Noções de Eletromagnetismo
É o estudo dos campos magnéticos e suas interações com as correntes elétricas.
Os elétrons giram em torno do núcleo dos átomos, mas também em torno de sí mesmos (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 sí, 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.
O que é de fato um campo magnético ?
A palavra campo significa, na Física, uma tendência de influenciar corpos ou partículas no espaço que rodeia uma fonte.
Ex.: O campo gravitacional, próximo à superfície de um planeta, que atrai corpos, produzindo uma força proporcional à massa destes, o peso.
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 eletroimãs, que aproveitam o efeito magnético da corrente elétrica.
Correntes e eletromagnetismo:
A corrente elétrica num condutor produz campo magnético em torno dele, com intensidade proporcional à corrente e inversamente à distância.
B = 4p10-7 I / r
Nesta equação, válida para um condutor muito longo, I é a corrente, r 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.
Se enrolarmos um condutor, formando um indutor ou bobina, em torno de uma forma, o campo magnético no interior deste será a soma dos produzidos em cada espira, e tanto maior quanto mais espiras e mais juntas estiverem
B = 4p10-7NI / L
L é o comprimento do enrolamento, e N o número de espiras, válida para núcleo de ar.
Permeabilidade
Os materiais se comportam de várias maneiras, sob campos magnéticos.
f = BA
A é a área transversal ao campo do material, em m2 . O fluxo é medido em Webers, Wb.
Os materiais mais permeáveis são os ferromagnéticos. Eles tem permeabilidades centenas a vários milhares de vezes a do ar, e são usados como núcleos de indutores, transformadores, motores e geradores elétricos, sempre concentrando o fluxo, possibilitando grandes campos (e indutâncias).
Os diamagnéticos são usados como blindagem magnética (ou às ondas eletromagnéticas), pela permeabilidade menor que a do ar, mo.
mo = 4p10-7 Tm/A
Indutância:
Vimos que os indutores produzem campo magnético ao conduzirem correntes. A indutância é a relação entre o fluxo magnético e a corrente que o produz. É medida em Henry, H.
L = f / I
Uma propriedade importante da indutância, e da qual deriva o nome, é o fato do campo resultante da corrente induzir uma tensão no indutor que se opõe à corrente, esta é chamada a Lei de Faraday.
E = N df / dt
N é o número de espiras do indutor, e df / dt é a velocidade de variação do fluxo, que no caso de CA é proporcional à freqüência. E é a tensão induzida, em V.
É interessante observar como isto se relaciona ao conceito de reatância indutiva, a oposição à passagem de corrente pelo indutor.
XL = 2 pfL
L é a indutância, e f a freqüência da corrente, em Hz.
A corrente alternada produz no indutor um campo, induzindo uma tensão proporcional à freqüência, que se opõe à corrente, reduzindo-a, esta é a explicação da reatância.
As bobinas nos circuitos elétricos são chamadas indutores. Quando usadas para produzir campos magnéticos, chamam-se eletroimãs ou solenóides. Já dentro de máquinas elétricas (motores e geradores), fala-se em enrolamentos.
Campos e forças
Um campo magnético produz uma força sobre cargas elétricas em movimento, que tende a fazê-las girar. Quando estas cargas deslocam-se em um condutor, este sofre a ação de uma força perpendicular ao plano que contém o condutor e o campo.
F = B I L senq
F é a força em Newtons, L o comprimento do condutor, em m, e q o ângulo entre o condutor e as linhas do campo.
É esta força que permite a construção dos motores elétricos. Nestes o ângulo é de 90o, para máximo rendimento, B é produzido pelos enrolamentos, e há N espiras (nos casos em que o rotor, parte rotativa central, é bobinado), somando-se as forças produzidas em cada uma. O núcleo é de material ferromagnético, para que o campo seja mais intenso, e envolve o rotor, com mínima folga, o entreferro, formando um circuito magnético.
O processo é reversível: uma força aplicada a um condutor, movendo-o de modo a "cortar" as linhas de um campo magnético (perpendicularmente), induz uma tensão neste, conforme a Lei de Faraday, proporcional à velocidade e ao comprimento do condutor, e ao campo, é o princípio do gerador elétrico e do microfone dinâmico.
E = B L v
E é a tensão em V, L o comprimento, em m, e v a velocidade do condutor, em m/s.
Além desta força, há a de atração exercida pôr um campo num material ferromagnético, que age orientando os domínios (e os "spins"), podendo imantá-los (conforme a intensidade e a duração). Esta é usada nos eletroimãs, nos relés e contatores (relés de potência usados em painéis de comando de motores), etc.
É também usada na fabricação de imãs, usados entre outras aplicações nos auto-falantes, microfones e pequenos motores C.C. (campo), como aqueles usados em toca - discos e gravadores.