Grandezas Magnéticas - e-learning-IEFP

Grandezas Magnéticas
Notas:
Força e Campo Magnético
A força magnética tem origem no movimento das cargas eléctricas.
Considere os dois fios condutores paralelos e imersos no espaço vazio
representados na Figura 1 e suponha que o comprimento (l) é muito
superior à distância respectiva (l>>d), que a secção é infinitesimal
(r<<d) e que ambos são percorridos por correntes eléctricas
lentamente variáveis no tempo, i1 e i2.
(a)
(b)
Fig.1 – Força magnética exercida entre dois fluxos de corrente eléctrica: a) Correntes
de sentido oposto; b) Correntes com o mesmo sentido.
Nestas condições, entre os dois fios condutores estabelece-se uma
força de índole magnética cuja intensidade é
F=
μ 0 i1i2
l
2π d
N, Newton
em que µ0=4×10-7 Wb/Am (weber/ampére-metro) define a constante
universal designada por permeabilidade magnética do vazio.
A força é tanto maior quanto mais longos e próximos se encontrarem
os condutores ou, em alternativa, quanto mais elevadas forem as
correntes que os percorrem.
A direcção da força magnética e a da corrente eléctrica são
perpendiculares entre si, sendo de repulsão o sentido da força no caso
de fluxos discordantes (Figura 1.a) e de atracção no caso inverso
(Figura 1.b).
Convém lembrar que a ausência de corrente em qualquer dos dois
fios condutores determina a ausência da força magnética.
Por conseguinte, cargas eléctricas em repouso são transparentes do
ponto de vista do campo magnético, isto é, não geram nem são
afectadas pelo campo magnético.
Na Figura 2, estão representadas as direcções e os sentidos das três
grandezas de um campo magnético, as quais têm uma direcção que,
em cada ponto do espaço, é tangencial à circunferência. O centro
desta é o condutor e o sentido é obtido a partir da conhecida Lei do
Saca-Rolhas.
O campo magnético e as linhas de força coincidem na direcção
respectiva, verificando-se serem circulares em torno do condutor.
Fig.2 – Vectores corrente eléctrica, campo e força magnética.
Na Figura 3, estão ilustrados diversos caminhos fechados de corrente
vulgarmente utilizados na realização de bobinas.
Fig.3 – Espira (a) e bobinas com núcleo cilíndrico (b) e toroidal (c)
Notas:
Fluxo e Densidade de Fluxo Magnético
Define-se densidade de fluxo magnético como sendo o produto da
permeabilidade magnética do meio pelo vector campo magnético
(expressa em Tesla “T”).
B = μ0 × H
Ao contrário do campo magnético, que como se viu é uma grandeza
independente da natureza do material no qual se encontra imerso o
fluxo de corrente, a densidade de fluxo define uma grandeza cuja
intensidade se encontra intimamente relacionada com as
propriedades magnéticas do material, em particular a sua
permeabilidade às linhas de fluxo.
Indutância
A indutância (L) é o parâmetro que relaciona a corrente eléctrica com
o fluxo magnético gerado e cuja unidade é o henry, H.
Φ = L×i
Considere os dois fios condutores paralelos representados na Figura
4.
Fig. 4 - Indutância de dois condutores paralelos
Suponha que os condutores são percorridos por correntes eléctricas
com sentidos opostos e intensidade idêntica, i1=i2=i. Nestas
condições, a intensidade do campo magnético gerado por qualquer
um dos dois condutores num ponto P do plano (no plano definido
pelos dois condutores) é dada pela expressão
H 1 ou 2 =
1 i1 ou 2
2π x1 ou 2
em que x1 ou 2 define a distância entre o condutor-1 ou -2 e o ponto.
Notas:
Fenómeno da Indução Electromagnética
A indução electromagnética é o fenómeno através do qual se geram
tensões e correntes eléctricas a partir das variações na intensidade do
fluxo magnético. Como se indica na Figura 5, existe indução de uma
tensão eléctrica aos terminais de um condutor quando:
•
O condutor se move cortando as linhas de fluxo do campo
magnético (a);
•
Uma espira (ou N espiras) se move num campo constante no
tempo mas variável no espaço (conforme se indica em (b), o fluxo
que atravessa a espira varia em função da posição);
•
O condutor (ou a espira ou as N espiras) se encontra imóvel mas
o fluxo apresenta variações temporais (c);
•
O condutor se encontra imóvel mas imerso num fluxo variável no
tempo gerado pela sua própria corrente (d).
Considere o caso relativamente simples do fio condutor representado
na Figura 5.a, movendo-se em direcção perpendicular às linhas do
fluxo magnético.
Existindo no seio do condutor cargas eléctricas livres (electrões), o
seu transporte em conjunto com o condutor corresponde, para todos
os efeitos, à presença de uma corrente no sentido contrário ao do
deslocamento.
Como tal, o produto externo do campo pela corrente conduz a uma
força magnética no sentido indicado na figura. Essa força desloca e
acumula as cargas eléctricas negativas num dos extremos do fio
condutor (deixando a extremidade oposta vazia de electrões, isto é,
carregada positivamente).
O acumular de cargas opostas nas duas extremidades do fio condutor
equivale ao estabelecimento de uma tensão eléctrica designada por
força electro-motriz induzida (f.e.m.).
Notas:
Notas:
(a)
(b) fluxo constante no tempo
mas variável no espaço
(c) fluxo variável no tempo
(d) corrente variável no tempo
Fig. 5 - Fenómeno da indução electromagnética
A situação (iv) (Figura 5.d) indica que o fluxo magnético gerado por
um qualquer fluxo de corrente variável no tempo induz aos terminais
da sua própria estrutura uma tensão eléctrica. A Lei de Faraday
estabelece que a intensidade da força electro-motriz induzida é:
v(t ) =
dΦ (t )
dt
Notas:
Coeficientes de Auto-Indução e de Indução Mútua
No caso de uma bobina com N espiras (Figura 6.a), a intensidade da
tensão eléctrica induzida aos seus terminais é expressa pela relação:
v(t ) =
dΦ N −espiras (t )
dt
=N
dΦ 1−espira (t )
dt
a qual, tendo em conta que Φ = L i, se pode escrever na forma:
v(t ) = L
di (t )
dt
(a)
(b)
Fig.6 – Coeficiente de auto-indução de uma bobina (a) e de indução mútua entre
bobinas (b)
O parâmetro L é, neste caso, mais propriamente designado por
coeficiente de auto-indução da bobina.
Considere agora uma segunda bobina que partilha algum do fluxo
gerado pela bobina anterior (Figura 6.b).
Neste caso, aos terminais da segunda bobina é induzida uma tensão
eléctrica de intensidade
v(t ) = k ×
dΦ1−espira (t )
dt
× N2 = M
di1
dt
em que N2 é o número de espiras da segunda bobina e k é um
coeficiente inferior à unidade representativa da percentagem do fluxo
magnético gerado pela bobina-1 e que atravessa a segunda bobina.
O factor M é designado por coeficiente de indução mútua,
estabelecendo assim a relação entre as variações da corrente na
primeira bobina e a tensão induzida na segunda.
Notas: