Máquinas elétricas

Máquinas elétricas

(Parte 1 de 13)

Lunardo Alves de Sena

MARÇO DE 2010

2 - Lunardo Alves de Sena

1 Noções de Eletromagnetismo Estudo dos campos magnéticos e suas interações com as correntes elétricas.

1.1 Campos magnéticos

Os elétrons giram em torno do núcleo dos átomos, mas também em torno de si mesmo (translação), isto é semelhante ao que ocorre com os planetas e o sol. Há diversas camadas de elétrons, e em cada uma, os elétrons se distribuem em orbitais, regiões onde executam a rotação, distribuídos aos pares.

Ao rodarem em torno de si, os elétrons da camada mais externa produzem um campo magnético mínimo, mas dentro do orbital, o outro elétron do par gira também, em sentido oposto, cancelando este campo, na maioria dos materiais.

Porém nos materiais imantados (ferromagnéticos) há regiões, chamadas domínios, onde alguns dos pares de elétrons giram no mesmo sentido, e um campo magnético resultante da soma de todos os pares e domínios é exercido em volta do material: são os imãs.

A palavra campo significa, na Física, uma tendência de influenciar corpos ou partículas no espaço que rodeia uma fonte.

produzindo uma força proporcional à massa destes, o peso

Ex.: O campo gravitacional, próximo à superfície de um planeta, que atrai corpos,

Assim, o campo magnético é a tendência de atrair partículas carregadas, elétrons e prótons, e corpos metálicos magnetizáveis (materiais ferromagnéticos, como o ferro, o cobalto, o níquel e ligas como o alnico). O campo pode ser produzido pôr imãs e eletroímãs, que aproveitam o efeito magnético da corrente elétrica.

Hans Christian Oersted (1771 - 1851)

Até o ano de 1820, os cientistas pensavam que os fenômenos elétricos e magnéticos eram totalmente independentes, isto é, que não havia qualquer relação entre eles. Nesse ano, o físico dinamarquês Hans Christian Oersted, professor da Universidade de Copenhague, realizou uma experiência que se tornou famosa por alterar completamente essas idéias:

Um fio retilíneo (no qual não havia corrente elétrica) foi colocado próximo a uma agulha magnética, orientada livremente na direção norte-sul. Fazendo-se passar uma corrente no fio, observou-se que a agulha se desviava. Interrompendo-se a corrente no fio, a agulha voltava a se orientar na direção norte-sul.

Portanto, a corrente elétrica no fio atuou sobre a agulha magnética de maneira semelhante a um ímã que fosse colocado próximo à agulha, Ilustração 1. Em outras palavras, a corrente elétrica estabeleceu um campo magnético no espaço em torno dela, e esse campo foi o agente responsável pelo desvio da agulha magnética. Como já sabemos que a corrente elétrica é constituída por cargas elétricas em movimento, podemos tirar a seguinte conclusão: cargas elétricas em movimento (corrente elétrica) criam, no espaço em torno delas, um campo magnético.

Ilustração 1

3 - Lunardo Alves de Sena

1.2 Permeabilidade

Os materiais se comportam de várias maneiras, sob campos magnéticos.

• Os diamagnéticos, como o alumínio e o cobre, os repelem, afastando as linhas de campo;

• Os paramagnéticos se comportam quase como o ar;

• Os ferromagnéticos concentram o campo, atuando como condutores magnéticos.

A permeabilidade é a propriedade dos materiais de permitir a passagem do fluxo magnético, que é a quantidade de campo que atravessa o material.

1.3 Campo magnético criado por um condutor retilíneo

Além do vetor campo magnético H, existe no campo magnético uma outra grandeza vetorial, que desempenha papel importantíssimo em muitos fenômenos eletromagnéticos. É chamada indução magnética, ou densidade de fluxo magnético e representada por B.

Definição:

Chama-se indução magnética em um ponto ao produto da permeabilidade magnética do meio pelo campo magnético nesse ponto.

Isto é, HµB×=

A corrente elétrica num condutor produz campo magnético em torno dele, Ilustração 2, com intensidade proporcional à corrente e inversamente à distância.

Ilustração 2

Esta equação é válida para um condutor muito longo, I é a corrente, r0 a distância ao centro do condutor e B é a densidade de fluxo, ou indução magnética, que representa o campo magnético. É medida em Tesla (T). H é dado em A/m.

O sentido da indução ou do campo (B e H respectivamente) relaciona-se com o sentido da corrente de acordo com a “regra da mão direita”. As linhas de campo são circulares, concêntricas em relação ao fio e assentes no plano perpendicular ao mesmo e que contem o ponto P.

B = densidade de fluxo magnético em um ponto (T); H = vetor campo magnético em um ponto (A/m); µ = permeabilidade magnética do meio (T.m/A); r0 = distância do ponto ao fio (m); µ0 = 4.π. 10-7 T.m/A (no vácuo); A unidade de B no SI é o Tesla (T);

A unidade de H no SI é Ampère por metro (A/m).

1.4 Campo magnético no centro de uma espira

Se o condutor tiver forma circular, ele se denomina uma espira. O campo magnético no centro de uma espira, Ilustração 3, depende do raio do círculo e da intensidade da corrente elétrica. Quanto maior a corrente, maior o valor do campo. Quanto maior o raio da espira, menor o valor do campo.

Campo Magnético no Centro de uma Espira Ilustração 3

4 - Lunardo Alves de Sena

Observe que as linhas de indução se concentram no interior do círculo e continua valendo a regra da mão direita para a determinação do seu sentido.

B = densidade de fluxo magnético em um ponto (T); H = vetor campo magnético em um ponto (A/m); µ = permeabilidade magnética do meio (T.m/A); r0 = distância do ponto ao fio (m); µ0 = 4.π. 10-7 T.m/A (no vácuo).

1.5 O Campo Magnético num ponto P situado no eixo de uma espira à altura h do seu centro

O campo magnético no ponto P da Ilustração 4 é dado por:

)h2(r rIH +

)h2(r rIµB +

Ilustração 4 1.6 Campo magnético de um solenóide de N espiras

Se enrolarmos um condutor, formando um indutor ou bobina, em torno de uma forma,

Ilustração 5, o campo magnético no interior deste será a soma dos produzidos em cada espira, e tanto maior quanto mais espiras e mais juntas estiverem.

Admitindo que o solenóide tenha N espiras de raio ro e que possui comprimento L, podese deduzir que a intensidade dos campos B e H no centro do solenóide é dada por:

nILµ

Considerar n = N/L →o número de espiras por unidade de comprimento. Ilustração 5

(Parte 1 de 13)

Comentários