Eletroímã: composição, peças, como funciona e aplicações - Ciência - 2023

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UMA eletroímã É um dispositivo que produz magnetismo a partir da corrente elétrica. Se a corrente elétrica cessar, o campo magnético também desaparecerá. Em 1820, foi descoberto que uma corrente elétrica produz um campo magnético em seu ambiente. Quatro anos depois, o primeiro eletroímã foi inventado e construído.

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

Os eletroímãs modernos podem ter vários formatos, dependendo do uso final que será dado a eles; e é o cabo que é isolado com verniz e não com o núcleo de ferro. O formato mais comum do núcleo de ferro é o cilíndrico, no qual o fio de cobre isolado é enrolado.


Você pode fazer um eletroímã com apenas o enrolamento produzindo 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 fica 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 pelo menos desde 600 aC, quando o grego Tales de Mileto fala em detalhes sobre o ímã. A magnetita, um mineral 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 controlando a corrente elétrica. Ao fazer ímãs permanentes, os eletroímãs são necessários.

Agora, por que isso está acontecendo? A resposta é que o magnetismo é intrínseco à matéria, assim como à eletricidade, mas ambos os fenômenos só se manifestam sob certas condições.


No entanto, pode-se dizer que a fonte do campo magnético está movendo cargas elétricas ou corrente elétrica. No interior 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 apresentam magnetismo.

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

Em materiais ferromagnéticos, os momentos magnéticos podem alinhar e formar regiões chamadas domínios magnéticos. Quando um campo externo é aplicado, esses domínios se alinham.

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

Composição e partes de um eletroímã

Um eletroímã é composto de:


- Um enrolamento de cabo isolado com verniz.

- Um núcleo de ferro (opcional).

- Uma fonte de corrente, que pode ser direta ou alternada.

O enrolamento é o condutor pelo qual passa a corrente que produz o campo magnético e é enrolada em forma de mola.

No enrolamento, as voltas ou voltas são geralmente muito próximas. Por isso é de extrema importância que o fio com o qual é feito o enrolamento tenha isolamento elétrico, o que se consegue com um verniz especial. O objetivo do envernizamento é que mesmo quando as espiras estão agrupadas e se tocam, elas permanecem eletricamente isoladas e a corrente continua seu curso espiral.

Quanto mais espesso o condutor do enrolamento, mais corrente o cabo suportará, mas limita o número total de voltas que podem ser enroladas. É por esse motivo que muitas bobinas de eletroímã usam um fio fino.

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

Quanto mais apertadas as curvas do enrolamento, maior o número que caberá em um determinado comprimento, aumentando sua densidade e, portanto, o campo resultante. Este é outro motivo pelo qual os eletroímãs usam cabos isolados com verniz em vez de plástico ou outro material, o que aumentaria a espessura.

Solenóide

Em um solenóide ou eletroímã 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 por último a corrente I que circula pelo enrolamento que é medido em amperes (A).

A permeabilidade magnética do núcleo de ferro depende de sua liga e é geralmente entre 200 e 5000 vezes a permeabilidade do ar. O campo resultante é multiplicado por este mesmo fator em relação ao de um eletroímã sem núcleo de ferro. A permeabilidade do ar é aproximadamente igual à do vácuo, que é μ0= 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 fio reto simples carregando uma corrente I, essa corrente produz um campo magnético B ao redor do fio.

As linhas do campo magnético ao redor do fio reto são círculos concêntricos ao redor do fio condutor. As linhas de campo obedecem à 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 fio reto

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

Suponha que dobremos o fio de modo que forme um círculo ou loop, então as linhas do campo magnético no interior dele se juntam apontando todas na mesma direção, adicionando e fortalecendo. Dentro de ciclo ou círculo o campo é mais intenso do que na parte externa, onde as linhas de campo se separam e enfraquecem.

O campo magnético no centro de um loop

O campo magnético resultante no centro de um loop de raio para que carrega uma corrente I é:

O efeito se multiplica se cada vez que dobrarmos o cabo de modo que ele tenha duas, três, quatro, ... e muitas voltas. Quando enrolamos o cabo em forma de mola com voltas muito próximas, o campo magnético dentro da mola é uniforme e muito intenso, enquanto na parte externa é praticamente zero.

Suponha que enrolemos o cabo em uma espiral de 30 voltas com 1 cm de comprimento e 1 cm de diâmetro. Isso dá uma densidade de volta de 3.000 voltas por metro.

Campo magnético de solenóide ideal

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

Resumindo, nossos cálculos para um cabo que carrega 1 amp de corrente e cálculo do campo magnético em microteslas, sempre 0,5 cm de distância do cabo em diferentes configurações:

  1. Cabo reto: 40 microteslas.
  2. Fio 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 uma permissividade relativa de 100, o campo será multiplicado 100 vezes, ou seja, 0,37 Tesla.


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

Assumindo um campo magnético de saturação de 1,6 Tesla, a força por seção de metro quadrado da área do núcleo de ferro exercida pelo eletroímã será de 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 com campo de saturação de 1,6 Tesla exerce uma força de 10 kg em um núcleo de ferro de 1 cm.2 corte transversal.

Aplicações Eletroímãs

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


- Motores elétricos.

- Alternadores e dínamos.

- Caixas de som.

- Relés ou interruptores eletromecânicos.

- Sinos elétricos.

- Válvulas solenóides para controle de fluxo.

- Discos rígidos de computador.

- Gruas elevatórias de sucata.

- Separadores de metais do lixo urbano.

- Freios elétricos para trens e caminhões.

- Máquinas de imagem por ressonância magnética nuclear.

E muitos mais dispositivos.

Referências

  1. García, F. Magnetic Field. Recuperado de: www.sc.ehu.es
  2. Tagueña, J. e Martina, E. Magnetism. Da bússola ao giro. Recuperado de: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
  3. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14º. 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