Cursos Técnicos de Eletrotécnica Eletrônica

Unidade Curricular: ELETROTÉCNICA

Carga horária: 80h

Conteúdo programático:

Eletrostática Introdução à Eletrodinâmica Tensão elétrica Corrente elétrica Potência elétrica Energia elétrica Resistência elétrica Resistividade Associação de resistores Fatores que influenciam na resistência de um material Circuito elétrico – tipos Lei de Ohm Leis de Kirchhoff

Fenômenos magnéticos Campos magnéticos das correntes Força magnética Indução eletromagnética Perdas no ferro Circuito magnético e Lei de Hopkinson

TEMAS TRANSVERSAIS: Higiene e Segurança do Trabalho, Educação Ambiental, Ética e Cidadania.

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Centro de Formação ProfissionalCentro de Formação ProfissionalJoseph Turton JúniorJoseph Turton JúniorConteúdo das AulasConteúdo das Aulas

1. Identificação Modalidade: Curso Técnico Unidade Curricular: Eletrotécnica Carga Horária Total: 80 horas Nome do docente: Fredson Oliveira Bibliografia:

1. Física 3 – Paulo César Penteado2. Física – Sampaio & Calçada3. Eletrotécnica – Alfonso Martignoni

Tema: EletrostáticaMatéria é tudo que ocupa lugar no espaço.Carga Elétrica:Prótons e elétrons tem uma propriedade física, chamada carga. Nêutron não tem carga elétrica.A carga do elétron é simétrica a do próton e igual a ela em módulo. Um corpo qualquer

normalmente apresenta o número de prótons igual ao de elétrons, de forma que é eletricamente neutro.(Charles August Coulomb, físico francês), que é o valor da carga elementar,

positivo para os prótons e negativo para os elétrons. Se um corpo tem , ele possui a carga de 1Coulomb.

Obs.:

A carga elétrica de um corpo será dada por Q = +/- n e, onde “n” é o número de elétrons em excesso ou em falta neste corpo e “e” é a carga elementar.

As cargas têm uma força de atração entre si. As de sinal igual se repelem e as de sinal diferente se atraem.

Realizar as experiências do livro de Física 3, Paulo César Penteado, pág 5.Existe um princípio chamado “da conservação das cargas elétricas”, que determina que em um

sistema isolado, a soma algébrica das cargas positivas às negativas é sempre constante. O número de prótons e elétron é igual quando o átomo está neutro. Quando este número não é

igual dizemos que ele está ionizado. O íon pode ser positivo (falta de elétrons) chamado cátion, ou negativo chamado ânion (excesso de elétrons). O número de prótons nunca se altera.

A carga do corpo depende do número de elétrons retirados ou colocados.A palavra Eletricidade vem do grego Elektron, que significa âmbar, uma resina vegetal

petrificada. Os gregos sabiam que imediatamente após essa resina ser esfregada em um pedaço de tecido, ela passava a atrair pequenos pedaços de folhas ou mesmo partículas de poeira. Isto é

Apresentar o funcionamento de uma máquina de xéroxLivro de Física 3, Paulo César Penteado, pág 6.

Condutor e IsolanteCondutores elétricos são caracterizados por possuírem no seu interior portadores de cargas livres

que permitem a passagem de corrente elétrica. Os condutores podem ser sólidos, líquidos e gasosos.

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Dos condutores os mais utilizados são os metais. Nos metais os elétrons que estão na última órbita estão tão fracamente ligados ao núcleo, que ao passar nas proximidades de outro átomo podem ser retirados de suas órbitas.

Isolantes, também chamados dielétricos, são substâncias que não permitem a passagem de corrente elétrica por não terem portadores livres, ou seja, os átomos da última camada são fortemente ligados ao núcleo. (vidro, mica, fenolite, baquelite, borracha, porcelana, água pura – H2O, etc).

DVD disponível na biblioteca, sobre materiais isolantes e condutores.Discutir a questão da água ser isolante, através de experiência no laboratório de eletrotécnica.Os termos isolante e condutor são relativos, pois sob determinada tensão um isolante pode

conduzir e vice-versa.Existem ainda os materiais semicondutores, que tem características intermediárias entre

condutores e isolantes. Estes são largamente utilizados em eletrônica.EletrizaçãoPor atrito: neste processo um dos corpos cede elétrons à superfície do outro, de forma que ambos

ficam eletrizados com sinais opostos, porém cargas iguais.Propor pesquisa, tema: “O que é uma série triboelétrica?”

Livro de Física 3, Paulo César Penteado, pág 9.Por contato: a eletrização ocorrerá pelo simples contato de um corpo previamente eletrizado com

outro neutro. Neste caso se o corpo estiver positivamente eletrizado e outro corpo também ficará positivo e vice-versa, e o princípio da conservação da carga se manterá.

Sendo o corpo eletrizado um condutor, a carga adquirida por contato se distribuirá por toda a superfície. Sendo o corpo um isolante, a carga elétrica adquirida fica concentrada na região de contato entre os corpos.

Por indução: consiste em separar cargas elétricas em um material condutor. Temos um corpo previamente eletrizado (indutor) e um corpo neutro (induzido). Quando estes corpos se aproximam, sem que haja contato entre eles, elétrons do induzido serão atraídos ou repelidos, dependendo da carga do indutor. Neste processo não há alteração da carga do induzido, pois não há ganho nem perda de elétrons, apenas ocorre divisão de carga, tão logo o corpo indutor se afaste a distribuição de carga volta ao estado inicial.

Entretanto se o induzido estiver ligado a um fio terra, este poderá ser eletrizado estando ainda na presença do indutor. Dependendo da carga do indutor o induzido poderá ficar positivo ou negativo ao final do processo.

Livro de Física 3, Paulo César Penteado, considerar os exercícios da página 12 em diante, e as experiências da página 14 em diante.

Campo ElétricoAs cargas tem como principal característica o poder de interagir com outras cargas. Esta

característica está relacionada à presença do campo elétrico em torno da carga. O campo é uma parte real porém virtual, ou seja, não material da carga. Quando a carga se move o campo também se move. O campo é a região do espaço que envolve a carga elétrica. Nesta região, qualquer carga sofre uma força elétrica. Carga de prova é a carga que se utiliza para sondar a existência de um campo elétrico.

O campo elétrico é função da carga daí temos:

onde é o vetor campo elétrico e é o vetor força elétrica sendo q a carga de prova.A unidade SI para intensidade de campo elétrico é o volt/metro (V/m), que equivale ao

Newton/Coulomb (N/C).A força elétrica é similar a força gravitacional, basta comparar as fórmulas:

, e .

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Observe que “m” ou “q” são grandezas escalares, ou seja, números reais que podem ser positivos ou negativos, daí vem:

Se “ ” terão mesma direção e mesmo sentido, sendo “ ” terão direção e sentido opostos.

O campo elétrico é responsável pela existência da força elétrica.As linhas de força são a representação imaginária do campo elétrico, indicando sua direção e

sentido. As linhas de força não nos dão a intensidade do campo elétrico, mas podem fornecer uma idéia da ordem de grandeza, pois se tornam mais próximas em regiões onde o campo é mais intenso e mais afastadas onde o campo é mais fraco. Seguindo esta lógica, se o campo é uniforme as linhas de força serão paralelas e igualmente espaçadas.

Força Eletrostática

esta fórmula define a Lei de Coulomb, que apresenta a força de interação entre duas cargas puntiformes. Força medida em Newtons (N), cargas medidas em Coulombs, distância medida em metros (m). k0 é a constante eletrotástica, que depende do meio em que as cargas estão situadas.

No vácuo , para outros meios a constante é maior e passa a ser designada apenas como k.

No ar seco kar praticamente igual a k0

Vale salientar que a força de interação entre as cargas varia com o quadrado da distância, gerando um gráfico não linear entre distância e força.

Livro de Física 3, Paulo César Penteado, considerar os exercícios da página 27

Potencial ElétricoÉ a medida do nível de energia potencial associado a um ponto do campo elétrico. Tomemos uma carga de prova “q” e a coloquemos em um ponto P de um campo elétrico. Ela

adquire uma energia potencial elétrica pot ,daí definimos o potencial elétrico associado a ponto P, como sendo a grandeza escalar V dada por:

e medida em volt (V)

Poder das Pontas – Densidade Superficial de CargasA densidade elétrica superficial de um condutor esférico de raio R é calculada da seguinte forma:

, vamos a gora considerar dois condutores esféricos de raios RA > RB , e com

cargas Q A e Q B , respectivamente, ambas no mesmo potencial V. Podemos fazer então:

(1)

da definição de densidade elétrica vem:

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(2)

(3)

substituindo (2) e (3) em (1) temos:

A expressão destacada acima permite-nos tirar uma importante conclusão: como RA > RB, deve-mos ter . Em outras palavras, a densidade elétrica superficial é inversamente proporcional ao raio de curvatura do condutor. Ou seja, no condutor de menor raio de curvatura temos uma maior concentração de cargas elétricas. A isto chamamos Poder das Pontas.

Efeito CoronaNo caso de um condutor eletrizado negativamente, o elevado campo elétrico na superfície das

regiões pontiagudas pode determinar a emissão de elétrons. Ao mesmo tempo, devido ao campo elétrico nas proximidades do condutor, forças elétricas passam a atuar nas cargas elétricas (nas positivas e nas negativas) dos átomos do meio isolante que envolve o condutor. Esse meio é chamado dielétrico. Caso esse campo elétrico seja muito intenso, pode ocorrer a ionização dos átomos do dielétrico; caso contrário, ocorre apenas a polarização de seus átomos.

O máximo valor de intensidade do campo elétrico que um dielétrico suporta sem se ionizar é denominado rigidez dielétrica do isolante. Para o ar, a rigidez dielétrica vale 3 MV/m ou 3kV/mm.

Ao ser atingida a rigidez dielétrica do meio isolante que envolve o condutor, os átomos do iso-lante se ionizam e o meio toma-se condutor. Nessa situação, ocorre o chamado efeito corona.

No efeito corona, as cargas elétricas de mesmo sinal que a carga elétrica da ponta condutora são repelidas pela ponta, enquanto as cargas de sinais contrários são atraídas. O ar, nas proximidades das pontas carregadas do condutor, pode até tomar-se luminescente (azul), em decorrência da luz emitida por suas moléculas durante as colisões provocadas pela movimentação de cargas. Logicamente, depois de um determinado tempo, o condutor acaba se descarregando pelas pontas. O Efeito Corona também tem um ruído característico que lembra algo fritando.

O Poder das Pontas associado a ionização do ar chamada Efeito Corona, possibilitaram a criação do pára-raio de ponta ou de chifre, conhecido como pára-raio Franklin. As pontas ionizam o ar o que irá atrair o raio para esta região. Como o pára-raio é aterrado e a descarga atmosférica é negativa, e sabendo ainda que o fluxo de elétrons sempre vai do potencial maior para o menor, temos o fluxo de energia do raio indo para a terra pelo cabo de terra do pára-raio, pois o potencial da terra é ZERO, e zero é maior que um número negativo,

Gaiola de Faraday – Blindagem EletrostáticaUm condutor isolado, neutro ou eletrizado, está em equilíbrio

eletrostático, quando seus elétrons livres apresentam uma movimentação caótica e desordenada. Estes elétrons livres – em excesso ou em falta – são cargas de mesmo sinal e, pelo princípio da atração repulsão, devem se repelir e buscar a maior distância possível um do outro. Esta distância máxima é conseguida apenas quando esses elétrons livres se distribuem pela superfície externa.

Do que foi dito chegamos a conclusão que o campo resultante nos pontos internos de um condutor isolado e em equilíbrio eletrostático é nulo, isto é, E interno = 0.

Se a diferença de potencial resulta no campo elétrico, temos:

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sendo E = 0 no interior de um condutor em equilíbrio eletrostático, temos V a = V b , ou seja, V = cte.

Vamos chamar de A, um condutor oco em equilíbrio eletrostático, e seguindo o raciocínio iniciado anteriormente, vamos colocar um condutor B, neutro, no interior de A B não sofrerá indução. Em seguida vamos aproximar de A um condutor eletrizado C, neste momento ocorre indução eletrostática em A, separando cargas na região superficial, mas B nada sofre estando protegido no interior de A Dizemos que houve uma blindagem eletrostática por parte de A em relação a B.

Neste caso A agiu como uma Gaiola de Faraday em relação ao corpo B. (Michael Faraday, físico inglês, 1791 - 1867).

A carcaça metálica de um carro ou de um avião constituem um blindagem eletrostática, protegendo os corpo em seu interior de efeitos elétricos externos, como descargas atmosféricas.

Efeito Pelicular ou Skin (pele em inglês)Do que foi dito antes sobre blindagem eletrostática podemos desenvolver outro raciocínio.

Quanto maior for a força de repulsão entre os elétrons livres no interior do condutor, mais eles estarão comprimidos na superfície ou película do condutor e maior será a área livre no seu interior, área esta onde o campo é nulo. Podemos então, em AT, fabricar condutores ocos, economizando material e fazendo-os mais leves economizando também nas estruturas. Em alguns países esta área oca no interior dos condutores é aproveitada para introdução de fluídos refrigerantes o que aumenta a capacidade de condução do condutor

Tema: Eletrodinâmica Definir corrente (símbolo da grandeza, unidade, instrumento de medida) Definir tensão (símbolo da grandeza, unidade, instrumento de medida) Definir resistência (símbolo da grandeza, unidade, instrumento de medida) Distinguir resistência (fenômeno físico) e resistor (componente elétrico)

Definir resistividade e apresentar a fórmula . Salientar o valor da

resistividade do cobre e do alumínio ressaltando vantagens e desvantagens do uso de um ou de outro.

Influência da seção transversal, da temperatura e do comprimento na resistência do material.

Definir potência (símbolo da grandeza, unidade, instrumento de medida) Definir energia (símbolo da grandeza, unidade, instrumento de medida) Mostrar como é feito o cálculo do consumo de energia residencial Múltiplos e submúltiplos das grandezas elétricas Lei de Ohm e fórmulas para cálculo de potência e energia derivadas desta

Lei. Definir circuito elétrico Caracterizar os tipos de circuito (apresentar como os instrumentos de

medida mencionados anteriormente são conectados nos circuitos) Associação de resistores Leis de Kirchoff

Tema: Eletromagnetismo

Fenômenos Magnéticos Fundamentais

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A magnetite (Fe3O4 - óxido de ferro) é um minério que possui a propriedade de atrair outros corpos.

A mesma propriedade pode ser adquirida por meio de tratamento especial, pelo ferro, gusa e aço de forma acentuada, e em menor proporção pelo níquel, cromo, etc.

Estas propriedades e outras derivadas chamam-se fenômenos magnéticos.Corpos que podem adquirir propriedades magnéticas são conhecidos como corpos magnéticos;

àqueles que já as possuem por sua natureza ou por tratamento especial chamam-se corpos magnetizantes, como por exemplo os ímãs. Temos então ímãs naturais ou artificiais, e estes últimos podendo ser permanentes ou temporários.

Ferro Doce produz ímãs temporários, já o Aço produz ímãs permanentes. Isto está relacionado ao teor de carbono no material. Estes materiais são chamados de forma genérica de ferromagnéticos.

Os ímãs são constituídos de dois pólos, a saber Norte e Sul. A zona central é denominada zona neutra, pois não tem polaridade definida e nela o efeito magnético é muito fraco.

A existência de um pólo Norte e outro Sul em um ímã permite sua utilização como bússola. Seu pólo norte sempre apontará para o pólo sul da terra, ou pólo sul geográfico, e vice-versa. Esta propriedade pode ser observada aproximando-se dois ímãs. Os pólos de mesmo nome irão se repelir enquanto os de nome contrário irão se atrair.

Outra característica interessante dos ímãs é que quando partidos, as partes sempre se organizarão de forma que metade seja pólo Norte e a outra metade seja pólo Sul. Isto significa dizer que independentemente do tamanho do ímã, ele sempre terá dois pólos e estes sempre ocuparão 50% da área do ímã. Claro que ímãs pequenos tem propriedades magnéticas, por exemplo poder de atração e repulsão, menor que ímãs grandes.

A menor divisão possível, seguindo este raciocínio, se chamará ímã elementar. A constituição atômica da matéria obedece este raciocínio, ou seja, o átomo pode ser encarado como um ímã elementar.

Sendo assim, o fenômeno da magnetização é então a orientação destes ímãs elementares, que originalmente estão dispostos de forma desordenada dentro da matéria.

Campo MagnéticoEm volta de um corpo magnetizado existe uma região dentro da qual corpos magnetizados ou

que possam assumir este estado por indução, por exemplo, sofrem ação de forças. Esta região é chamada de campo magnético, similar ao campo elétrico e ao campo gravitacional.

Força MagnéticaA força magnética pode ser calculada da seguinte forma, pela Lei de Coulomb para as massas

magnéticas:

, onde k0 é uma constante relacionada ao meio onde o fenômeno é observado, e tem valor 1 para o ar; “m1“e “m2“são as massas magnéticas e “d” a distâncias entre elas.

Se o fenômeno ocorre no ar e as massas são iguais, temos:

O campo magnético é uma região do espaço onde corpos sofrem efeito magnético, como já foi dito. Este efeito magnético pode ser maior ou menor dependendo da posição relativa entre os corpos. A isto chamamos intensidade do campo magnético (H), que é uma grandeza vetorial medida em Tesla (T). A intensidade de um Tesla age sobre a carga de massa unitária com a força um Newton.

Fluxo MagnéticoO fluxo de indução ou de força que atravessa uma superfície, é o produto da intensidade de

campo (H) pela projeção da superfície sobre o plano normal ao vetor H. O fluxo pode ser chamado ainda de densidade de campo magnético, devido a sua relação com a área.

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onde Φ é o fluxo em Weber (Wb) , Sn é a projeção da superfície normal ao vetor H em m 2 e H

é a intensidade do campo magnético em Tesla (T).aplicando à figura:

obs.: sendo a área perpendicular ao vetor H, teremos cos α = 1 e então .

Fenômenos EletromagnéticosOs fenômenos eletromagnéticos são aqueles decorrentes da interação de um campo magnético e

de um campo elétrico, particularmente pela interação entre um campo elétrico gerado pela passagem da corrente em um condutor e o campo magnético no qual este condutor está imerso.

Estes fenômenos regem o funcionamento de motores e transformadores, ou seja, regem todo o sistema industrial de nossa sociedade.

O físico dinamarquês OERSTED realizou a seguinte experiência:Uma agulha magnética suspensa pelo centro de massa e livre, foi colocada paralelamente a um

condutor retilíneo. Quando começa a circular corrente contínua pelo condutor a agulha começa a deslocar-se em uma superfície normal ao condutor. Invertendo-se a polaridade da corrente contínua, o movimento da agulha também se inverte em 180º.

Daí foi possível deduzir que no espaço que circunda um condutor energizado existe um campo magnético, que terminará quando a corrente for interrompida. O sentido do campo depende do sentido da corrente.

A regra da mão esquerda ajuda a definir o sentido do campo em torno de um condutor energizado, tendo como conhecido o sentido da corrente (de menos para mais – sentido eletrônico).

O polegar aponta o sentido eletrônico da corrente enquanto os outros dedos abraçam o condutor mostrando o sentido do campo.

SolenóideO solenóide é um conjunto de espiras, ou seja, de voltas de fio. Observe as figuras. A linha ao

centro é o eixo do solenóide.Pelo que se vê nas figuras, nota-se que um solenóide tem pólo Norte e Sul, ou seja, atua como

um ímã, ou melhor, um eletroímã. Invertendo o sentido da corrente no solenóide, inverte-se a localização dos pólos.

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A regra da mão esquerda pode ser aplicada a um solenóide, como uma adaptação. Agora os dedos, exceto o polegar, acompanharão o sentido da corrente e o polegar apontará o pólo Norte.

Quando ocorre sobreposição de dois campos, gera-se um campo resultante. O campo resultante B fica intensificado em todos os pontos internos do núcleo e em todos os pontos externos próximos de suas extremidades magnéticas, ou seja, região frontal aos pólos Norte e Sul. Por outro lado fica enfraquecido na zona externa lateral a superfície do núcleo.

Do exposto acima chegou-se a uma relação entre H(campo magnético principal) e B(campo magnético resultante).

= B/H

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Esta relação recebe o nome de permeabilidade magnética do material. É adimenssional e característica de cada material. Indica a aptidão que um determinado material possui em reforçar um campo magnético inicial, ou seja:

B = . H

No ar, nos gases e em todos os materiais não magnéticos =1, ou seja, B = H.

As características magnéticas de cada material, como a permeabilidade, estão ligadas à sua estrutura atômica e molecular, daí a variação de um material para outro. Sendo assim adicionando ao ferro corpo

Ação da força magnética entre condutores retilíneosUm condutor retilíneo percorrido por uma corrente I e imerso em um campo B, fica sujeito a

uma Força F. F = B.I.L sem (I.B). O sentido da força é dado pela regra da mão esquerda.Tendo dois condutores paralelos percorridos por I1 e I2 separados por d. cada corrente gera um

campo magnético que exerce força no outro condutor.

1º caso: I1 e I2 no mesmo sentidousando a regra da mãe esquerda, temos duas forças produzindo um efeito de atração entre os cabos.

2º caso: I1 e I2 em sentidos opostosusando a regra da mão esquerda, temos agora duas forças produzindo repulsão entre os cabos

Lei de Ampére

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que resulta em

Para calcular a F de atração ou repulsão entre os cabos, faremos:

considerando o condutor 1, e sabendo que entre I2 e B1 o ângulo é de 90º teremos:

LEI DE LAPLACEUma espira percorrida por uma corrente e imersa em um campo magnético, é solicitada por

uma força.Esta força solicita a espira de forma que seu eixo magnético coincida com a direção do campo

magnético em que está imersa.

FERROMAGNETISMOTorna-se conveniente escrevermos o vetor indução magnética total B no interior do solenóide

como a soma de dois termos: B = B0 + BN, em que B0 refere-se ao campo criado apenas pela corrente elétrica que flui através das espiras do solenóide e BN refere-se ao campo adicional devido ao núcleo.

Os materiais constitutivos dos núcleos magnéticos podem estar em três categorias.Diamagnéticos: são substâncias nas quais B é ligeiramente menor que Bo, ou seja, o

campo magnético adicional BN do núcleo contribui para diminuir o campo do solenóide. Nesse grupo podem ser incluídos o cobre (Cu), o bismuto (Bi), o antimônio (Sb), o chumbo (Pb) e a água.

O diamagnetismo está associado aos momentos magnéticos orbitais dos elétrons nos átomos ou moléculas que constituem a substância em questão. Por isso, está presente em todas as substâncias embora, na maioria, com uma intensidade tão pequena que sua presença é mascarada por outros comportamentos. Nos supercondutores, parece que o diamagnetismo é forte o suficiente para que o campo magnético resultante no interior da amostra seja nulo.

Ao aplicar um campo magnético a uma substância qualquer, cada elétron que se move nos átomos ou moléculas fica sujeito a uma força adicional que provoca uma perturbação no seu movimento, equivalente a uma velocidade adicional e, portanto, uma mudança no seu momento magnético orbital.

Paramagnéticas: são substâncias que fazem com que B seja apenas ligeiramente maior que Bo, isto é, o campo magnético adicional BN do núcleo contribui muito pouco para aumentar o campo do solenóide. Nesse grupo se enquadra a maioria das substâncias como, por exemplo, manganês (Mn), cromo (Cr), estanho (Sn), alumínio (AI), platina (Pt) e o ar.

Átomos ou moléculas com camadas atômicas incompletas, como no caso dos elementos de transição, das terras raras e dos actinídeos, têm momentos magnéticos permanentes devido aos

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momentos magnéticos intrínsecos (associados aos spins) dos elétrons dessas camadas. As substâncias compostas de tais átomos ou moléculas são paramagnéticas. A presença de um campo magnético externo produz um torque que tende a alinhar os momentos magnéticos na mesma direção do campo, causando o aparecimento de uma certa magnetização. Nos metais, o paramagnetismo é também devido a um alinhamento dos momentos magnéticos associado aos spins dos elétrons de condução. O alinhamento não é perfeito devido às colisões entre os átomos ou moléculas, se a substância está na fase gasosa, ou devido às vibrações microscópicas associadas à energia interna, se está na fase sólida. A substância adquire, então, uma magnetização, quando colocada num campo magnético externo, muito menor do que a máxima possível. Portanto, a substância é atraída pelo imã que cria o campo com uma pequena força.

Ferromagnéticas: são substâncias que fazem com que B seja centenas de vezes maior que Bo (em alguns casos, até milhares de vezes maior); em outras palavras, o campo magnético adicional BN

do núcleo é muitas vezes maior que o campo Bo criado apenas pela corrente que circula no solenóide. Nesse grupo temos: ferro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), gadolínio (Gd), disprósio (Dy) e algumas ligas especiais como o aço temperado.

As substâncias ferromagnéticas têm uma magnetização permanente que surge da tendência natural de alinhamento dos momentos magnéticos permanentes de seus átomos ou moléculas, tendência essa fruto de suas interações mútuas. O resultado dessas interações é um alinhamento perfeito dos momentos magnéticos em regiões chamadas domínios, cujas dimensões vão de 10 a 0,001 milímetros cúbicos. Como a direção de alinhamento é diferente de um domínio para outro, a magnetização da substância pode ser nula ou muito pequena. Isso acontece, por exemplo, com um pedaço de ferro não magnetizado. Num campo magnético externo ocorre o aumento de tamanho dos domínios favoravelmente orientados às custas dos demais e o desvio angular dos momentos magnéticos de cada domínio, tendendo a um melhor alinhamento com o campo externo. O resultado final é uma grande magnetização e a substância transforma-se num imã. Por outro lado, devido ao efeito desalinhador das vibrações microscópicas associadas à energia interna, para cada substância ferromagnética existe uma temperatura, chamada temperatura de Curie, acima da qual a substância se torna paramagnética. À temperatura ambiente são ferromagnéticos o ferro, o níquel, o cobalto e o gadolínio, com temperaturas de Curie de 770 °C, 365 °C, 1075 °C e 15 °C, respectivamente.

O ferromagnetismo é um processo físico no qual certos materiais eletricamente descarregados atraem atraem fortemente outros materiais. Iodestone (ou magnetita, um óxido de ferro, FeO) e ferro são dois materiais encontrados na natureza que têm a capacidade de adquirir forças atrativas e por isso são frequentemente chamados ferromagnéticos naturais. Eles foram descobertos a mais de 2000 anos atrás e serviram de base para os primeiros estudos científicos do magnetismo. Hoje em dia os materiais ferroelétricos são usados numa ampla variedade de aparelhos essenciais do dia-a-dia como por exemplo motores elétricos, geradores, transformadores, telefones e auto-falantes.

As propriedades de um ferroelétrico têm como base a simetria de seu cristal. Os cristais que possuem um ou mais eixos polares apresentam o fenômeno da piezoeletricidade que consiste em provocar uma deformação mecânica através da aplicação de um campo elétrico e vice-versa. Os cristais que possuem apenas um eixo polar podem adquirir cargas de sinais opostos sobre suas faces perpendiculares quando submetidos a uma variação de temperatura. Este fenômeno é chamado de piroeletricidade. Quando, através de um campo elétrico, pode-se inverter o sentido dessa polarização, acontece o fenômeno da ferroeletricidade.

Temperatura de Curie ou Ponto de CurieUm imã , quando aquecido, perde as suas propriedades magnéticas pois o calor provoca um

dessaranjo na disposição das suas partículas.Como consequência, acima de uma determinada temperatura os condutores perdem suas

propriedades magnéticas. Esta temperatura, que é constante para cada substância, é denominada Temperatura de Curie ou Ponto de Curie.. Nesta temperatura os materiais perdem suas propriedades ferromagnéticas. Esta transição é reversível através do resfriamento do material.

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Esta temperatura crítica foi descoberta por Pierre Curie ( 1859 - 1906 ) quando efetuava estudos sôbre o estado cristalino.

Exemplos:* Ferro: Temperatura de Curie: 770°C * Cobalto: Temperatura de Curie: 1075°C * Níquel: Temperatura de Curie: 365°C * Gadolínio: Temperatura de Curie: 15°C Pierre Curie ( Paris, 15 de maio de 1859 - Paris, 19 de abril de 1906 ) foi um fisico francês,

pioneiro no estudo da radiatividade.Obteve o prêmio Nobel com sua mulher Marie Curie, outra famosa física, em 1903 "em

reconhecimento aos extraordinários serviços prestados conjuntamente nas suas pesquisas sobre a radiação, descoberta pelo professor Henri Becquerel.

Descobriu a piezoeletricidade em 1880, estudou o magnetismo, e anunciou em 1894 o Principio universal de simetría: As simetrias presentes nas causas de um fenômeno físico também são encontrados nas suas consequências.

Morreu num acidente em 1906, quando sua cabeça foi esmagada por um automóvel.

Quando aquecido a uma certa temperatura chamada temperatura de Curie, a qual é diferente para cada substância, os materiais ferroelétricos perdem suas propriedades características e deixam de ser magnéticos tornando-se paramagnéticos, no entanto, eles tornam-se novamente ferromagnéticos quando submetidos a um resfriamento.

Lei de FaradayMichael Faraday, físico inglês (1791 – 1867), descobriu, simultaneamente embora

independentemente, que um campo magnético pode gerar uma corrente elétrica.A Lei de Faraday diz que: “Uma força eletromotriz (fem) induzida é produzida por uma

variação do campo magnético”. Isto significa dizer que corrente contínua pura, que resulta em campo magnético constante, não

pode ser responsável por fenômenos induzidos. Estes fenômenos só poderão ser produzidos por corrente alternada ou contínua pulsante. No caso da corrente contínua pura haverá indução apenas no momento em que a fonte CC é ligada, pois neste momento haverá uma variação de campo magnético.

Lei de LenzHeinrich Friedrich Lenz, físico estoniano (1804 – 1865) enunciou a seguinte lei: “A fem

induzida no circuito fechado gera uma corrente induzida cujo campo magnético se opõe à causa que determinou sua origem”.

O princípio físico encontrado nesta lei é usado particularmente em freios eletromagnéticos.

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Curva de Histerese Magnética Eixo vertical “B”Eixo horizontal “B0 “Origem “a”A curva se desenvolve seguindo a ordem alfabética.No ponto “a” poucas partículas do núcleo estão orientadas de acordo com o campo magnético externo. Mas, à medida que Bo aumenta de intensidade, mais e mais partículas vão se orientando, até que no ponto b praticamente todas (+/- 70%) estarão alinhadas com o campo externo,

ou seja, o núcleo atingiu a imantação de saturação. A partir desse ponto, se Bo continuar a aumentar, B

aumentará muito lentamente e para que 98% das partículas se orientem, Bo deverá aumentar milhares de vezes acima de seu valor no ponto b.

Agora começamos a reduzir o campo externo Bo diminuindo a corrente I. Quando I = 0 (ponto c do gráfico) as partículas não estão totalmente desalinhadas. Algum magnetismo permanece no núcleo de ferro (imantação residual ou remanescente). Esta imantação residual depende, entre outras coisas, diretamente do teor de carbono do núcleo, de forma que materiais duros, ou seja, com alto teor de carbono (ferro fundido), tem elevado magnetismo residual, se prestando a produção de ímãs permanentes. Por outro lado, uma curva com valores baixos para ac e af (como se vê ao lado), ocorre para materiais moles, ou seja, com baixo teor de carbono, por exemplo o chamado "ferro doce". Tais materiais são preferíveis para uso em eletroímãs controláveis, isto é, não permanentes.

A partir do ponto “c” se a corrente mudar de sentido, essas partículas podem ser desalinhadas de modo que B = O no ponto d. O campo gerado no sentido contrário gera uma força desmagnetizante conhecida como Força Coercitiva. Se a corrente continuar a aumentar de intensidade, o núcleo tende a atingir o ponto de saturação em sentido oposto (ponto e). Finalmente, se a corrente é novamente reduzida a zero e depois aumentada no sentido inicial, o campo total segue o caminho efgb do gráfico, retomando novamente ao ponto de saturação (ponto b), e fechando com isto o que se conhece como Curva de Histerese Magnética.

Observe que o campo não retoma ao valor inicial (ponto a) nesse ciclo. O fato de a curva não retomar sobre si mesma pelo mesmo caminho é denominado histerese (do grego hysteresis, atraso).

Um material ferromagnético pode ser desmagnetizado. Isso é conseguido fazendo-se a corrente de magnetização inverter re-petidamente seu sentido enquanto sua intensidade diminui gradativamente no ponto de inversão. O resultado é a curva mostrada no

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gráfico 3. As cabeças de gravação de um gravador de fita cassete atuam dessa maneira quando o equipamento está na função de "apagar" o conteúdo da fita.

Correntes de FoucaultEssas correntes induzidas, denominadas correntes de Foucault - em homenagem ao físico francês

Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868) -, são induzidas em massas metálicas que sofrem variação perpendicular de fluxo magnético. Por não terem sentido definido costumam ser chamadas de correntes em redemoinho.

As correntes de Foucault, ao circularem num condutor metálico com pequena resistência elétrica, podem atingir intensidades elevadas, o que provoca a dissipação de grandes quantidades de energia em forma de calor.

As correntes de Foucault constituem a base do funcionamento das fornalhas de indução. Numa fornalha de indução, a peça metálica, que será fundida pelo calor dissipado por efeito Joule, é colocada no interior de uma bobina através da qual circula uma corrente alternada. Verifica-se que as correntes em redemoinho, com freqüências comparativamente baixas, criam um efeito de agitação no metal fundido, enquanto as correntes com freqüências mais elevadas são mais eficientes no aquecimento do metal. Por esse motivo algumas fornalhas de indução possuem duas bobinas, uma na qual circula corrente alternada de baixa freqüência e outra em que circula corrente alternada de alta freqüência. As fornalhas de indução mais antigas operam com correntes alternadas cujas freqüências variam entre 60 Hz e 60.000 Hz. Uma moderna fornalha de indução é projetada para operar com freqüências de 106 Hz ou mais.

Os efeitos das correntes de Foucault também baseiam a construção de freios magnéticos. Tais freios são usados, por exemplo, em amperímetros, voltímetros e wattímetros-hora. Nos dois primeiros é necessário que o movimento do ponteiro seja rapidamente amortecido para permitir a leitura, no terceiro o freio tem o objetivo de impedir que o cliente pague pelo que não consumiu.

No caso dos amperímetros e voltímetros, o ponteiro tem acoplado a si um pequeno disco metálico disposto entre os pólos de um ímã. Quando o ponteiro se movimenta, o disco também é movimentado e nele surgem as correntes de Foucault que, de acordo com a lei de Lenz, devem se opor à causa que as originaram e assim o ponteiro é rapidamente freado pelas forças magnéticas.

Entretanto, nem sempre as correntes de Foucault são úteis ou desejáveis. Nos transformadores e motores CA, a energia dissipada provoca o aquecimento das peças do equipamento. Nesse caso as correntes de Foucault são chamadas de correntes parasitas, e para reduzir seus efeitos as peças são construídas com lâminas finas (para reduzir a área de circulação das corrente) de ferro silício – SiFe – (para aumentar a resistência elétrica), isoladas entre si por um verniz isolante, e dispostas paralelamente às linhas de indução do campo magnético.

Propriedades Magnéticas da Matéria

Como não existem monopolos magnéticos, isto é, partículas às quais se possa associar apenas um pólo magnético, a

estrutura com efeitos magnéticos mais simples é uma partícula com um momento (de dipolo) magnético, ou seja,

uma partícula que se comporta como um pequeno imã. Assim, o elétron, tem um momento magnético intrínseco, que se

supõe associado ao seu spin. Por outro lado, como uma espira com uma corrente elétrica (convencional) tem um momento magnético com direção perpendicular ao plano da espira e sentido dado pela regra da mão direita, um

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elétron numa órbita atômica tem um momento magnético orbital perpendicular ao plano da espira mas com sentido contrário àquele dado pela regra da mão direita.     

O momento magnético total de uma amostra de uma dada substância por unidade de volume é o que se chama de magnetização dessa substância. As substâncias são classificadas em vários grupos conforme seus comportamentos quando em presença de um campo magnético externo, ou seja, conforme a sua magnetização. Aqui são discutidos apenas os três grupos básicos, ou seja, as substâncias diamagnéticas, paramagnéticas e ferromagnéticas, e isso numa visão semiclássica que dá apenas uma idéia do que está acontecendo. Os comportamentos das substâncias quando em presença de um campo

magnético externo só podem ser plenamente compreendidos no contexto da Mecânica Quântica.

CIRCUITO MAGNÉTICO – FLUXO DE INDUÇÃO

Chama-se circuito magnético o espaço em que se desenvolve o conjunto das linhas de força de um campo magnético.

Considere-se o núcleo de ferro M indicado na figura e observe-se que, uma vez magnetizado o núcleo, gera-se um campo magnético intenso que se desenvolve parte no núcleo e parte no ar.

No interior do núcleo, cuja seção é relativamente pequena, as linhas de força são concentradas e paralelas ao eixo do núcleo, o que indica que a indução no interior do núcleo é elevada e homogênea. No ar, a distribuição do campo não é bem definida, pois as linhas de força que saem do pólo Norte e vão rumo ao Sul, espalham-se em uma área bastante grande, segundo caminhos não definidos, o que indica que no ar a indução não é homogênea, resultando muito menor do que no núcleo. Uma coisa no entanto é certa, isto é, o número das linhas de força: que atravessam o ar é perfeitamente igual ao número das linhas de força que agem no núcleo. Querendo determinar qual é o fluxo de indução que existe neste circuito magnético, convém lembrar que o fluxo de indução é sempre constante em todas as seções do circuito magnético e que o valor deste fluxo é dado por:

Para determinar o valor do fluxo relativo ao circuito magnético indicado anterior, deve-se escolher uma seção do mesmo em que tanto B como S sejam perfeitamente medíveis. Para tal fim considere-se uma das seções do núcleo na qual a área é conhecida e a indução facilmente calculável, o que não acontece na parte externa do núcleo, onde não é possível determinar o espaçamento das linhas de força.

Nota-se, porém, que o fluxo = B . S, que existe no núcleo, é o mesmo que existe externamente a este.

Lembrando que a intensidade dos campos magnéticos é medida em gauss e as áreas em cm2, resulta que a unidade de fluxo correspondente deve ser definida como o produtO de 1 gauss por 1 cm2. Esta unidade é chamada maxweIl.

Um circuito magnético de 4 cm2 de seção, que possui a indução B = 10 000 gauss, será sede de um fluxo de = 4 x 10 000 = 4 x 10 4 maxweIl.

CIRCUITO MAGNÉTICO PERFEITO – LEI DE HOPKINSON

O circuito magnético perfeito é o de um solenóide em forma de anel, enrolado sobre um anel de material, homogêneo ou não, pois que as linhas de força ou de indução desse circuito se desenvolvem num espaço fechado, sem sair. Portanto será fácil observar a relação existente entre as espiras, a corrente

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magnetizante, o comprimento do circuito, a permeabilidade do meio e o fluxo que vai existir neste meio sobre o qual o solenóide é enrolado.

Considere-se, para tal fim, o solenóide da figura, o qual tem N espiras percorridas por uma corrente de intensidade I, e enrolado sobre um anel de material homogêneo. A corrente que circula no solenóide gera, no seu interior, um campo magnetizante H, determinado sobre a circunferência de comprimento l pela fórmula:

Sob a ação desse campo magnetizante, o meio envolvido pelo solenóide magnetiza-se, e no interior dele estabelece-se o campo resultante, cuja intensidade é dada por:

Considerando l e B constantes para todas as linhas de indução do campo, o fluxo de indução que atravessa cada seção do anel fica determinado pela relação:

de onde,

que representa a equação do circuito magnético perfeito.No caso em que o anel sobre o qual está enrolado o solenóide não seja homogêneo, mas

subdividido em pedaços distintos de diferente material, de comprimento l, área S e permeabilidade , a equação acima escrita se transformará em:

O produto é chamado relutância do circuito magnético, indicado pela letra R.Daí a equação do circuito magnético toma a forma:

ou , onde fmm é a força magnetomotriz..

O produto NI representa a causa primária que determina a formação do campo magnético, e portanto, do fluxo de indução em cada circuito magnético, e por esta razão é chamado de força magnetomotriz (f.m.m.).

Com esta determinação, a equação do circuito magnético pode ser traduzida no seguinte enunciado, conhecido com o nome de "Lei de HOPKINSON".

“Em um circuito magnético qualquer, o produto do fluxo de indução pela relutância é igual à. f.m.m., agente no circuito, ou, em outras palavras, o fluxo de indução é determinado pela relação entre a f.m.m. e a relutância do circuito”.

Para um circuito magnético qualquer, a f.m.m. agente é representada sempre pelo produto da intensidade de corrente I, que produz. o campo magnetizante, pelo número das espiras N do circuito considerado, que esta corrente atravessa. Se sobre este circuito agem vários circuitos elétricos atra-vessados por corrente, a f.m.m. total é dada pela soma algébrica das f.m.m. atuantes nos vários circuitos.

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A relutância unitária é possuída por um circuito em que a f.m.m. de 1 A.esp, gera o fluxo de 1 maxwell.

A lei de HOPKINSON mostra uma estrutura formal, completamente análoga à lei de OHM, para os circuitos elétricos.

Circuito Elétrico Circuito MagnéticoForça Eletromotriz – fem Força Magnetomotriz – fmmCorrente Elétrica – I Fluxo Magnético - Resistência Elétrica – R Relutância Magnética – R

Aproveitando essa analogia, foi criada, para, os circuitos magnéticos, uma linguagem figurada, semelhante à usada mais apropriadamente para os circuitos elétricos: justamente disto derivaram as denominações de circuito magnético, força magnetomotriz e relutância.

Não se deve, porém, estabelecer entre as duas ordens de fenômenos analogias físicas ou conceituais que resultariam sem fundamento.

Observa-se que, se a corrente elétrica é realmente constituída por um movimento de cargas elétricas no interior do circuito, o fluxo de indução nos circuitos magnéticos não representa nada de semelhante, pois é simplesmente o produto da indução magnética B pela seção normal do circuito magnético que se considera.

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