Fundamentos de Eletromagnetismo CEFET/SC - Apostilas - Física Parte1, Notas de estudo de Física

Baixe Fundamentos de Eletromagnetismo CEFET/SC - Apostilas - Física Parte1 e outras Notas de estudo em PDF para Física, somente na Docsity! CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA GERÊNCIA EDUCACIONAL DE ELETRÔNICA Fundamentos de Eletromagnetismo PROF. FERNANDO LUIZ ROSA MUSSOI VERSÃO 3.2 FLORIANÓPOLIS – NOVEMBRO, 2005 CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 2 FUNDAMENTOS DE ELETROMAGNETISMO Versão 3.2 – 29 de novembro, 2005. NOTA DO AUTOR Esta apostila é um material de apoio didático utilizado pelo autor nas suas aulas das disciplinas ministradas na Gerência Educacional de Eletrônica do Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina (CEFET/SC). Este material não tem a pretensão de esgotar, tampouco inovar o tratamento do assunto por ele abordado. Tem por objetivo facilitar a dinâmica de aula, com expressivos ganhos de tempo, além de dar uma primeira orientação e compreensão aos alunos sobre o assunto abordado. Este trabalho foi construído com base nas referências, citadas ao longo do texto, nas notas de aula e na experiência do autor na abordagem do assunto com os seus alunos. Em se tratando de um material didático elaborado por um professor de uma Instituição Pública de Ensino, são permitidos o uso e a reprodução do texto, desde que devidamente citada a fonte. O aluno deve desenvolver o hábito de consultar, estudar e, se possível, adquirir a Bibliografia Referenciada original para melhores resultados no processo de aprendizagem. Quaisquer contribuições, correções e críticas construtivas a este trabalho serão bem-vindas pelo autor. Prof. Fernando Luiz Rosa Mussoi mussoi@cefetsc.edu.br Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 5 Parte I - MAGNETISMO 1. Introdução Os gregos já sabiam, há mais de 2000 anos, que certas pedras da região da Magnésia (na Ásia Menor) se atraíam e também atraíam pedaços de ferro. Estas pedras são conhecidas hoje como Magnetita. As primeiras experiências com o magnetismo referiam-se, principalmente, ao comportamento dos ímãs permanentes. Na China, no século Ι a.C., observou-se que um imã suspenso por um fio, alinha-se, aproximadamente, na direção norte-sul terrestre. Isto deu origem à Bússola. A bússola é simplesmente um ímã permanente em forma de agulha, suspenso no seu centro de gravidade e que pode girar livremente sobre um eixo para indicar a direção geográfica norte-sul. O lado da agulha que aponta para o norte geográfico convencionou-se chamar de norte magnético. Não se sabe quando a bússola foi usada pela primeira vez na navegação, mas existem referências escritas sobre este uso que datam do século XII. Em 1260, o francês Petrus Peregrinus observou que, as extremidades de um imã possuem um poder maior de atração pelo ferro: são os pólos magnéticos. Ele também observou que os pólos não existem separadamente. Em 1269, Pierre de Maricourt fez uma importante descoberta ao colocar uma agulha sobre um ímã esférico natural em várias posições e marcou as direções de equilíbrio da agulha. Descobriu então que as linhas envolviam o ímã, da mesma forma que os meridianos envolviam a Terra, e passavam por dois pontos situados sobre as extremidades de um diâmetro da esfera. Em virtude da analogia com os meridianos terrestres, estes dois pontos foram denominados os pólos do ímã. Muitos observadores verificaram que, qualquer que fosse a forma do ímã, sempre havia dois pólos, um pólo norte e um pólo sul, onde a força do ímã era mais intensa. Os pólos de mesmo nome de dois ímãs repeliam-se e os de nome oposto atraíam-se. A figura 1.1 ilustra essa situação observada. N S N S F F N S N S F F N S N S F F F F N S N S F F F F Figura 1.1 – Atração e repulsão magnética. Em 1600, William Gilbert, físico e médico da corte da rainha Elisabeth da Inglaterra, descobriu a razão de a agulha de uma bússola orientar-se em direções definidas: a própria Terra era um ímã permanente. De vez que o pólo norte da agulha da bússola é atraído para o pólo norte geográfico, este pólo norte geográfico da Terra é, na realidade, um pólo sul magnético. A figura 1.2 mostra a Bússola devido à orientação geográfica de um ímã. Os pólos geográficos e magnéticos da terra não coincidem exatamente. O CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 6 ângulo entre eles é chamado de declinação magnética. A declinação magnética e a intensidade do campo magnético terrestre variam lentamente ao longo dos milhões de anos. A atração e a repulsão dos pólos magnéticos foram estudadas quantitativamente por John Michell, em 1750. Usando uma balança de torção, Michell mostrou que a atração e a repulsão dos pólos de dois ímãs tinham igual intensidade e variavam inversamente com o quadrado da distância entre os pólos. Estes resultados foram confirmados pouco depois por Coulomb. A lei da força entre dois pólos magnéticos é semelhante à que existe entre duas cargas elétricas, mas há uma diferença importante: os pólos magnéticos ocorrem sempre aos pares. É impossível isolar um único pólo magnético. Se um ímã for quebrado ao meio, aparecem pólos iguais e opostos no ponto de fratura, de modo que se formam dois novos ímãs, com pólos iguais e opostos. Coulomb explicou este resultado admitindo que o magnetismo estava contido em cada molécula do ímã. Em 1920 foram desenvolvidos ímãs de maior capacidade com ligas de Alnico (Alunínio, Níquel e Cobalto), que retêm um magnetismo muito intenso e são usados na fabricação de alto-falantes, por exemplo. Em 1950 grandes avanços foram feitos no desenvolvimento de ímãs cerâmicos orientados (Ferrites) feitos com ligas de Manganês e Zinco (MnZn) e Níquel e Zinco (NiZn). Em 1970 foram obtidos impressionantes aumentos de forças magnéticas a partir de ligas de Samário Cobalto (terras raras), mas com custos elevados. Em 1980, da família das terras raras, os ímãs de Neomídio-Ferro-Boro surgiram com capacidades magnéticas ainda maiores e com custos menores, porém muito sensíveis a temperaturas elevadas. Hoje o magnetismo tem importância fundamental em quase todos os equipamentos eletro- eletrônicos mais usados na indústria, no comércio, nas residências e na pesquisa. Geradores de energia, motores elétricos, transformadores, disjuntores, televisores, computadores, vídeo-cassetes, discos rígidos de computadores (HDs), telefones, cartões magnéticos e muitos outros equipamentos usam efeitos magnéticos para desempenhar uma série de funções importantes. (Texto extraído e adaptado de: Tipler, P. A.; Física vol. 2, 2a ed., Ed. Guanabara Dois, 1982). Figura 1.2 – Bússola: Orientação Geográfica dos pólos de um ímã (Fonte: Moretto, V.P. Eletricidade e Eletromagnetismo, ed. Ática, 3a ed, 1989). 2. Origem do Magnetismo 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. Os ímãs naturais encontrados na natureza, chamados de Magnetitas, são compostos por Óxido de Ferro (Fe3O4). Os ímãs artificiais são materiais geralmente compostos de metais e ligas cerâmicas aos quais se transmitem as propriedades magnéticas e estes podem ser temporários ou permanentes. Os temporários são fabricados com ferro doce (mais puro) e os permanentes com ligas de aço (Ferro e Carbono), geralmente contendo Níquel ou Cobalto. Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 7 Não é ainda completamente conhecida a natureza das forças magnéticas de atração e repulsão, embora conheçamos as leis que orientam suas ações e como utilizá-las. Assim como qualquer forma de energia, o magnetismo é originado na estrutura física da matéria, ou seja, no átomo. O elétron gira sobre seu eixo (spin eletrônico) e ao redor do núcleo de um átomo (rotação orbital) como mostra a figura 2.1. Na maioria dos materiais, a combinação entre direção e sentido dos efeitos magnéticos gerados pelos seus elétrons resulta nula, originando uma compensação e produzindo um átomo magneticamente neutro. Porém, pode acontecer uma resultante magnética quando um número de elétrons giram em um sentido e um número menor de elétrons giram em outro. É o caso do átomo de ferro, representado na figura 2.2. Embora exista, de fato, um movimento de cargas elétricas em nível atômico, a corrente elétrica (fluxo ordenado de elétrons) não está presente nos ímãs. Não devemos confundir esses dois fenômenos. > > < < Eixo Rotacional Sentido de Rotação - spin NúcleoElétron Movimento Orbital Figura 2.1 – movimentos dos elétrons no átomo. Assim, muitos dos elétrons dos átomos dos ímãs, girando ao redor de seus núcleos em direções determinadas e em torno de seus próprios eixos, produzem um efeito magnético em uma mesma direção. Resulta, então, na expressão magnética externa. Esta expressão é conhecida como Campo Magnético permanente e é representado pelas Linhas de Campo, como será estudado posteriormente. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 3 5 3 3 K L s s p s p d s M N Subcamada Md incompleta Elétrons girando no sentido anti-horário Elétrons girando no sentido horário +26 núcleo Figura 2.2 – átomo de ferro magnetizado. 2.1.Teoria de Weber Em 1260, o francês Petrus Peregrinus observou que os pólos de um imã não existem separadamente. Cortando-se um imã em duas partes iguais, que por sua vez podem ser redivididas em outras, figura 2.3, observa-se que cada uma destas partes constitui um novo imã que, embora menor, tem sempre dois pólos. É possível continuar esse processo de divisão, até que chega-se a um ponto em que encontra-se o átomo ou molécula do material de que ele é feito. Cada átomo ou molécula do imã, possui propriedades magnéticas devido à orientação dos seus spins. Esses átomos ou moléculas reúnem-se em pequenos conjuntos de mesma orientação, denominados imãs elementares. CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 10 Enquanto o material estiver com os seus domínios alinhados ele age como um ímã. Se ao afastarmos o campo externo os domínios se desalinham, o material perde o efeito magnético. Isso explica, por exemplo, porque um ímã consegue atrair vários clipes e estes uns aos outros. Cada clipe age como um pequeno ímã temporário. 3. Campo Magnético Campo Magnético é a região ao redor de um imã, na qual ocorre um efeito magnético. Esse efeito é percebido pela ação de uma Força Magnética de atração ou de repulsão. O campo magnético pode ser definido pela medida da força que o campo exerce sobre o movimento das partículas de carga, tal como um elétron. A representação visual do Campo Magnético é feita através de Linhas de Campo Magnético, também conhecidas por Linhas de Indução Magnética ou ainda por Linhas de Fluxo Magnético, que são linhas envoltórias imaginárias. As linhas de campo magnético são linhas fechadas que saem do pólo norte e entram no pólo sul. A figura 3.1 mostra as linhas de campo representando visualmente o campo magnético. Em 3.2 as linhas de campo são visualizadas com limalha de ferro sobre um vidro. Em 3.3 vemos a representação do campo magnético terrestre. Figura 3.1 – Linhas de Campo Magnético Figura 3.2 – Visualização das Linhas de Campo com limalha de ferro (Fonte: Giancoli. Physics for engineers and scientists. Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 11 Figura 3.3 – Linha do Campo Magnético Terrestre As características das linhas de campo magnético: • 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; Uma verificação das propriedades das linhas de campo magnético é a chamada inclinação magnética da bússola. Nas proximidades do equador as linhas de campo são praticamente paralelas à superfície. A medida que nos aproximamos dos pólos as linhas vão se inclinando até se tornarem praticamente verticais na região polar. Assim, a agulha de uma bússola acompanha a inclinação dessas linhas de campo magnético e se pode verificar que na região polar a agulha da bússola tenderá a ficar praticamente na posição vertical. Se dois pólos diferentes de ímãs são aproximados haverá uma força de atração entre eles e as linhas de campo se concentrarão nesta região e seus trajetos serão completados através dos dois ímãs. Se dois pólos iguais são aproximados haverá uma força de repulsão e as linhas de campo divergirão, ou seja serão distorcidas e haverá uma região entre os ímãs onde o campo magnético será nulo. Estas situações estão representadas na figura 3.4. pólos diferentes: atração pólos iguais: repulsão Figura 3.4 – Distribuição das Linhas de Campo Magnético: (a) entre pólos diferentes; (b) entre pólos iguais CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 12 Figura 3.5 – Campo magnético uniforme e não-uniforme (Fonte: Moretto, V.P. Eletricidade e Eletromagnetismo, ed. Ática, 3a ed, 1989). No caso de um imã em forma de ferradura, as linhas de campo entre as superfícies paralelas dispõem-se praticamente paralelas, originando um campo magnético uniforme. No campo magnético uniforme, todas as linhas de campo têm a mesma direção e sentido em qualquer ponto. A figura 3.5 mostra essa situação. Na prática, dificilmente encontra-se um campo magnético perfeitamente uniforme. Entre dois pólos planos e paralelos o campo é praticamente uniforme se a área dos pólos for maior que a distância entre eles. Nas bordas de um elemento magnético há sempre algumas linhas de campo que não são paralelas às outras. Estas distorções são chamadas de “espraiamento”, como mostra a figura 3.6. Figura 3.6 – Espraiamento de linhas num campo magnético praticamente uniforme (Fonte: Giancoli. Physics for engineers and scientists. 3.1. Densidade de Campo Magnético ou Densidade de Fluxo Magnético O Fluxo magnético, simbolizado por φ, é definido como o conjunto de todas as linhas de campo que atingem perpendicularmente uma dada área, como mostra a figura 3.7. A unidade de Fluxo Magnético é o Weber (Wb). Um Weber corresponde a 1x108 linhas do campo magnético [Giancoli]. φ A N S Figura 3.7 – Fluxo Magnético: quantidade de linhas de campo numa área. A Densidade de Campo Magnético também conhecida como Densidade de Fluxo Magnético ou simplesmente Campo Magnético, é uma grandeza vetorial representada pela letra B, cuja unidade é o Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 15 direções ao longo da barra, ficam orientados em uma direção predominante, como num imã. Esta situação está demonstrada na figura 4.2. Figura 4.2 – Indução magnética (Fonte: Gozzi, G.G.M., Circuitos Magnéticos, Ed. Érica, 1996). Quando afastamos o ímã indutor, a maioria dos domínios magnéticos do ferro volta ao estado de orientação desorganizada fazendo com que o material praticamente perca as suas propriedades magnéticas. Materiais com esse comportamento,como o ferro puro2, são chamados Materiais Magneticamente Moles. Os materiais nos quais os domínios magnéticos não perdem a orientação obtida com a aproximação de um campo magnético são chamados Materiais Magneticamente Duros, como o aço e o ferrite. Isto acontece porque nessas ligas os átomos de ferro uma vez orientados sob a ação do campo magnético são impedidos de voltar à sua orientação inicial pelos átomos do outro do material da liga, permanecendo magnetizados. É assim que são fabricados os ímãs permanentes. Figura 4.3 – Influência da temperatura no magnetismo (Gozzi, G.G.M., Circuitos Magnéticos, Ed. Érica, 1996). Porém, aquecendo-se uma barra de ferro sob a ação de um campo magnético acima de uma certa temperatura, no caso 770°C, ela deixa de ser atraída pelo imã. Esta temperatura é denominada Ponto Curie. Isto acontece, pois o aquecimento provoca uma agitação nos átomos de ferro, de tal maneira que eles se desorganizam e a barra de ferro perde as suas propriedades magnéticas. Quando a barra de ferro é esfriada, ela novamente será atraída pelo imã. A figura 4.3 ilustra essa situação. Figura 4.4 – Saturação Magnética 2 Também conhecido por Ferro Doce ou Soft Iron. CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 16 Um material também pode perder suas propriedades magnéticas quando submetido a choques mecânicos que propiciem a desorientação dos seus átomos. Um material pode ter os seus átomos orientados até um determinado limite. O efeito devido à limitação na orientação e alinhamento dos átomos do material, mesmo sob a ação de campos magnéticos intensos, é chamado de Saturação Magnética. A figura 4.4 ilustra a condição de saturação magnética. 5. Classificação das Substâncias quanto ao Comportamento Magnético As substâncias são classificadas em quatro grupos quanto ao seu comportamento magnético: ferromagnéticas, paramagnéticas , diamagnéticas e ferrimagnéticas. 5.1. Substâncias Ferromagnéticas: Seus imãs elementares sofrem grande influência do campo magnético indutor. De modo que, eles ficam majoritariamente orientados no mesmo sentido do campo magnético aplicado e são fortemente atraídos por um ímã. Exemplos: ferro, aços especiais, cobalto, níquel, e algumas ligas (alloys) como Alnico e Permalloy, entre outros. A figura 5.1 ilustra o comportamento das substâncias ferromagnéticas. Figura 5.1 –Substâncias ferromagnéticas (Fonte: Gozzi, G.G.M., Circuitos Magnéticos, Ed. Érica, 1996). 5.2. Substâncias Paramagnéticas: Seus imãs elementares ficam fracamente orientados no mesmo sentido do campo magnético indutor. Surge, então, uma força de atração fraca entre o imã e a substância paramagnética. Exemplos: alumínio, manganês, estanho, cromo, platina, paládio, oxigênio líquido, etc. A figura 5.2 ilustra o comportamento das substâncias paramagnéticas. Figura 5.2 – Substâncias paramagnéticas (Fonte: Gozzi, G.G.M., Circuitos Magnéticos, Ed. Érica, 1996). 5.3. Substâncias Diamagnéticas: Substâncias Diamagnéticas são aquelas que quando colocadas próximas a um campo magnético indutor proveniente de um imã, os seus imãs elementares sofrem uma pequena influência, de modo que eles ficam fracamente orientados em sentido contrário ao campo externo aplicado. Surge, então, entre o imã e Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 17 a substância diamagnética, uma força de repulsão fraca. Exemplos: cobre, água, mercúrio, ouro, prata, bismuto, antimônio, zinco, etc. A figura 5.3 ilustra o comportamento das substâncias diamagnéticas. Figura 5.3 –Substâncias diamagnéticas (Fonte: Gozzi, G.G.M., Circuitos Magnéticos, Ed. Érica, 1996). 5.4. Substâncias Ferrimagnéticas: O Ferrimagnetismo permanente ocorre em sólidos nos quais os campos magnéticos associados com átomos individuais se alinham espontaneamente, alguns de forma paralela, ou na mesma direção (como no ferromagnetismo) e outros geralmente antiparalelos, ou emparelhados em direções opostas, como ilustra a figura 5.4. O comportamento magnéticos de cristais de materiais ferrimagnéticos pode ser atribuído ao alinhamento paralelo; o efeito desses átomos no arranjo antiparalelo mantém a força magnética desses materiais geralmente menor do que a de sólidos puramente ferromagnéticos como o ferro puro. O Ferrimagnetismo ocorre principalmente em óxidos magnéticos conhecidos como Ferritas. O alinhamento espontâneo que produz o ferrimagnetismo também é completamente rompido acima da temperatura de Curie, característico dos materiais ferromagnéticos. Quando a temperatura do material está abaixo do Ponto Curie, o ferrimagnetismo aparece novamente. Figura 5.4 – Ferrimagnetismo 6. Permeabilidade Magnética Se um material não magnético, como vidro ou cobre for colocado na região das linhas de campo de um ímã, haverá uma imperceptível alteração na distribuição das linhas de campo. Entretanto, se um material magnético, como o ferro, for colocado na região das linhas de campo de um ímã, estas passarão através do ferro em vez de se distribuírem no ar ao seu redor porque elas se concentram com maior facilidade nos materiais magnéticos, como indicam as figuras 6.1 e 6.2. Este princípio é usado na Blindagem Magnética de elementos e instrumentos elétricos sensíveis e que podem ser afetados pelo campo magnético. A figura 6.3 mostra um exemplo de blindagem magnética pois as linhas de campo ficam concentradas na carcaça metálica não atingindo o instrumento no seu interior. Portanto, um material na proximidade de um ímã pode alterar a distribuição das linhas de campo magnético. Se diferentes materiais com as mesmas dimensões físicas são usados a intensidade com que as linhas são concentradas varia. Esta variação se deve a uma grandeza associada aos materiais chamada Permeabilidade Magnética, μ. A Permeabilidade Magnética de um material é uma medida da facilidade com CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 20 μ - permeabilidade magnética do meio, Wb/Am; A – área da seção transversal, m2. A relutância magnética é uma grandeza análoga à resistência elétrica que pode ser determinada pela equação que relaciona a resistividade e as dimensões de um material: A R l⋅= ρ Podemos notar que a resistência elétrica R e a relutância magnética ℜ são inversamente proporcionais à área A, ou seja, maior área menor resistência ao fluxo de cargas elétricas e ao fluxo de linhas de campo. Estas grandezas são diretamente proporcionais ao comprimento l do material. Entretanto a relutância é inversamente proporcional à permeabilidade magnética, enquanto a resistência é diretamente proporcional à resistividade elétrica ρ. Materiais com alta permeabilidade, como os ferromagnéticos, têm relutâncias muito baixas e, portanto, proporcionam grande concentração das linhas de campo magnético. Quando dois materiais de permeabilidades diferentes apresentam-se como caminho magnético para as linhas do campo, estas se dirigem para o de maior permeabilidade. Isto é chamado de Princípio da Relutância Mínima, e é mostrado na figura 7.1. Este princípio pode ser aplicado quando se necessita uma Blindagem Magnética, ou seja, liberar um dispositivo das influências magnéticas, como ilustra a figura 6.3. (a) alta relutância (b) relutância um pouco menor (c) relutância ainda menor (c) menor relutância possível Figura 7.1 – relutância: (a) alta; (b) baixa; (c) mais baixa; (d) menor Na figura 7.2 podemos perceber que o ferro, de alta permeabilidade, representa um caminho magnético de menor relutância para as linhas de campo, concentrando-as. Já o vidro, de baixa permeabilidade, não proporciona grande concentração das linhas de campo. Isso representa um caminho magnético de alta relutância. N S Ferro Vidro Figura 7.2 – Caminhos Magnéticos de alta e baixa relutância. Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 21 Parte II - ELETROMAGNETISMO 1. Descobertas de Oersted Até o início do século XIX acreditava-se que não existia relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos. Em 1820, um professor e físico dinamarquês chamado Hans Christian Oersted observou que uma corrente elétrica era capaz de alterar a direção de uma agulha magnética de uma bússola. Figura 1.1 – Experiência de Oersted (Fonte: Moretto, V.P.; Eletricidade e Eletromagnetismo, Ed. Érica, 1989). Quando havia corrente elétrica no fio, Oersted verificou que a agulha magnética movia-se, orientando-se numa direção perpendicular ao fio, evidenciando a presença de um campo magnético produzido pela corrente, como mostra a figura 1.1. Este campo originava uma força magnética capaz de mudar a orientação da bússola. A este campo magnético de origem elétrica chamamos de Campo Eletromagnético. Interrompendo-se a corrente, a agulha retornava a sua posição inicial, ao longo da direção norte-sul. Observou-se, então, a existência de uma relação entre a Eletricidade e o Magnetismo. Conclusão de Oested: Todo condutor percorrido por corrente elétrica, cria em torno de si um campo eletromagnético. Surge, a partir daí, o estudo do Eletromagnetismo. Em decorrência dessas descobertas, foi possível estabelecer o princípio básico de todos os fenômenos magnéticos: Quando duas cargas elétricas estão em movimento manifesta-se entre elas uma força magnética além da força elétrica (ou força eletrostática). 2. Fenômenos do Eletromagnetismo Da Lei da Ação e Reação de Newton, podemos concluir que, se um condutor percorrido por corrente provoca uma força de origem magnética capaz de mover a agulha da bússola, que é um ímã, então um imã deve provocar uma força num condutor percorrido por corrente. Além disso, os cientistas concluíram que, se uma corrente elétrica é capaz de gerar um campo magnético, então o contrário é verdadeiro, ou seja, um campo magnético é capaz de gerar corrente elétrica. São três os principais fenômenos eletromagnéticos e que regem todas as aplicações tecnológicas do eletromagnetismo: CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 22 I. Condutor percorrido por corrente elétrica produz campo magnético; II. Campo magnético provoca ação de uma força magnética sobre um condutor percorrido por corrente elétrica. III. Fluxo Magnético variante sobre um condutor gera (induz) corrente elétrica. Estes três fenômenos do eletromagnetismo serão estudados em detalhes ao longo deste trabalho. 3. Campo Magnético criado por Corrente Elétrica Um campo magnético pode ser criado através do movimento de cargas elétricas, tal como o fluxo de corrente num condutor. Este campo magnético é originado pelo momento de giro do dipolo magnético (referente ao spin do elétron) e pelo momento da órbita do dipolo magnético de um elétron dentro de um átomo. A este campo magnético originado por uma corrente elétrica chamamos de Campo Eletromagnético4. No mesmo ano que Oersted comprovou a existência de um campo magnético produzido pela corrente elétrica, o cientista francês André Marie Ampère, preocupou-se em descobrir as características desse campo. Nos anos seguintes, outros pesquisadores como Michael Faraday, Karl Friedrich Gauss e James Clerk Maxwell continuaram investigando e desenvolveram muitos dos conceitos básicos do eletromagnetismo. Quando o condutor retilíneo da figura 3.1 é percorrido por uma corrente elétrica pode-se observar pela orientação das agulhas das bússolas, a existência de um campo que o envolve longitudinalmente (ao longo de seu comprimento) e as linhas de campo magnético que o representam, são círculos concêntricos. A figura 3.2 mostra uma foto da visualização das linhas de campo magnético produzido por um condutor retilíneo usando limalha de ferro. Figura 3.1 – Orientação da bússola em torno de um condutor percorrido por corrente (Fonte: Giancoli. Physics for engineers and scientists As linhas de campo magnético são linhas envoltórias concêntricas e orientadas, como mostra a figura 3.3. O sentido das linhas de campo magnético produzido pela corrente no condutor é dada pela Regra de Ampère. A Regra de Ampère, também chamada de Regra da Mão Direita é usada para determinar o sentido das linhas do campo magnético considerando-se o sentido convencional da corrente elétrica. Com a mão direita envolvendo o condutor e o polegar apontando para o sentido convencional da corrente elétrica, os demais dedos indicam o sentido das linhas de campo que envolvem o condutor, como mostra a figura 3.4. 4 Por simplicidade, usaremos apenas “campo magnético”. Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 25 corrente menos intensa produzirá poucas linhas numa região próxima ao condutor. A figura 4.1 ilustra essa situação. Figura 4.1 – Representação do campo magnético em função da intensidade da corrente Na figura 4.2, o vetor B que representa a Densidade de Campo Magnético ou Densidade de Fluxo em qualquer ponto apresenta direção sempre tangente às linhas de campo no ponto considerado. Isso pode ser comprovado pela observação da orientação da agulha de uma bússola em torno de um condutor percorrido por corrente elétrica, como mostra a figura 3.1, visto no ítem anterior. O Vetor Densidade de Campo Magnético B é sempre tangente às linhas de campo. I r p B Figura 4.2 – Vetor Campo magnético tangente às linhas de campo. A Densidade de campo magnético B num ponto p considerado, é diretamente proporcional à corrente no condutor, inversamente proporcional à distância entre o centro do condutor e o ponto e depende do meio. Matematicamente, tem-se que: r2 B ⋅⋅ ⋅ = π Ιμ onde: B = Densidade de campo Magnético (ou Densidade de Fluxo Magnético) num ponto p [T, Tesla]; r = distância entre o centro do condutor e o ponto p considerado [m]; Ι = intensidade de corrente no condutor [A]. μ = permeabilidade magnética do meio [T.m/A] CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 26 Permeabilidade Magnética do Vácuo: μ0 = 4 . π . 10-7 (T.m/A) Esta equação é válida para condutores longos, ou seja, quando a distância r for bem menor que o comprimento do condutor (r<<ℓ). 4.2. Campo Magnético gerado no centro de uma Espira Circular Um condutor em forma de espira circular quando percorrido por corrente elétrica é capaz de concentrar as linhas de campo magnético no interior da espira, como mostra a figura 4.3. Isso significa que a densidade de campo magnético resultante no interior da espira é maior que a produzida pela mesma corrente no condutor retilíneo. Figura 4.3 – Visualização do Campo magnético no centro de uma espira circular (Fonte: Gozzi, Giuseppe G. M., Circuitos Magnéticos, Coleção Estude e Use, Ed. Érica, 1996). Para a determinação do campo magnético no centro de uma espira circular, a regra da mão direita também é válida. O polegar indica o sentido da corrente elétrica na espira e os demais dedos da mão direita, o sentido das linhas de campo magnético que envolvem o condutor da espira circular. Assim, para os campos magnéticos representados na figura 4.4 temos: R2 B ⋅ ⋅ = Ιμ Onde: B = é a densidade de campo magnético no centro da espira circular [T, Tesla]; R = raio da espira [m]; Ι = intensidade de corrente na espira circular [A]. μ = permeabilidade magnética do meio [T.m/A] Na figura 4.4(a) e 4.4(b) podemos verificar que as linhas de campo geradas no condutor são concentradas no interior da espira. A figura 4.4(b) mostra que a regra da mão direira também serve para determinar o sentido resultante das linhas de campo no centro da espira. A figura 4.4(c) mostra as linhas de campo concentradas no interior da espira através de outro ângulo de visão. Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 27 (a) Fonte: Boylestad, R.L., Introductory Circuit Analysis, Prentice Hall, 2003. (b) I R (c) (d) Giancoli. Physics for engineers and scientists Figura 4.4 – Representação do Campo Magnético gerado por uma espira circular percorrida por corrente. CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 30 Figura 4.10 – Sentido do Campo Eletromagnético criado por uma bobina percorrida por corrente (Fonte: Arcipreste e Granado, Física 3, Ed. Ática, 1983). Um Eletroímã consiste de uma bobina enrolada em torno de um núcleo de material ferromagnético de alta permeabilidade (ferro doce, por exemplo) para concentrar o campo magnético. Cessada a corrente ele perde a magnetização, pois o magnetismo residual é muito baixo. 4.4. Campo magnético gerado por um toróide Uma bobina toroidal (ou simplesmente, toróide) é um solenóide em forma de anel, como mostra a figura 4.11. Seu núcleo pode ser de ar ou de material ferromagnético. Geralmente as bobinas toroidais são feitas com núcleos de ferrite. Figura 4.11 – Toróide (Fonte: CEFET/PR). Os toróides são o tipo de bobinas capazes de proporcionar a maior concentração das linhas de campo magnético. Pode ser provado matematicamente que a densidade de campo magnético no interior das espiras (no núcleo) do toróide é dada por: r2 IN B ⋅π⋅ ⋅⋅μ = Onde: B – densidade de campo magnético no interior do núcleo do toróide, [T]; μ - permeabilidade magnética do meio no interior das espiras do toróide (núcleo); N – número de espiras da bobina toroidal; I – intensidade de corrente no condutor da bobina, [A]; R – raio médio do toróide, [m]. Observação: o raio médio do é o raio da circunferência no meio do núcleo do toróide, como mostra a figura 4.12. Não confundir com o raio externo ou interno e nem com o raio das espiras. Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 31 Raio externo Raio interno Raio médio, r Núcleo Toroidal Figura 4.12 – Identificação do raio médio de um toróide. Também pode ser demonstrado matematicamente [Giancoli] que a densidade de campo magnético fora do núcleo do toróide, tanto na região externa como interna é NULO, pois como o núcleo tem forma circular ele é capaz de produzir um caminho magnético enlaçando todas as linhas de campo. Usando a regra da mão direita aplicada à bobina toroidal podemos determinar o sentido das linhas de campo confinadas no núcleo do toróide, como mostra a figura 4.13. I I Figura 4.13 – Sentido das linhas de campo no núcleo da bobina toroidal. Medições de características de comportamento de materiais magnéticos são, geralmente, feitas usando-se núcleos toroidais (toróide) pois eles são capazes de concentrar praticamente todas as linhas de campo. 4.5. Vetor Campo Magnético Indutor – Força Magnetizante Se, para uma dada bobina mantivermos a corrente constante e mudarmos o material do núcleo (permeabilidade μ do meio), a densidade de fluxo magnético no interior da bobiana será alterada em função da permeabilidade magnética do meio. Podemos chamar de Vetor Campo Magnético Indutor ou Vetor Força Magnetizante (H) ao campo magnético induzido (gerado) pela corrente elétrica na bobina, independentemente da permeabilidade magnética do material do núcleo (meio). O vetor densidade de campo magnético na bobina pode ser dado por: l IN B ⋅⋅μ = resolvendo, l INB ⋅ = μ definindo: μ = B H O módulo do vetor campo magnético indutor ou vetor força magnetizante H numa bobina pode ser dado por: l IN H ⋅ = CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 32 O Vetor H tem as mesmas características de orientação do Vetor Densidade de Campo Magnético (Densidade de Fluxo) B, porém independe do tipo de material do núcleo da bobina. A unidade do Vetor Campo Magnético Indutor é Ampère-espira por metro, Ae/m. Podemos, portanto, concluir que os vetores Densidade de Campo Magnético e Campo Magnético Indutor se relacionam pela equação: HB ⋅μ= Isso significa que uma dada bobina percorrida por uma dada corrente produz uma dada Força Magnetizante ou Campo Magnético Indutor. Se variarmos o valor da permeabilidade magnética do meio (alterando o material do núcleo da bobina, por exemplo) a Densidade de Campo Magnético varia para esta mesma bobina. Quanto maior a permeabilidade magnética μ do meio, o efeito da Força Magnetizante (Campo Magnético Indutor) H no núcleo será tanto maior, ou seja maior a Densidade de Campo Magnético induzida no núcleo. Podemos, portanto, entender a Densidade de Campo Magnético (Densidade de Fluxo Magnético) como o efeito de uma determinada Força Magnetizante (de um Campo Magnético Indutor) num determinado meio de permeabilidade magnética μ. A Densidade de Fluxo Magnético B é o efeito da Força Magnetizante H num dado meio μ. Analogamente, podemos determinar a Força Magnetizante H produzida por um condutor retilíneo, para uma espira circular e para uma bobina toroidal: • Para um condutor retilíneo: r2 H ⋅π⋅ Ι = • Para uma espira circular: R2 H ⋅ Ι = • Para uma bobina toroidal: r2 N H ⋅π⋅ Ι⋅ = Devemos ter em mente que a permeabilidade magnética de um material ferromagnético não é constante. É uma relação entre a Força Magnetizante e a Densidade de Fluxo Magnético resultante. Essa relação é dada por H B =μ Esse comportamento é dado pela Curva de Magnetização do material. Esse assunto será estudado em item posterior. Conclusão: genericamente falando, o campo eletromagnético resultante num dado ponto depende: Da intensidade da corrente; Da forma do condutor (reto, espira ou solenóide) Do meio (permeabilidade magnética) Das dimensões Do número de espiras 4.4. Força Magneto-Motriz A intensidade de um Campo Magnético Indutor (Força Magnetizante) H numa bobina depende da intensidade da corrente que flui numa dada quantidade de espiras. Quanto maior a corrente, mais forte o campo magnético. Além disso, quanto mais espiras, mais concentradas estarão as linhas de campo. Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 35 4.5. Lei de Ampère A Lei de Ampère6 dá uma relação geral entre uma corrente elétrica em um condutor de qualquer forma e o campo magnético por ele produzido. Esta lei foi proposta logo após a descoberta de Oersted. Seja um condutor percorrido por uma dada corrente através de uma área relativa a uma linha de campo, como mostra a figura 4.11. Se considerarmos um vetor da linha de campo de comprimento infinitesimal7 dℓ, este será paralelo ao vetor densidade de campo magnético B. A relação da Lei de Ampère é dada por: ∫ ⋅μ=⋅ envo IdB l&& onde: B – vetor densidade de campo magnético, [T]; dℓ - vetor de comprimento infinitesimal paralelo ao vetor B, [m]; Ienv – corrente passando na área do condutor envolvida pela linha de campo magnético em análise, [A]. É válida para qualquer situação onde os condutores e os campos magnéticos são constantes e invariantes no tempo e sem a presença de materiais magnéticos. Se considerarmos um condutor retilíneo, como o da figura 4.11, podemos aplicar a Lei de Ampère: ( )∫∫ ⋅π⋅⋅=⋅=⋅=⋅μ r2BdBdBIo l&l&& assim, r2 B ⋅π⋅ Ι⋅μ = que é a mesma equação que determina a densidade de campo magnético em um dado ponto p em torno de um condutor retilíneo. Figura 4.11 – Linha de campo em torno de um condutor percorrido por corrente. 5. Força Eletromagnética Cargas elétricas em movimento (corrente elétrica) criam um campo eletromagnético. Vimos que este campo exerce uma força magnética na agulha de uma bússola, por exemplo. Pela terceira lei de Newton, podemos esperar que o reverso seja verdadeiro, ou seja, que um campo magnético de um ímã exerça uma força em um condutor conduzindo corrente. Isto foi confirmado por Oersted. Estando as cargas elétricas em movimento e inseridas em um campo magnético, há uma interação entre esse campo e o campo originado pelas cargas em movimento. Essa interação manifesta-se por forças que agem na carga elétrica. Estas forças são denominadas forças eletromagnéticas. 6 André Marie Ampère (1775-1836), cientista francês. 7 Quando o comprimento é muito pequeno e tende a zero, ou seja, Δl→0 CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 36 Desta forma: Um condutor percorrido por corrente elétrica, dentro de um campo magnético sofre a ação de uma força eletromagnética. Este é o segundo fenômeno eletromagnético. 5.1. Força Eletromagnética sobre um Condutor Retilíneo Seja, por exemplo, um condutor retilíneo colocado entre os pólos de um íma em forma de ferradura, como mostra a figura 5.1. Quando este condutor for percorrido por corrente uma força é exercida sobre ele. Esta força não age na direção dos pólos do ímã mas na direção perpendicular às linhas do campo magnético. Se o sentido da corrente for invertido, a direção da força continua a mesma, mas há uma iversão no sentido da força exercida sobre o condutor. F F Figura 5.1 – Sentido da força sobre o condutor. Um condutor percorrido por corrente elétrica submetido a um campo magnético sofre a ação de uma força eletromagnética. Experimentalmente podemos conferir que se aumentarmos a intensidade da corrente I, aumentaremos a intensidade da força F exercida sobre o condutor. Da mesma forma, um campo magnético mais intenso (maior densidade B) provoca uma intensidade de força maior. Também pode ser comprovado que se o comprimento l ativo do condutor, ou seja sob a ação do campo (atingido pelas linhas de campo) for maior, a intensidade da força sobre ele será maior. A intensidade da força eletromagnética exercida sobre o condutor também depende do ângulo entre a direção da corrente e a direção do vetor densidade de campo magnético, como mostra a figura 5.3. Quando o campo for perpendicular à corrente a força exercida sobre o condutor será máxima. Quando o campo e a corrente tiverem a mesma direção a força sobre o condutor será nula. Isso significa que a intensidade da força eletromagnética F exercida sobre o condutor é diretamente proporcional à densidade do campo magnético B que atinge o condutor, à intensidade de corrente elétrica que percorre o condutor, ao comprimento longitudinal do condutor atingido pelas linhas do campo e ao ângulo de incidência dessas linhas na superfície longitudinal do condutor. Portanto, na figura 5.2, considerando-se um condutor retilíneo de comprimento l sob a ação de um campo magnético uniforme B, percorrido por uma corrente elétrica de intensidade Ι e sendo θ o ângulo entre B e a direção do condutor, o módulo do vetor força magnética que age sobre o condutor pode ser dado por: θ⋅⋅Ι⋅= senBF l onde: F – intensidade do vetor força eletromagnética [N]; B – densidade de campo magnético ou densidade de fluxo magnético [T]; l - comprimento ativo do condutor sob efeito do campo magnético [m]; θ - ângulo entre as linhas de campo e a superfície longitudinal do condutor [o ou rad] Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 37 Observação: devemos lembrar que o comprimento ℓ não é necessariamente o comprimento total do condutor, mas apenas a parte ativa, ou seja, o comprimento que está sob a ação do campo magnético uniforme. θ I F B Figura 5.2 – Força magnética sobre um condutor retilíneo. (a) I B F máx θ=90o (b) I B F nula θ=0o (c) I B F ≠ 0 θ Figura 5.3 – Força magnética depende do ângulo de incidência do campo magnético. Se a direção da corrente é perpendicular à direção do campo (θ = 90o) e a força é máxima. Se a direção da corrente e do campo forem paralelas (θ = 0o) a força será nula, como mostra a figura 5.3. A direção da força é sempre perpendicular à direção da corrente e também perpendicular à direção do campo magnético. A direção e o sentido da força que o condutor sofre, são determinados pela Regra de Fleming para a Mão Esquerda – Ação Motriz, pois o resultado é uma força que tende a provocar movimento. Regra da Mão Esquerda - Ação Motriz: • o dedo polegar indica o sentido da força magnética, F. • o dedo indicador representa o sentido do vetor campo magnético, B. • o dedo médio indica o sentido do corrente, I. Se o campo magnético não for uniforme ou se o condutor não for retilíneo (ou seja, θ variável), temos: CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 40 F – módulo do vetor força magnética resultante sobre a partícula carregada [N]; B – módulo da densidade de campo magnético ou densidade de fluxo [T]; q – quantidade de carga elétrica da partícula [C]; v – velocidade de deslocamento [m/s] θ - ângulo entre a direção de deslocamento e as linhas de campo [o ou rad] Desta equação podemos depreender que a força eletromagnética será máxima quando as partículas incidirem perpendicularmente às linhas de campo (v ⊥ B). Quando as partículas se deslocam na mesma direção das linhas de campo a força eletromagnética será nula (θ=0o ou θ=180o). Considerando-se uma partícula carregada positivamente, são três as possíveis situações: a) Partícula com carga positiva em deslocamento constante na direção do campo: nesse caso, como a partícula se desloca na mesma direção do campo magnético, não há interação entre os campos e conseqüentemente a trajetória da partícula não sofre alterações, mesmo que a partícula esteja se deslocando em sentido contrário ao do campo. O movimento será retilíneo uniforme (MRU). A figura 5.7 mostra essa situação. v B v B Figura 5.7 – partícula positiva em movimento retilíneo uniforme na mesma direção do campo. b) Partícula com carga positiva em deslocamento transversal à direção do campo: ao entrar perpendicularmente à direção do campo B, o campo criado pela própria partícula em movimento faz com que do lado de cima da mesma o campo resultante fique enfraquecido; ao mesmo tempo no lado de baixo o campo é reforçado devido à coincidência do sentido das linhas de força. Isso resulta em uma força magnética no sentido do campo mais fraco (para cima, no caso). Como a partícula continua se deslocando, o fenômeno continua ocorrendo e a força atuante sobre ele provoca uma alteração constante de trajetória, caracterizando um movimento circular uniforme (MCU). Como a força é sempre perpendicular ao deslocamento e a velocidade não varia, a partícula muda a direção do deslocamento caracterizando um movimento circular com aceleração centrípeta constante pois a força aponta sempre para o centro do movimento. As figuras 5.8 e 5.9 ilustram essa situação. x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x F B v v F Figura 5.8 – Força exercida sobre uma partícula em deslocamento transversal à direção do campo. Prof. Fernando Luiz Mussoi Fundamentos de Eletromagnetismo 41 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x F B B v v v Figura 5.9 – Partícula em Movimento Circular Uniforme (MCU) c) Partícula com carga positiva em deslocamento oblíquo à direção do campo: nesse caso a partícula executará um MRU devido à componente da velocidade na mesma direção do campo e um MCU devido à componente da velocidade transversal ao campo. O resultado será um movimento helicoidal8. A figura 5.10 ilustra essa situação. Figura 5.10 – Partícula em movimento helicoidal (fonte: Giancoli) Importante: Se a partícula for carregada negativamente, as forças serão de sentidos opostos e a trajetória será oposta nos casos analisados para uma carga positiva. A Regra de Fleming para a mão esquerda (efeito motriz) auxilia na determinação do sentido da força e da trajetória das partículas. 5.4. Força Magnética entre Condutores Paralelos Quando dois condutores próximos e paralelos são percorridos por corrente elétrica, surge uma força devido à interação entre os campos eletromagnéticos por eles gerados, como mostra a figura 5.11. Essa força poderá ser de atração ou de repulsão conforme os sentidos das correntes nos condutores. Aplicando da Regra de Fleming para ação motriz (Regra da Mão Esquerda) podemos verificar que a força é de atração quando os condutores são percorridos por correntes de mesmo sentido e de repulsão quando percorridos por correntes de sentidos contrários. A figura 5.12 ilustra essas situações. Sabemos que um condutor percorrido por corrente elétrica cria um campo magnético de intensidade dada por: r2 I B ⋅π⋅ ⋅μ = No condutor 1 a corrente I1 cria um campo magnético B1 que atua no condutor 2 que está a uma distância d12 do primeiro e pode dado por 12 1 1 d2 I B ⋅π⋅ ⋅μ = 8 Helicoidal: em forma de hélice, espiral. CEFET/SC Gerência Educacional de Eletrônica 42 Figura 5.11 – Dois condutores paralelos percorridos por corrente sofrem interação de seus campos magnéticos. (a) F F I2 I1 B1 B2 l d12 Condutor 1 Condutor 2 (b) F F I2 I1 B1 B2 l d12 Condutor 1 Condutor 2 Figura 5.12 – Força eletromagnética entre condutores paralelos: (a) atração; (b) repulsão. > > > < < < B1 F Condutor 1 d12 Condutor 2 x x Figura 5.13 – O vetor densidade de campo é perpendicular à superfície do condutor. Na figura 5.13 podemos verificar que as linhas de campo geradas por um condutor atingem o outro condutor. Como o vetor densidade de campo é sempre tangente às linhas de campo, este vetor é perpendicular à superfície longitudinal do condutor. Desta forma, a força elétrica que atua no condutor 2 devido ao campo gerado pelo condutor 1, é dada por o 22112 90senIBF ⋅⋅⋅= l Substituindo o valor de B1 na equação da força temos 12 221 12 d2 II F ⋅π⋅ ⋅⋅⋅μ = l A força que age no condutor 1 devido ao campo gerado pelo condutor 2 é análoga, devido à lei da ação e da reação de Newton. Assim: FFF 2112 == B1