. Exemplo: alumio, platina, ar e outros materiais que são atraídos dentro do campo magnético.

ferro, níquel, cobalto e etc

Ferromagnéticos: são materiais que tem imantação positiva, porém não constante, que depende do campo indutor. Exemplo:

Diamagnéticos: são materiais que tem imantação negativa e constante, como: bismuto, cobre, zinco e outros, que são repelidos para fora do campo magnético.

Relutância Magnética

Dá-se nome de relutância magnética à propriedade de certas substâncias se oporem à circulação, nelas, do fluxo magnético. Pode-se comparar a relutância magnética à resistência elétrica, oposição à passagem da corrente elétrica em um circuito elétrico.

Densidade Magnética

Densidade magnética é o número de linhas magnéticas, ou o fluxo magnético produzido por um ímã, numa unidade de superfície. Ela é representada pela letra grega beta (β)

Fluxo por unidade da área = a densidade magnética β

Fluxo Magnético

O fluxo de um campo magnético é o número total de linhas de força que compreende esse campo. Ele e representado pela letra “Φ” que se pronuncia Fi.

A unidade do fluxo magnético é o Weber (Wb).

O fluxo magnético é o produto da indução magnética (densidade magnética) pela superfície do pólo de um ímã. Portanto, a unidade de fluxo magnético é igual ao produtos das unidades de fluxo magnético ao produto das unidades de indução e superfície.

Unidades de fluxo magnético

Blindagem Magnética

Blindagem magnética é o processo de isolamento de um corpo da ação de um campo magnético. Existem equipamentos que podem sofrer a ação magnética por se danificarem ou fornecerem dados incorretos. Para blindarmos um corpo da ação de campo magnético, basta envolvê-lo com um material de alta permeabilidade magnética.

Indução Experiência 1:

Meios: Bobina 12.0 espiras, ímã permanente e voltímetro (mV).

Execução: Faça a ligação conforme a figura ao lado e movimente o ímã dentro da bobina.

Observação: Pelo movimento de um ímã numa bobina é produzida uma corrente elétrica I, ou, podemos também dizer, uma tensão U nas espiras. O mesmo efeito se obtém ao mover a bobina.

Conclusão:

Pelo movimento do ímã, varia-se a grandeza e o sentido do fluxo magnético nas espiras. Esta variação é responsável pela geração de uma corrente ou tensão elétrica que chamamos de tensão induzida. Esse processo é denominado por indução. Como o magnetismo pode gerar eletricidade, bastaria um pouco de imaginação para que se fizesse uma pergunta: será que a eletricidade pode gerar campos magnéticos? A seguir, veremos que isto realmente acontece.

Eletromagnetismo

Experiência de Oërsted Execute o diagrama abaixo e análise as duas situações:

Primeira situação – Observe a Bússola com a Lâmpada apagada. Explique o que ocorre com o ponteiro da bússola. Secunda situação – Observe a Bússola com a Lâmpada acessa. Explique o que ocorre com o ponteiro da bússola.

Materiais Quantidade Unidade Discrição 1 pç Bússola 1 pç Fonte 127VAC 1 pç Interruptor unipolar 5 pç Suporte E-27 5 pç Lâmpada incandescente 100W 127VAC 3 m Condutor de cobre isolado # 2,5mm2 15 pç Grampo fixa fio 1 pç Voltímetro 1 pç Amperímetro

Após as análises das duas situações o que podemos comprovar?

Meios: Condutor, acumulador ou fonte de alimentação e bússola.

Execução: Posicione o condutor verticalmente e ligue-o a um acumulador ou fonte de alimentação conforme a figura ao lado.

Experiência no 3: Inverter os pólos do acumulador ou fonte de alimentação e, assim, inverter a direção da corrente elétrica. Observação:

A bússola se posiciona na direção contrária.

Conclusão: Para desviar o ponteiro da bússola, atraída normalmente pelo magnetismo da Terra, foi preciso outra força magnética. Essa força aparece no condutor quando este é percorrido por uma corrente elétrica. Sempre que um condutor for percorrido por uma corrente elétrica, a bússola posicionada corretamente terá a agulha desviada pelo campo magnético formado no condutor. Este é o efeito magnético da corrente ou eletromagnetismo.

Linhas de Força Magnética Experiência no 4:

Meios: Condutor, chapa de acrílico, limalha de ferro, pilha ou acumulador ou fonte de alimentação e interruptor. Execução: Conecte por intermédio de uma chave de fenda um fio grosso de cobre em série com o acumulador ou fonte de alimentação. Introduza as chapas de acrílico na posição horizontal, perpendicular ao condutor. Ligue o interruptor e espalhe e espalhe a limalha de ferro. A seguir, bata levemente nas chapas de acrílico para ajudar o alinhamento da limalha.

Conclusão: A figura formada chama-se espectro magnético. Esta experiência é utilizada para demonstrar a existência de um campo magnético ao redor de um condutor, quando percorrido por uma corrente elétrica.

Sentido das Linhas de Força Magnéticas no Condutor

No circuito ao lado, constatamos o sentido das linhas de força magnéticas nas posições indicadas pela bússola. Lembre-se que, na bússola, os pólos são conforme a figura abaixo.

A bússola indica o sentido das linhas de força.

Vamos agora inverter o sentido da corrente elétrica. O sentido das linhas de força também será invertido.

Regra para determinar o sentido do campo magnético, através do sentido da corrente elétrica.

Regra dos Saca-Rolhas

Compare o sentido da corrente e das linhas de força com o sentido de penetração e sentido de giro dos saca-rolhas. O sentido de penetração corresponde ao sentido da corrente elétrica, o sentido de giro corresponde ao sentido das linhas de força. Podemos também definir sentido do campo magnético através da regra da mão direita para condutores. Envolvendo um condutor com a mão direita, os polegares voltando no sentido da corrente, as pontas dos dedos indicarão o sentido do campo magnético.

Condutores em Posição Paralela Correntes no mesmo sentido

Ao lado, temos dois condutores em paralelo. Por eles passam correntes de mesmo sentido e mesma intensidade, produzindo campos magnéticos de mesma densidade e fluxo no mesmo sentido. Observando os campos magnéticos dos condutores verificamos que as linhas de forcas dos campos magnéticos, entre os condutores estão em sentidos contrários. Logo não existirá campo magnético entre os condutores. Neste caso, as linhas de força magnéticas formam um único campo em torno dos dois condutores.

Correntes em sentidos Opostos

Ao lado, temos dois condutores percorridos por correntes de mesma intensidade e sentidos opostos, produzindo campo magnético da mesma densidade, porém com fluxo em sentido contrário. Observando os campos magnéticos dos condutores, verificamos que as linhas de força dos campos magnéticos entre os condutores estão no mesmo sentido. Logo o campo magnético entre os condutores será mais intenso. Neste caso, as linhas de força magnéticas serão concentradas entre os condutores, formando um fluxo magnético mais intenso.

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