Eletroímã: composição, peças, como funciona e aplicações

Um eletroímã é um dispositivo que produz magnetismo a partir da corrente elétrica. Se a corrente elétrica cessar, o campo magnético também desaparece.Em 1820, descobriu-se que uma corrente elétrica produz um campo magnético em seu entorno. Quatro anos depois, o primeiro eletroímã foi inventado e construído.

O primeiro eletroímã consistia em uma ferradura de ferro pintada com verniz isolante, e dezoito voltas de fio de cobre sem isolamento elétrico foram enroladas nele.

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Figura 1. Eletroímã. Fonte: pixabay

Os eletroímãs modernos podem ter várias formas, dependendo do uso final que receberão; e é o cabo que é isolado com verniz e não o núcleo de ferro. A forma mais comum do núcleo de ferro é a cilíndrica, na qual o fio de cobre isolado é enrolado.

Um eletroímã pode ser feito apenas com o enrolamento que produz um campo magnético, mas o núcleo de ferro multiplica a intensidade do campo.

Quando a corrente elétrica passa pelo enrolamento de um eletroímã, o núcleo de ferro é magnetizado. Ou seja, os momentos magnéticos intrínsecos do material se alinham e se somam intensificando o campo magnético total.

O magnetismo como tal é conhecido desde pelo menos 600 aC, quando os contos gregos de Mileto falam em detalhes sobre o ímã. A magnetita, um minério de ferro, produz magnetismo natural e permanentemente.

Vantagens dos eletroímãs

Uma vantagem indiscutível dos eletroímãs é que o campo magnético pode ser estabelecido, aumentado, diminuído ou removido através do controle da corrente elétrica. Ao fabricar ímãs permanentes, eletroímãs são necessários.

Agora, por que isso acontece? A resposta é que o magnetismo é intrínseco à matéria e à eletricidade, mas ambos os fenômenos se manifestam apenas sob certas condições.

No entanto, pode-se dizer que a fonte do campo magnético está movendo cargas elétricas ou corrente elétrica. Dentro da matéria, no nível atômico e molecular, são produzidas essas correntes que produzem campos magnéticos em todas as direções que se cancelam. É por isso que os materiais normalmente não mostram magnetismo.

A melhor maneira de explicar isso é pensar que dentro da matéria existem pequenos ímãs (momentos magnéticos) que apontam em todas as direções, para que seu efeito macroscópico seja cancelado.

Nos materiais ferromagnéticos, os momentos magnéticos podem alinhar e formar regiões chamadas domínios magnéticos . Quando um campo externo é aplicado, esses domínios são alinhados.

Quando o campo externo é removido, esses domínios não retornam à sua posição aleatória original, mas permanecem parcialmente alinhados. Desta forma, o material é magnetizado e forma um ímã permanente.

Composição e partes de um eletroímã

Um eletroímã é composto por:

– Enrolamento de cabo isolado com verniz.

– Um núcleo de ferro (opcional).

– Uma fonte atual, que pode ser contínua ou alternada.

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Figura 2. Partes de um eletroímã. Fonte: elaboração própria.

O enrolamento é o condutor através do qual a corrente produzida pelo campo magnético passa e é enrolada na forma de uma mola.

No enrolamento, as curvas são geralmente muito próximas. Por isso, é extremamente importante que o cabo com o qual o enrolamento seja fabricado tenha um isolador elétrico, o que é obtido com um verniz especial. O objetivo do envernizamento é que, mesmo quando os giros são agrupados e tocados entre si, eles são mantidos eletricamente isolados e a corrente continua em um curso em espiral.

Quanto mais grosso o condutor de enrolamento, maior a intensidade de corrente que o cabo suporta, mas limita o número total de voltas que podem ser roladas. É por esse motivo que muitas bobinas eletromagnéticas usam um cabo fino.

O campo magnético produzido será proporcional à corrente que passa pelo condutor do enrolamento e também proporcional à densidade do enrolamento. Isso significa que quanto mais voltas por unidade de comprimento forem colocadas, maior a intensidade do campo.

Quanto mais apertados os enrolamentos, maior o número que se encaixa em um determinado comprimento, aumentando sua densidade e, portanto, o campo resultante. Essa é outra razão pela qual os eletroímãs usam cabos isolados com verniz em vez de plástico ou outro material, o que aumentaria a espessura.

Solenóide

Em um eletroímã solenóide ou cilíndrico como o mostrado na Figura 2, a intensidade do campo magnético será dada pela seguinte relação:

B = μ⋅n⋅I

Onde B é o campo magnético (ou indução magnética), que em unidades do sistema internacional é medido em Tesla, μ é a permeabilidade magnética do núcleo, n é a densidade de voltas ou número de voltas por metro e, finalmente, a corrente I que circula pelo enrolamento medido em amperes (A).

A permeabilidade magnética do núcleo de ferro depende de sua liga e geralmente é entre 200 e 5000 vezes a permeabilidade ao ar. Nesse mesmo fator, o campo resultante é multiplicado em relação ao de um eletroímã sem núcleo de ferro. A permeabilidade ao ar é aproximadamente igual à do vácuo, que é µ = 1,26 × 10 -6 T * m / A.

Como funciona?

Para entender o funcionamento de um eletroímã, é necessário entender a física do magnetismo.

Vamos começar com um cabo reto simples que carrega uma corrente I, essa corrente produz um campo magnético B ao redor do cabo.

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Figura 3. Campo magnético produzido por um cabo reto. Fonte: Wikimedia Commons

As linhas do campo magnético ao redor do fio reto são círculos concêntricos ao redor do fio condutor. As linhas do campo estão de acordo com a regra da mão direita, ou seja, se o polegar da mão direita apontar na direção da corrente, os outros quatro dedos da mão direita indicarão a direção do movimento das linhas do campo magnético.

Campo magnético de um cabo reto

O campo magnético devido a um fio reto a uma distância r é:

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Suponha que dobremos o cabo para que ele forme um círculo ou um loop, e então as linhas do campo magnético da parte interna do cabo se juntem, apontando todas na mesma direção, adicionando e reforçando. Na parte interna do loop ou círculo, o campo é mais intenso do que na parte externa, onde as linhas do campo se separam e enfraquecem.

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Figura 4. Campo magnético produzido por um fio circular. Fonte: Wikimedia Commons

O campo magnético no centro de uma espiral

O campo magnético resultante no centro de uma bobina de raio de um transportando uma corrente I é:

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O efeito é multiplicado se cada vez que dobrarmos o cabo para que ele tenha duas, três, quatro, … e muitas voltas. Quando enrolamos o cabo na forma de uma mola com giros muito próximos, o campo magnético dentro da mola é uniforme e muito intenso, enquanto no exterior é praticamente zero.

Suponha que enrolemos o cabo em uma espiral de 30 voltas em 1 cm de comprimento e 1 cm de diâmetro. Isso fornece uma densidade de giro de 3000 giros por metro.

Campo magnético do solenóide ideal

Em um solenóide ideal, o campo magnético interno é dado por:

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Em resumo, nossos cálculos para um cabo que conduz 1 amp de corrente e calcula o campo magnético em microteslas, sempre a 0,5 cm de distância do cabo em diferentes configurações:

  1. Cabo reto: 40 microteslas.
  2. Cabo em um círculo de 1 cm de diâmetro: 125 microteslas.
  3. Espiral de 300 voltas em 1 cm: 3770 microteslas = 0,003770 Tesla.

Mas se adicionarmos à espiral um núcleo de ferro com permissividade relativa de 100, o campo é multiplicado 100 vezes, ou seja, 0,37 Tesla.

Também é possível calcular a força que o eletroímã solenóide exerce sobre uma seção do núcleo de ferro da seção transversal A :

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Assumindo um campo de saturação magnética de 1,6 Tesla, a força por metro quadrado da seção da área do núcleo de ferro exercida pelo eletroímã será 10 ^ 6 Newton equivalente a 10 ^ 5 Quilogramas de força, ou seja, 0,1 toneladas por metro quadrado de seção transversal.

Isso significa que um eletroímã de saturação de 1,6 Tesla exerce uma força de 10 kg em um núcleo de ferro de 1 cm 2 de seção transversal.

Aplicações de eletroímãs

Os eletroímãs fazem parte de muitos dispositivos e dispositivos.Por exemplo, eles estão presentes dentro:

– Motores elétricos.

– Alternadores e dínamos.

– Oradores

– Relés ou suiches eletromecânicos.

– sinos elétricos.

– Válvulas solenóides para controle de fluxo.

– Discos rígidos de computador.

– Guindastes de sucata.

– Separadores metálicos de resíduos urbanos.

– elétrica estação de freios e caminhão s .

– Máquinas de ressonância magnética nuclear.

E muito mais dispositivos.

Referências

  1. García, F. Campo Magnético. Recuperado em: www.sc.ehu.es
  2. Tagueña, J. e Martina, E. O magnetismo. Da bússola à rotação. Recuperado de: bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
  3. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14 th . Ed. Volume 2. 921-954.
  4. Wikipedia Eletroímã Recuperado de: wikipedia.com
  5. Wikipedia Eletroímã Recuperado de: wikipedia.com
  6. Wikipedia Magnetização Recuperado de: wikipedia.com

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