Esta matéria é contribuição de
Márcio Oliveira Ferreira pelo que eu fico muito agradecido.
Magnetismo
Para falar de campo magnético, vou ter que interferir no material do José Flor um pouco, comentando brevemente alguns assuntos que já foram estudados, pois nesta seção pretendo colocar cálculos e algumas curiosidades de nível técnico interessantes e importantes para o mundo magnético.
O magnetismo quando controlado é importantíssimo para o homem e essa é uma função importante tanto para o eletricista como para o eletrônico industrial, pois motores, geradores, eletroímãs e até transformadores, não existiriam se não fosse o estudo em cima dos fatores magnéticos que foram encontrando em cada um. Esta tecnologia deve ser estudada com muita atenção, apesar de não me aprofundar muito, ela é uma área extremamente complexa e a mais difícil que conheço de lidar.
O que é Magnetismo?Magnetismo é o fenômeno de atração exercido por certos matérias sobre outros. Os ímãs são exemplos perfeitos de materiais que representam a propriedade de atrair outros materiais e eles podem ser naturais ou artificiais.
Imãs naturais são materiais encontrados na natureza e que possuem propriedades magnéticas, um exemplo é a magnetita, um minério de ferro utilizado na construção de bussolas rudimentares, o globo terrestre é um outro exemplo de imã natural. Apesar dessa propriedade interessante, imãs naturais não são utilizados industrialmente devido a sua força de atração ser pouca.
Imãs artificiais é um avanço da tecnologia que os tornou possível fabricá-los. Esses ímãs são barras de aço magnetizadas por processos artificiais, fabricadas de diversas formas e tamanhos de acordo com a finalidade a que se destinam e sua principal característica é sua grande força de atração. Eles estão presentes em muitos equipamentos e dispositivos elétricos que são utilizados na vida diária, como as campainhas, os telefones, os motores elétricos, os alto-falantes, as HDs (Hard Disk), entre outros.
Pólos magnéticosNo geral um ímã possui dois pólos. Nos ímãs em forma de barra, por exemplo, os pólos localizam-se em suas extremidades. Quando um desses ímãs é suspenso pelo seu centro de gravidade, como no caso da agulha magnética da bússola, ele se alinha aproximadamente na direção norte-sul geográfico local e por convenção, a extremidade do ímã que se volta para o pólo norte geográfico é chamado pólo norte magnético.
Lei das ações magnéticasPólos magnéticos de mesmo nome se repelem e pólos magnéticos de nomes diferentes se atraem, com isso concluímos que, se o pólo norte magnético da agulha da bussola como exemplo, apontar para o pólo norte geográfico, é porque no pólo norte geográfico existe um pólo sul magnético.
Uma curiosidade é a forma em que os ímãs se multiplicam, pois ao tentarmos dividir qualquer ímã na verdade estamos multiplicando ele, pois as duas partes passarão a ter os pólos norte e sul, não conseguindo dividir um com norte e outro com sul, se pegarmos esses dois ímãs e dividirmos eles ao meio, passaremos a ter quatro ímãs e assim por diante.
Origem das propriedades magnéticas dos materiaisEu não sou muito bom de química, mas sabemos que o modelo atômico clássico considera o átomo como sendo constituído de um núcleo central de carga positiva e ao redor desse núcleo giram órbitas circulares partículas de cargas negativa chamadas elétrons. Esse elétron circula em torno do núcleo criando o que é chamado de movimento orbital, como ocorre por exemplo com a lua em torno da terra, ou da terra em torno do sol, e nesse mesmo movimento orbital é percorrido pela corrente só que em sentido contrário ao do elétron e isso faz com que se apresentem pólos magnéticos se comportando como um ímã. Além do movimento orbital, cada elétron apresenta ainda um movimento de rotação denominado “spin”. Esse movimento também possui pólos magnéticos.
Os elétrons nos átomos apresentam uma grande tendência de se arranjarem dois a dois com seus “spins” opostos, anulando assim o campo magnético. Entretanto, nos átomos com número ímpar de elétrons, esse arranjo não é possível. Por isso, tais átomos dão contribuição magnética não nula ao átomo.
O magnetismo de um átomo pode ser produzido pelo movimento orbital dos elétrons, pelos seus “spins” ou por ambos.
Nos materiais sólidos a principal causa das propriedades magnéticas é o “spin”.
Imantação ou magnetizaçãoImantação ou magnetização é o processo de alinhamento de ímãs atômicos ou dipolos magnéticos de um material. Isso é obtido pela ação de um campo magnético externo. É possível classificar os materiais de acordo com a intensidade com que eles se imantam, isto é, o modo como ordenam seus ímãs atômicos sob a ação de um campo magnético. Assim, esses materiais podem ser classificados em:
1.Paramagnéticos;
2.Diamagnéticos;
3.Ferromagnéticos
Materiais ParamagnéticosQuando se coloca um material no interior de uma bobina (ou indutor), verifica-se experimentalmente que há um aumento da oposição a qualquer variação na passagem da corrente através dessa mesma bobina.
São materiais paramagnéticos o ferro, o aço, o cobalto, o níquel, a platina, o estanho, o cromo e suas respectivas ligas, quando colocados no interior de uma bobina causam esse fenômeno que é chamado de indução.
Os materiais paramagnéticos são caracterizados por átomos que tem um campo magnético permanente, com isso, quando se aplica um campo magnético a esses materiais, o campo magnético orbital e o campo magnético devido aos “spins” dos seus átomos são maiores do que os campos magnéticos devidos à indução eletromagnética.
A intensidade da indutância magnética no interior do indutor é maior com materiais paramagnéticos do que quando há ar ou vácuo no seu interior.
Materiais diamagnéticosSão o ouro, a prata, o cobre, o zinco, o antimônio, o chumbo, o bismuto, a água, o mercúrio, ao serem introduzidos no interior de um indutor, provocam diminuição de sua indutância.
Esses materiais são caracterizados pelo fato de seus átomos não produzirem um campo magnético permanente, ou seja, o campo resultante de cada átomo é nulo. Aplicando-se um campo magnético a esses materiais, são produzidas pequenas correntes no interior do átomo, por indução. Essas correntes se opõem ao crescimento do campo externo, de modo que o magnetismo induzido nos átomos estará orientado em sentido oposto ao campo externo.
A intensidade da indutância magnética no interior do indutor é menor com materiais diamagnéticos do que quando há ar ou vácuo no seu interior.
Materiais FerromagnéticosDentre os materiais paramagnéticos, o ferro, o aço, o cobalto, o níquel e suas ligas constituem uma classe especial.
Com efeito, esses materiais provocam no indutor que os tem como núcleo, um aumento de indutância muito maior que o aumento provocado pelos demais materiais paramagnéticos. Esses materiais são denominados ferromagnéticos.
Esses materiais, por serem paramagnéticos, apresentam campo magnético permanente, pois os campos magnéticos de seus átomos estão alinhados de tal forma que produzem um campo magnético mesmo na ausência de um campo externo.
Os materiais ferromagnéticos, por serem um caso particular dentre os materiais paramagnéticos, apresentam a intensidade da indutância magnética B, presente no interior do indutor, maior do que quando há ar ou vácuo no seu interior.
Embora os materiais ferromagnéticos possuam imantação mesmo na ausência de campo externo, o que os caracteriza como ímãs permanentes, a manutenção de suas propriedades magnéticas depende muito de sua temperatura. Quando aumenta a temperatura, as propriedades magnéticas se tornam menos intensas.
Campo magnéticoUm ímã provoca o aparecimento de forças, especialmente em materiais ferromagnéticos, mesmo não estando em contato com eles. Por isso, dizemos que um ímã cria um campo de forças a sua volta. Esse campo é denominado “campo magnético” e é representado por um vetor chamado “vetor de indução magnética” e simbolizado por B.
O pólo norte cria um campo de afastamento e o pólo sul cria um campo de aproximação. Assim, se tivermos um ímã em forma de barra, o vetor de indução magnética será, em cada ponto, tangente às linhas que vão do pólo norte para o pólo sul. Nesse caso, as linhas são chamadas de “linhas de indução”.
Só pra explicar um pouco melhor a ação do campo magnético, quando uma agulha magnética é colocada num campo magnético, surge no pólo norte uma força F1 de mesma direção e sentido que o vetor B. No pólo sul, por sua vez, surge outra força F2 de mesma direção, mas no sentido oposto ao de B.
Campo magnético uniformeNo campo magnético uniforme, as linhas de indução são retas, paralelas, igualmente espaçadas e orientadas. É aquele em que o vetor de indução magnética B tem o mesmo módulo, a mesma direção e o mesmo sentido em todos os pontos do meio, suposto homogêneo.
Fluxo de indução magnéticaFluxo de indução magnética é a quantidade total de linhas de um ímã que constituem o campo magnético e é representado graficamente pela letra grega ø (phi).
O fluxo de indução magnética é uma grandeza e como tal pode ser medido. No SI (Sistema Internacional de Medidas) sua unidade de medida é o Weber (Wb).
No sistema CGS de Medidas, sua unidade é o Mxwell (Mx).
Para transformar weber em mxwell, usa-se a seguinte relação:
1 mx = 0,00000001 Wb
Densidade de fluxo ou indução magnéticaÉ o número de linhas por centímetro quadrado de seção do campo magnético em linhas/cm².
A densidade de fluxo ou indução magnética é representada graficamente pela letra maiúscula B e sua unidade de medida no sistema SI é o Tesla (T) e no CGS é o Gauss (G).
Para transformar Gauss em tesla, usa-se a seguinte relação:
1 G = 0,0001 T
Conhecendo-se o valor da superfície (seção transversal A) em que estão concentradas as linhas de força e a densidade do fluxo magnético B, pode-se enunciar a fórmula do fluxo de indução magnética como o produto da densidade do fluxo B pela seção transversal A.
Assim, matematicamente temos:
Ø = B * A
Onde ø é o fluxo de indução magnética em Mx representado pela letra grega phi
B é a densidade de fluxo magnético em G
* é o fator representativo de multiplicação
A é a seção transversal em cm
Exemplo 1Calcular o fluxo de indução magnética onde a densidade de fluxo é 6000G, concentrada em uma seção de 6cm². Aplicando-se a fórmula ø = B * A, temos:
Ø = 6000 * 6
Ø = 36000Mx
Transformando Mx em Wb.
36000Mx = 36000 * 0,00000001
36000Mx = 0,00036Wb
Exemplo 2Calcular a densidade de fluxo em uma seção de 6cm, sabendo-se que o fluxo magnético é de 36000Mx ou linhas.
B = ø / A
B = 36000 / 6
B = 6000G
Transformando G em T.
6000G = 6000 * 0,0001
6000G = 0,6T