CTM - Aula 15 - 2014/1

MATERIAIS MAGNETICOS

• Classificação dos Materiais Magnéticos
• Características dos Materiais Magnéticos
  • • Retentividade
    • Relutância
    • Permeância
    • Permeabilidade
    • Permeabilidade Relativa
    • Meios de Propagação do Fluxo Magnético
    • Intensidade de Campo Magnético
    • Densidade de Fluxo
    • Força Magnetomotriz
    • Curva de Magnetização (BxH)
    • Laço de Histerese
• Lei de Faraday e Lei de Lenz
• Circuitos Magnéticos Equivalentes
• Circuito Magnético em Entreferro de Ar
• Aplicações dos Materiais Magnéticos

Eletroímãs (Nyalla)

Definição

• O eletroímã é um dispositivo constituído por um núcleo ferromagnético (ferro, aço, níquel ou cobalto) envolvido por um solenoide(bobina). Quando as espiras da bobina são alimentadas por uma corrente, cria-se um campo magnético, o qual faz com que os ímãs elementares do núcleo ferromagnético se orientem, ficando assim imantado. Ou seja, o núcleo adquire as propriedades de um ímã enquanto o solenoide é percorrido por uma corrente elétrica.

• A intensidade do campo e a distância que ele atingirá a partir do eletroímã dependerão da intensidade da corrente aplicada e do número de voltas da espira. Além disso o campo magnético pode ser constante ou variável dependendo do tipo de corrente (constante ou alternada).

Arquivo:Eletroima2jpg

Aplicações

• Os eletroímãs são utilizados primariamente para mover coisas devido a propriedade magnética que adquirem quando percorridos por uma corrente. Essa função é aplicável em diversos dispositivos como motores, faróis automobilísticos, campainhas e autofalantes.
• Além disso, as diversas orientações que os ímãs elementares podem adquirir, conferem infinitos códigos, permitindo com que o eletroímã seja capaz de armazenar informações. Esse princípio é utilizado em fitas cassetes, discos-rígidos, cartão de memória, cartão de crédito, dentre outros.
• Os eletroímãs são ainda aplicados, quando têm suas propriedades magnéticas potenciadas, para separar o lixo em ferros-velhos, ou em portos para transporte de contêineres.

• Os disjuntores são eletroímãs que protegem um dispositivo qualquer de variações de corrente elevadas. Possuem basicamente a mesma função de fusíveis, mas ao contrário destes são reutilizáveis. São também, exemplos de dispositivos, que utilizam as funções do eletroímã, os telégrafos.

Curiosidades

• Don Ingber (Engenheiro Biomédico da Universidade de Harvard) desenvolveu uma máquina que usa um eletroímã para “sugar” bactérias e outros micro-organismos do sangue. Em testes de laboratório, a equipe de Ingber misturou sangue de um doador com o fungo Candida albicans, uma causa comum da sepsia, e adicionou peças de óxido de ferro com revestimento de plástico, cada uma com um diâmetro a um centésimo de um fio de cabelo e coberta por anticorpos que “buscavam” os fungos e se prendiam a eles. Posteriormente, eles filtraram a mistura em uma máquina que realizava um tipo de diálise usando um eletroímã para atrair as peças, e qualquer organismo patogênico preso à elas, e retirá-los do sangue para uma solução salina. O dispositivo remove 80% dos invasores – o suficiente para que drogas possam expulsar o restante- em algumas horas. Ainda é preciso realizar testes em animais para se certificar de que não o tratamento não traga riscos ao paciente, mas parece bem promissor. Se obtiver êxito no processo, Ingber pretende utilizar o processo para remoção de células cancerosas.

Relés (Nyalla)

Definição

• Basicamente, uma relé é um interruptor acionado eletricamente ou um interruptor eletromecânico. Ou seja, possui um circuito de comando (ou primário), que quando alimentado por uma corrente, aciona um eletroímã que realiza o deslocamento e promove o contato com outro circuito (secundário ou comandado). Portanto o relé serve como ponte de circuitos que podem apresentar aspectos bem diferentes. Sendo assim, uma das vantagens da utilização do relé é utilizar-se de baixas correntes para o comando no primeiro circuito, protegendo o operador das possíveis altas correntes que irão circular no segundo circuito. Além disso, visto que, o circuito de carga está completamente isolado do de corrente, pode-se trabalhar com tensões diferentes entre controle e carga.

• As desvantagens características dos relés é o fator de desgaste que está intrínseco a diversos componentes mecânicos. A vida útil do relé pode ser ainda menor caso não observadas suas limitações quanto a corrente e a tensão máxima admitidas entre os terminais.

• Quando a corrente que passa pela bobina é interrompida o campo magnético também cessa, o que faz com que os contatos retornem às suas posições originais. Os relés podem ter diversas configurações quanto aos seus contatos: NA (normalmente aberto), NF (normalmente fechado) ou ambos, neste último caso há um contato comum ou central. Os contatos NA são aqueles que estão abertos enquanto a bobina não está energizada e que fecham, quando a bobina recebe corrente. Os NF abrem-se quando a bobina recebe corrente, ou seja, o inverso dos NA. O contato central é o comum, isto é, quando o contato NA fecha é com o C que se estabelece a condução e o contrário ocorre com o NF.

Aplicações

• Os relés são comuns em eletrodomésticos, geralmente quando existe um controle eletrônico que liga algo com um motor ou uma lâmpada. Eles também são muito comuns em carros, onde a fonte de energia de 12V significa que quase tudo no carro precisa de uma grande quantidade de corrente. Nos modelos mais atuais, os fabricantes combinam os painéis na caixa de fusíveis para facilitar a manutenção.

Curiosidades

• O primeiro “bug” da história ocorreu devido ao comprometimento no funcionamento de um relé, em um computador, quando uma mariposa (” bug” no inglês) foi morta pelo interruptor de um relé.

Contatores (Nyalla)

Definição

• Quando tem-se uma forte carga indutiva nesses motores, suas correntes iniciais podem alcançar valores de centenas ou milhares de ampères. O arco formado na abertura dos contatos, e o efeito de repique no fechamento poderiam distribuir de forma aleatória a corrente pela superfície desses contatos causando sua queima em pouco tempo. Ao desligar uma lâmpada eletrônica em ambientes residenciais, a forte carga indutiva que ela representa, causa faíscas nos contatos do interruptor que são facilmente percebidas. Essas faíscas também são a causa da rápida deterioração dos interruptores que, em pouco tempo, começam a falhar. Para controlar correntes intensas é preciso usar interruptores que tenham características especiais como: alta velocidade na abertura e fechamento de contatos, além de uma grande superfície de contato. Com a finalidade de suprir essas necessidades foi feito o contator.

• Um contator pode ser definido, segundo o Dicionário Brasileiro de Eletricidade, como um dispositivo mecânico de manobra de operação manual, que tem uma única posição de repouso e é capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições normais do circuito. Portanto, o contator a partir de um circuito de comando pode efetuar o controle de cargas em circuito de potência. Essas cargas podem ser de qualquer tipo, de tensão diferente do circuito de comando, e conter múltiplas fases.

• O funcionamento padrão dos contatores dá-se da seguinte forma: quando a bobina eletromagnética é energizada, forma-se um campo magnético que se concentra na parte fixa do dispositivo e atrai o núcleo móvel, onde estão localizados os contatos móveis, que, por consequência, também são deslocados. O comando da bobina é feito por meio de uma botoeira com duas posições, que tem seus elementos ligados à bobina. A velocidade de fechamento dos contatos é uma junção da força proveniente da bobina e da força mecânica das molas de separação que atuam em sentido contrário. As molas de compressão são também as responsáveis pela velocidade de abertura do circuito, quando a alimentação da bobina cessa.

Aplicações

• Como um dispositivo mecânico de manobra, o contator pode estabelecer, conduzir e interromper correntes elétricas em condições normais de cargas como motores, iluminação, banco de capacitores, resistências e circuitos auxiliares, etc.é ainda utilizado para ligar e desligar circuitos de comando, sinalização, controle, interface com processadores eletrônicos, etc. Assim, a partir de um circuito de comando, ele faz o controle de cargas em um circuito de potência.

Curiosidades

• O contator é o dispositivo de manobra mais utilizado na industrias e nas instalações elétricas prediais. É um dispositivo que permite, por exemplo, a partida direta de motores assíncronos trifásicos, suportando uma corrente de partida várias vezes maior que a designada.

Disjuntores Termo-magnéticos - (Guilherme)

Definição

• O disjuntor termomagnético é um daqueles dispositivos que todos temos no quadro elétrico situado à entrada de energia elétrica de nossas casas.
• Os disjuntores são dispositivos capazes de atuar na proteção de correntes de curto-circuito ou em casos de sobrecarga. Quando à uma corrente superior a que ele suporta, ele interrompe o fluxo de energia instantaneamente evitando assim, prejuízos aos equipamentos ligado a ele.
• Cada um dos disjuntores é responsável por proteger uma parte da nossa instalação elétrica (iluminação, tomadas, máquina de lavar roupa, etc.).
• A capacidade do disjuntor de rearmar foi um dos principais aspectos que levou à popularização doméstica desses dispositivos. Anteriormente, os fusíveis eram usados como os principais dispositivos de proteção nos circuitos elétricos. Apesar de os dois atuarem a partir do mesmo princípio, que é a interrupção da condução de energia elétrica, os modos de atuação são bem distintos. O fusível, depois de disparado, funde e não pode ser reutilizado. O disjuntor, entretanto, pode ser rearmado e utilizado, em média, quatro mil vezes.
• Destinados para ambientes de baixa tensão com corrente de até 125 ampères, esses equipamentos são conhecidos popularmente como mini-disjuntores, dado o seu tamanho compacto (que cabe na palma da mão) e a sua simplicidade tecnológica, comparado aos disjuntores industriais de média e alta tensão que podem ser bem mais complexos e de grandes dimensões.
• Os mini-disjuntores são, na verdade, disjuntores termomagnéticos. Esse termo tem origem na tecnologia utilizada nos seus mecanismos de detecção de sobrecorrentes. São, ao todo, dois mecanismos com duas tecnologias distintas: um mecanismo é responsável por perceber a corrente de sobrecarga, por meio de lâminas bimetálicas, e o outro mecanismo faz a detecção da corrente de curto-circuito, por meio da tecnologia de campo eletromagnético.

Funcionamento

• No caso de sobrecarga, que nada mais é do que exigir do circuito mais do que ele foi projetado para suportar, o disparador bimetálico (também conhecido como disparador de sobrecarga) entra em ação. Como o bimetal é composto por dois ou mais metais trefilados com coeficientes de dilatação diferentes, quando a alta corrente elétrica aquece os condutores e, por consequencia, os disjuntores, os metais sofrem uma deformação. Essa deformação, que encurva o bimetal, dispara (ou desliga) os contatos fixo e móvel do disjuntor e interrompe a condução elétrica.
• Uma situação de sobrecarga pode surgir pelo aumento da demanda momentânea de energia, que pode acontecer, por exemplo, com a ligação de diversos materiais elétricos em um só circuito, isso, claro, se exigir mais do que ele foi planejado para suportar.

• Mas nem sempre o disjuntor precisa desarmar em situação de sobrecarga. Existem alguns tipos de sobrecargas temporárias que são consideradas como corriqueiras, para as quais os disjuntores devem resistir sem disparar. É o caso, por exemplo, da partida do motor de algum aparelho elétrico. Essa sobrecarga temporária provocada pelo pico de corrente de um equipamento é chamada de corrente de partida. Esse tipo de situação deve ser previsto no projeto elétrico e levado em consideração na hora de escolher o disjuntor. Apesar de ser uma sobrecarga, por ser transitória, ela deve ser tolerável.
• Como o desarme do disjuntor em situação de sobrecarga é realizado pelo aquecimento dos metais do disparador bimetálico, essa proteção também pode ser chamada de proteção térmica.
• O disjuntor residencial tem um mecanismo de curto-circuito que utiliza como tecnologia de disparo o campo magnético. Esse disparador é chamado de disparador magnético ou de disparador instantâneo de curto-circuito. Neste mecanismo, responsável pela detecção e pela abertura do disjuntor, é utilizada uma bobina ou algum outro elemento magnético.
• O aumento brusco da corrente causa um efeito eletromagnético no disjuntor. Isso acontece porque em torno do disparador magnético, ou armadura, há um condutor elétrico envolto em um eletroímã com uma parte móvel. No instante em que a corrente passa, dada a sua intensidade, é criado um campo magnético que faz o eletroímã (armadura) atrair a parte móvel, o que acaba abrindo os contatos do disjuntor e interrompendo a transmissão da corrente.

• Entretanto, essa rápida abertura dos contatos fixo e móvel provoca uma faísca conhecida como arco elétrico ou arco voltaico que continua, por um tempo, a transmitir a corrente pelo ar. Para que o curto-circuito seja completamente interrompido, esse arco elétrico também precisa ser extinto. Nos disjuntores há, então, um componente chamado câmara de extinção de arco, cuja função é dissipar esse arco voltaico. Segundo a norma brasileira de disjuntores de uso residencial, a extinção completa do curto-circuito, incluindo o fim do arco, deve acontecer em, no máximo, 0,01 segundo.

Curva de Disparo

• A curva de disparo mostra, em forma de gráfico, o tempo em segundos (eixo “x”) que o disjuntor leva para interromper o circuito, em situações de curto, sob o valor da corrente que passa por ele (eixo “y”). Essa curva é definida a partir da corrente nominal do disjuntor, que é a corrente para a qual ele foi projetado.
• São, também, divididos em curva de disparo B, C e D. (Figura 4) Essas curvas têm relação com a sensibilidade e ação do disjuntor diante de uma situação de curto-circuito.

• A norma de proteção estabelece que os disjuntores de curva B devem atuar para correntes de curto-circuito entre três e cinco vezes a corrente nominal. Enquanto isso, os de curva C atuam entre cinco e dez vezes a corrente nominal e, por fim, os disjuntores de curva D devem responder para correntes entre dez e vinte vezes a corrente nominal.
• Os disjuntores de curva B são indicados para cargas resistivas com pequena corrente de partida, como é o caso de aquecedores elétricos, fornos elétricos e lâmpadas incandescentes. Já os de curva C são indicados para cargas de média corrente de partida, como motores elétricos, lâmpadas fluorescentes e máquinas de lavar roupas. Por fim, os disjuntores de curva D são indicados para cargas com grande corrente de partida, a exemplo de transformadores BT/BT (baixa tensão).
• Exemplo: “Um disjuntor curva C de 20 A irá interromper uma corrente de curto-circuito sempre que ela estiver entre 100 A (5 x 20 A) e 200 A (10 x 20 A). Usar curva B, C ou D depende das características das correntes elétricas de cada circuito e a decisão cabe ao projetista.”
• A norma de instalações elétricas de baixa tensão NBR 5410 estabelece que, em circuitos fase-neutro, devem ser utilizados disjuntores unipolares, enquanto que, em circuitos fase-fase, se utilizam disjuntores bipolares e, por fim, em circuitos trifásicos o disjuntor utilizado será um tripolar.

Arquivo:Imagemdisjuntor.jpg

Curiosidade

Curiosidade

• Nas primeiras décadas do século XX, quando o disjuntor foi inventado, o número de incêndios provocados pelos superaquecimentos dos condutores em curto e pela utilização imprudente desses equipamentos por pessoas leigas crescia. Comumente, nessa época, quando os fusíveis desarmavam, devido a uma sobrecorrente, usuários comuns os substituíam por outros e acrescentavam um perigoso elemento extra: uma moeda, que serviriam para impedir que o fusível derretesse os contatos e continuasse a conduzir a corrente pelo metal da moeda, que possui alta temperatura de fusão.
• Dessa forma, com o trato de usuários leigos que desconheciam (ou ignoravam) os perigos da eletricidade, era necessário outro dispositivo que atuasse da mesma forma, fazendo a proteção e impedindo a circulação da corrente, mas que agregasse outras funcionalidades ao simples fusível. Assim, foi inventado o disjuntor como o conhecemos hoje. Não se sabe ao certo quem foi o inventor e em que data, especificamente, isso se deu. Mas sabe-se, contudo, que a fabricação, em série, dos até então novos dispositivos de proteção, era feita pelas mesmas empresas que produziam os fusíveis.
• O engenheiro eletricista Luiz Eustáquio da Silva conta que “a primeira patente que foi requerida para disjuntores foi da Westinghouse na década de 1920. Ela foi a primeira empresa a registrar a propriedade industrial de um equipamento com essas características”. E foi pela mesma Westinghouse, e também pela General Electric, que os disjuntores residenciais começaram a ser fabricados no Brasil na década de 1960. Até esse período, os dispositivos que eram usados no País eram importados.
• Com o bom desenvolvimento brasileiro dos anos 1970, este produto encontrou maior mercado e seu uso foi popularizado até se consolidar nas décadas seguintes. Hoje, pensando em proteção de instalação elétrica doméstica e de edificações análogas, como comercial e de serviços, praticamente só se utiliza o disjuntor como dispositivo.

https://www.youtube.com/watch?v=QgOokWIqoTM

Campainha - (Guilherme)

Definição

• A campainha elétrica é um dispositivo utilizado em diversas residências que, quando acionado, emite um som.

*A campainha elétrica é uma dentre as muitas aplicações dos eletroímãs, que são dispositivos formados por um núcleo de ferro inserido em um solenoide (bobina). Quando uma corrente elétrica é estabelecida na bobina do eletroímã, cria-se um campo magnético capaz de atrair outros materiais magnéticos.

Funcionamento

Arquivo:Campainhafuncionamento.jpg

• Quando alguém pressiona o botão da campainha, o circuito é fechado e uma corrente elétrica é estabelecida em seu interior. Com isso, o eletroímã é carregado e gera um campo magnético, atraindo assim o badalo (isso ocorre porque o eletroímã passa a se comportar como um imã). No momento em que o badalo é atraído pelo eletroímã, ele se choca com o gongo e provoca o barulho da campainha. Depois que isso ocorre, a corrente elétrica no sistema é cessada e o badalo volta para a sua posição de origem. Sempre que a campainha é acionada, apertando-se seu botão, esse processo se repete.

https://www.youtube.com/watch?v=O7RXA7xNi2Y

Motores e Geradores Elétricos - (Guilherme)

• Motores e geradores tem funcionamento similar, estudá-los é interessante para compreender o fenômeno do eletromagnetismo usando situações reais, como a geração de energia elétrica de uma usina hidroelétrica, o funcionamento de motores pequenos como o de um carrinho de brinquedo elétrico, até motores pesados como de maquina de grande porte.

Funcionamento e Aplicações

• O funcionamento de ambos está baseado no fenômeno da indução eletromagnética, ou Lei de Faraday. Ela diz que a corrente elétrica induzida num circuito elétrico fechado, é proporcional a variação do fluxo magnético induzido no circuito. Uma experiência que comprova esse fato é aproximar um imã de uma espira de fio metálico, conectado a um galvanômetro, o instrumento vai acusar a passagem de uma corrente elétrica induzida na espira. Para que a corrente seja induzida, não basta apenas a presença do campo magnético, mas é necessária que esse campo magnético varie, uma forma que conseguir isso é movimentar o imã próximo a espira de fio.

• Esse é o principio de funcionamento dos geradores de eletricidade, no caso de uma usina hidrelétrica, um rotor, com material ferromagnético e imãs no seu interior, gira com a força da queda da água, e induz corrente elétrica através da variação do fluxo magnético.

• O fluxo magnético é dado pelo produto da intensidade do campo magnético pela unidade de área. Ou seja:

                                                                                Fm = B * A

• Podemos variar o fluxo magnético, variando a intensidade do campo magnético, ou modificando a área atravessada pelo fluxo magnético.

Os motores elétricos são compostos basicamente por duas partes, uma móvel e uma fixa.

• Nos motores de corrente contínua, a parte fixa é formada por imas, e a parte móvel por um conjunto de bobinas, quando a corrente elétrica atravessa a bobina, o campo magnético gerado nos fios se opõe ou é atraído, dependendo da posição da bobina, ao campo magnético do imã, movimentando o rotor.

https://www.youtube.com/watch?v=M21WnDaC8Ys

Transformadores - (Guilherme)

• A energia elétrica, produzida em grande quantidades nas usinas, precisa ser transmitida até os centros consumidores e, por sua vez, distribuída a cada consumidor. Portanto, em um sistema de geração, transmissão e distribuição costumam coexistir grandes e pequenos fluxos de energia.
• No transporte de energia elétrica existe uma relação direta entre o nível de tensão e a quantidade de potência ativa transmitida, ou seja, quanto maior a tensão, maior a potência transmitida. Por exemplo, uma linha de transmissão trifásica de 230 kV é capaz de transmitir cerca de 200 MW, uma linha de 500kV tem capacidade para transmitir 1200 MW e uma linha de 750 kV cerca de 2200 MW. Isso então permite controlar a quantidade de potência transmitida simplesmente variando-se o nível de tensão ao longo do sistema, o que é facilmente realizado, em circuitos de corrente alternada, através de transformadores.

Definição

• Pode-se definir transformador de tensão como um dispositivo eletromagnético, constituído por enrolamentos em núcleos de material ferromagnético, que interconecta dois níveis de tensão em um circuito elétrico.
• Os transformadores podem ser monofásicos ou trifásicos, dependendo do tipo de circuito onde estão conectados.
  • Um transformador monofásico é constituído por dois enrolamentos (bobinas) instalados em um mesmo núcleo de material ferromagnético, como

ilustra o desenho esquemático abaixo. Note que um dos enrolamentos é chamado primário e o outro chamado secundário, sendo que cada um deles pode ter um número de espiras diferente.

• Todo transformador é uma máquina elétrica cujo princípio de funcionamento baseia-se na lei de Faraday e na Lei de Lenz.
• A lei de Faraday consiste basicamente em que ao introduzir um ímã em uma bobina esta acusa a presença de uma corrente elétrica na mesma.
• A lei de Lenz, que permite indicar o sentido da corrente induzida.O sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que lhe deu origem

Aplicações

• Aquele transformador que você vê na rua é um típico transformador de potencia trifásico, este recebe a tensão que vem da estação de distribuição, que está no nível de 13,8 KV (13800 Volts) e transforma em 127V e 220V.

• O transformador que você usa em casa, é um transformador monofásico, ele transforma tanto 127V em 220V como 220V em 127V.

• E ainda existem os transformadores usados em circuitos eletrônicos, que transformam a tensão da sua rede em tensões significativamente menores.