5 – Materiais Magnéticos

5.1. Introdução

O magnetismo ou força magnética é fundamental na geração e aproveitamento d

corrente elétrica. Qualquer tipo de sistema, ou equipamento eletro-eletrônico, conterá

em seus circuitos efeitos magnéticos ou componentes magnéticos. Desta forma, a

existência de equipamentos como motores, geradores, instrumentos elétricos,

medidores, componentes magnéticos, etc. seria impossível se os fenômenos

magnéticos não fossem compreendidos e dominados.

Os materiais magnéticos e ferromagnéticos, substâncias que são atraídas por

forças magnéticas, tem uma importância no fato de que podem permitir o

estabelecimento de fenômenos magnéticos em uma área de interesse estritamente

necessária, devido a sua característica de concentrador de linhas de força magnética.

Exemplo mais antigo de material ferromagnético é a magnetita (Fe3O4), ou imã

permanente, descoberta pelos gregos na cidade de Magnésia, na Ásia Menor e cuja

propriedade de atrair corpos de ferro deu início ao estudo do magnetismo.

5.2. Algumas Definições Importantes

- Linha de Força:

Linha imaginária orientada do pólo norte para o pólo sul, no exterior do imã, e do

sul para o norte no interior do mesmo. O conjunto linhas de força determina a

abrangência do campo magnético.

- Fluxo (φ):

Número de linhas de força no campo magnético. Sua unidade no SI é o Weber

(Wb).

- Circuito Magnético:

Caminho fechado percorrido pelas linhas de força de um campo magnético.

- Magneto ou Imã:

Material natural (magnetita) ou artificial (produzida por magnetização induzida)

que se apresenta como um gerador de campo magnético.

- Campo Magnético:

Região do espaço, ou meio, onde são observáveis efeitos magnéticos

produzidos por uma fonte magnética, ou força magnetomotriz.

- Força Magnetomotriz:

É a força geradora do fluxo do campo magnético. Sua unidade no SI é o ampere,

podendo-se, em caso de dúvida, chamá-la de ampere-espira (Ae).

- Relutância:

Oposição feita ao estabelecimento do fluxo no circuito magnético. Similar ao

conceito da resistência elétrica nos circuitos elétricos; a relutância é proporcional ao

comprimento do circuito magnético (l) e inversamente proporcional à seção “A” de

propagação e à permeabilidade (µ) do meio onde se estabeleceu o campo.

R = l / (µ . A) [Ae/Wb] (1)

- Permeância:

É o inverso da relutância.

- Permeabilidade:

Também conhecida como permeância específica, concerne a maior ou menor

facilidade com que o meio se deixa atravessar pelo fluxo magnético circulante,

resistindo em maior ou menor grau à orientação dos dipolos de suas moléculas no

sentido do fluxo. A permeabilidade aumenta com a temperatura, para os valores

abaixo do Ponto Curie do material.

(Ponto Curie é a temperatura acima da qual as substâncias ferromagnéticas

tornam-se compostos paramagnéticos)

- Relutividade:

É o inverso da permeabilidade.

- Densidade de Fluxo ou Indução Magnética:

Número de linhas de força por unidade de superfície perpendicular à propagação

do fluxo.

B = φ / A [Tesla = Weber/m2] (2)

- Intensidade de Campo Magnético:

É a força magnetomotriz por unidade de comprimento da trajetória do fluxo

magnética.

Mede a força ou intensidade de um campo magnético. É numericamente

proporcional ao número de linhas de fluxo por unidade de área do espaço livre.

H = F / l (3)

- Permeabilidade relativa:

A permeabilidade dos corpos, ou seja, a maior ou menor facilidade com que se

deixam atravessar pelo fluxo magnético, é expressa em função da permeabilidade no

vácuo, µ0, com a introdução do conceito de permeabilidade relativa.

µ = µ0 . µr

onde: µ0 = 4π.10-7 [A/m]

5.3. Classificação dos Materiais Quanto á Permeabilidade

5.3.1. Materiais Indiferentes

É o material que não exerce ação alguma sobre as linhas de força que

intercepta. Exemplo: cobre, madeira, plásticos, ar, etc. Sua permeabilidade

considerada referência é igual a µ0, µr = 1.

5.3.2. Materiais Diamagnéticos

Esses materiais afastam ligeiramente as linhas de força magnéticas que o

interceptam. Exemplo:

Substâncias µr

Ouro 1- 35.10-6

Mercúrio 1- 12.10-6

Prata 1- 20.10-6

Água 1- 175.10-6

Zinco 1- 10.10-6

Bismuto 0,9999986

Permeabilidade ligeiramente menor que µ0.

Obs: O bismuto tem sua resistência elétrica alterada quando atravessado pelo

fluxo magnético, sendo, por essa razão, aproveitado nos instrumentos de medição do

campo magnético.

5.3.3. Materiais Paramagnéticos

Esses materiais tendem a concentrar ligeiramente as linhas de força de um

campo magnético. Exemplo:

Substâncias µr

Alumínio 1+ 22.10-6

Paladium 1+ 690.10-6

Platina 1+ 330.10-6

Oxigênio 1+ 1,5.10-6

Berílio 1,000000079

Esses materiais tornam-se ferromagnéticos em temperaturas acima do Ponto

Curie.

5.3.4. Materiais Ferromagnéticos

Estes materiais concentram fortemente as linhas de força do campo magnético.

Sua permeabilidade é muito maior que a do vácuo. O ferro é, por excelência, o

principal elemento para aplicações magnéticas. Outros exemplos de materiais

magnéticos são:

Substâncias µr

Cobalto 60

Níquel 50

Ferro fundido 30 a 800

Aço 500 a 5.000

Ferro para transformar 5.500

Chapas – dínamo 4.000 a 6.000

Ferro muito puro 8.000

Metal um (Ni+Cr+Cu+Fe) 100.000

Obs. 1: Quando dois materiais de permeabilidades diferentes apresentam-se

como caminho para o fluxo magnético, este se dirige para o de maior permeabilidade;

é o princípio da relutância mínima, aplicado quando se necessita liberar um dispositivo

das influências magnéticas (blindagem magnética).

Obs. 2: Os materiais ferromagnéticos condutores apresentam um apreciável

efeito peculiar, mesmo nas baixas freqüências.

Obs. 3: Os materiais ferromagnéticos tornam-se paramagnéticos em

temperaturas superiores ao Ponto Curie do material.

Obs. 4: Os materiais ferromagnéticos, com o crescimento do fluxo circulante,

tendem a diminuir a sua permeabilidade, tanto mais rapidamente quanto mais se

aproximam da saturação.

5.4. Eletroímãs

Os mesmos efeitos dos imãs permanentes podem ser obtidos com o efeito

magnetizante da corrente elétrica. Um condutor, percorrido por uma corrente elétrica,

cria em torno de si um campo magnético (com o sentido determinado pela regra do

saca-rolha ou da mão direita), tanto mais intenso quanto maior for a corrente que o

percorre. Os fluxos de dois condutores vizinhos, conduzindo no mesmo sentido, se

compõem envolvendo o conjunto, o que nos mostra que as linhas de força magnética

nunca se cruzam.

Dois condutores paralelos, conduzindo corrente em sentidos opostos, tendem a

produzir linhas de força que se afastam entre si.

Enrolando-se o fio condutor em hélice, e seccionando-a em sentido axial, ter-se-

á o esquema a seguir para o campo magnético criado por uma corrente

unidimencional que o percorre.

Figura 1

As linhas de força, oriundas da ação magnetizante da corrente, formam um

campo magnético orientado, semelhante ao dos imãs permanentes. O aumento do

número de linhas de força será obtido aumentando-se a corrente que percorre a

bobina, ou o número de espiras por unidade de comprimento do circuito magnético, ou

o número de ampere-espira.

O número de amperes-espira de bobina, em conseqüência, constituirá a causa

da formatação do fluxo, e este, o efeito; o valor do fluxo dependerá também da

relutância do circuito magnético.

Assim, similarmente ao estabelecido para o circuito elétrico, ter-se-á, em

analogia, à Lei de Ohm:

φ = Fmm / R (4)

onde: φ - fluxo (efeito);

Fmm – força magnetomotriz (causa);

R – relutância (oposição).

A força magnetomotriz é fornecida pelo número de amperes-espira N.I, onde I é

a corrente que circula e N o número de espiras. O número de linhas de força oriunda

de uma Fmm unitária (pólo unitário) deverá ser 4π, uma vez que é colocado o pólo no

centro de uma esfera de raio unitário este deverá emitir uma linha de força por

unidade de área da oferta.

Em conseqüência, a Fmm será assim dimensionada:

Fmm = 4πNI (5)

Substituindo a (5) e a (1) equação na (4) equação, teremos:

φ = 4πNIµA / l (6)

Dividindo-se ambos os membros pela seção A do campo, virá a expressão da

densidade de fluxo:

B = 4πNIµ / l (7)

Sendo:

H = 4πNI / l (8)

Resulta:

B = µ H (9)

5.5. Meios de Propagação do Fluxo Magnético

Meio não-saturado: São os meios indiferentes, diamagnéticos e paramagnéticos,

onde a permeabilidade é aproximadamente constante e de valor próximo a µ0.

Meio saturável: São os materiais magnéticos, onde a permeabilidade magnética

é muito maior que µ0.

5.5.1. Curva de Saturação ou de Indução ou de Magnetização

A permeabilidade dos materiais magnéticos (alto µ) não é uma constante e sim

uma função de H; a expressão B = µ H, em conseqüência, não pode ser calculada e

sim obtida, experimentalmente, através de curvas levantadas para cada material.

Curva B x H

Todo material ferromagnético, submetido a uma magnetização, tende a se opor

ás variações de fluxo resultantes da excitação aplicada. Conseqüentemente, dizemos

que o material se opõe, a cada instante, tanto ao crescimento do fluxo, quanto ao seu

decréscimo.

Tal reação da origem ao fenômeno conhecido como histerese magnética no

material, ou laço de histerese, tanto maior quanto mais forte for a oposição

apresentada pelo mesmo.

Quando submetemos um material ferromagnético a uma excitação alternada H, a

densidade de fluxo B apresenta-se segundo uma curva chamada laço de histerese.

Figura 2

A histerese é uma forma de fricção magnética e, para um dado valor máximo de

densidade de fluxo, produz uma perda de potência por unidade de volume, que é

proporcional á freqüência e à área definida pelo laço da histerese,

Na figura 2, vêem-se dois laços de histerese de um determinado material

submetido as excitações máximas H1 e H2. Para excitações máximas superiores a

±H2, a densidade de fluxo B não mantém a mesma taxa de variação anterior, isto é,

teremos atingido a saturação magnética do material. A inclinação da curva resultante

da união dos bicos dos laços de histerese nos informa sobre permeabilidade do

material.

µ = ∆B / ∆H

Sendo a curva de indução B x H não-linear, concluímos que a permeabilidade

varia dinamicamente, apresentando maiores valores nas regiões afastadas dos níveis

de saturação.

As curvas B x H dos materiais magnéticos são indispensáveis nos cálculos e

projetos com esses componentes, sendo normalmente fornecidos pelos fabricantes

como parte de suas especificações.

5.6. Ligas Ferromagnéticas

A união do ferro com outros materiais produz ligas ferromagnéticas de especiais

propriedades. A mistura do níquel com o ferro, em proporções diversas, produz ligas

com variadas propriedades; exemplificando, a adição de 30% de níquel ao ferro

produz uma liga fracamente magnética e com condutividade percentual de 1,9%,

enquanto 78% de níquel, em uma liga convenientemente tratada pelo calor, nos

fornece uma alta permeabilidade.

Ferro-Níquel

As ligas de ferro-níquel são muito sensíveis ao tratamento pelo calor que lhes

aumenta a permeabilidade. Dentre elas destacamos:

Permalloy-78 (78,5% de níquel + ferro) – alta permeabilidade, alta densidade de

fluxo, campo magnético baixo, baixa perda por histerese.

Nicaloy (47 a 50% de níquel + ferro) – alta densidade de fluxo, alta

permeabilidade.

Ferro-Silício

Pequenas quantidades de silício ligadas ao ferro produzem apreciáveis efeitos

nos aspectos de inibição do envelhecimento do ferro e aumento da resistividade da

liga. A presença do silício diminui a intensidade de saturação do ferro, mas, em

compensação, praticamente é anulada a fadiga magnética do material, conseguindo-

se conservar constantes a permeabilidade e a perda por histerese. Sob o ponto de

vista mecânico, observa-se que, acima de certos teores, o silício torna a liga frágil e

difícil de se trabalhar.

Estas ligas são empregadas em:

- em motores fracionários, peças polares e em circuitos magnéticos de alta

permeabilidade;

- em geradores de melhor qualidade;

- em transformadores de potência pequena e média;

- em relés, reatores, e em circuitos magnéticos de medidores elétricos.

As chapas de ferro-silício de grão orientado são utilizadas na tecnologia de

núcleos dos transformadores trifásicos e monofásicos de potência elevada.

Núcleos em Pó de Ferro e Aglomerados

Pela tecnologia aplicada na obtenção dessas ligas há o aparecimento de

entreferros disseminados na estrutura.

Esses materiais ferromagnéticos são constituídos de grãos finos de ferro em pó,

isolados uns dos outros e comprimidos. É o material ideal para os núcleos de

pequenas bobinas e transformadores empregados em telefonia, eletrônica,

comunicações e transformadores de força. As perdas por histerese e correntes

parasitas de Foucault são reduzidas. Os entreferros existentes prejudicam a

permeabilidade que, no entanto, pode ser melhorada por tratamento térmico.

5.7. Envelhecimento

No ferro submetido a temperaturas elevadas durante grandes períodos (núcleo

de transformadores e rotores em serviço contínuo), desenvolve-se fadiga magnética,

que se manifesta por diminuição da permeabilidade e aumento das perdas por

histerese: é o envelhecimento do material. Um aquecimento prolongado, embora com

temperaturas baixas, 50°C, por exemplo, produzirá efeito apreciável sobre a

permeabilidade. Esse efeito aumenta com a temperatura, podendo as perdas por

histerese atingirem até 100% de aumento.

Os aços ao silício modernos (ferro+carbono+silício) tem características tais que

praticamente não envelhecem.

5.8. Impurezas no Ferro

No ferro são comuns o carbono, manganês, silício, cobre, enxofre, fósforo e

oxigênio. As impurezas, de um modo geral, aumentam as perdas por histerese e

diminuem a permeabilidade.

Carbono: Aumenta a resistividade, diminui a permeabilidade, baixa o ponto de

saturação, aumenta a força coercitiva e a retentividade.

Manganês: Proporções pequenas não são prejudiciais, quando atige 12%, o aço

se torna não-magnético.

Silício: Até 6,5% favorece as propriedades magnéticas, diminuindo, no entanto,

sua ductilidade (torna-se quebradiço). Alumínio, arsênico e estanho tem efeitos

similares, porém não tão bons.

Cobre: Até 0,5% favorece as propriedades magnéticas do ferro, aumentando sua

resistência à corrosão.

Enxofre, Fósforo e Oxigênio: de efeitos nocivos, devendo ser reduzidos até os

limites mais baixos possíveis.

5.9. Chapas e Cintas Magnéticas

Nome que se dá às chapas de ferro e aço silício utilizadas nos circuitos

magnéticos. Ligadas ao silício, constituem-se como melhor material para máquinas e

aparelhos elétricos, destinados a serviço contínuo. O silício tem por função impedir o

envelhecimento do ferro.

As chapas de melhor qualidade têm o maior percentagem de Si (4 a 5%). O Si

endurece o material, tornando-o quebradiço, razão pela qual não é ultrapassada a

porcentagem de 5% de Si nessas ligas. O custo dessas chapas sobe quanto mais

elevada for a porcentagem de Si (menores perdas).

As chapas magnéticas têm sua fabricação normalizada, sendo suas perdas

máximas tabeladas. O recebimento desse material, devidamente especificado,

consiste em si verificar se as perdas que apresentam excedem aos valores tabelados,

além de outros testes, claramente especificados em normas.

5.10. Imãs Permanentes

Força Coercitiva (HC): Ou coercivitiva é a força desmagnetizante capaz de

reduzir a indução residual a zero. É medida em Oersted.

Indução Residual (BR): Ou retentividade é a magnetização residual que

permanece no material após a redução da força desmagnetizante a zero.

Energia Interna do Imã: A qualidade de um material magnético para ser utilizado

como gerador magnético permanente (imã permanente) é dimensionada pelo produto

(HD x BD)max., isto é, pelo valor máximo do produto HDBD obtido da curva de

desmagnetização do material.

O tipo de liga empregado hoje em dia, e de mais ampla aplicação, é a fornecida

sob o nome de Alnico. Existe diversos tipos de Alnicos.

5.10.1. Estabilização por Tratamento Térmico

Os imãs tratados termicamente não se encontram, em geral, em condições

magnéticas estáveis, uma vez que pode ocorrer envelhecimento progressivo

espontâneo, durante períodos muito grandes.

Entende-se aqui por tratamento térmico aquele a que é submetido o aço para

fixação de sua dureza.

A fim de ser suprimida a possibilidade de envelhecimento espontâneo, usa-se o

processo de envelhecer o material artificialmente, até um ponto em que possa ser

considerado estável e adequado ao fim que se destina. O aço cobalto temperado a

950°C é envelhecido durante 5 horas a 100°C, com o que sofrerá uma diminuição

progressiva de sua força coercitiva e um aumento da indução residual.

5.10.2. Estabilização por desmagnetização Parcial

A deteriorização do imã permanente se dá principalmente por três razões:

- variação em sua estrutura interna;

- choques mecânicos;

- campos magnéticos exteriores.

Contornam-se as variações de estrutura interna pelo envelhecimento antecipado;

os eventuais choques mecânicos, submetendo-se o material a choques iniciais, de

modo a que venham a sofrer mais tarde não tenham influência; e os efeitos de

campos desmagnetizantes, por uma desimantação parcial.