EXPERIMENTO N 9 : Eletroímã e BussolaEngenharia Mecânica – Disciplina de Introdução à Engenharia - IEMEC

Objetivos: Neste experimento vamos mostrar que é possível criar um ímã muito parecido a um imã natural com o uso da eletricidade.

Introdução Teórica: O Eletroimã é um dispositivo que utiliza corrente elétrica para gerar um campo magnético, semelhante àqueles encontrados nos ímãs naturais. É geralmente construído aplicando-se um fio elétrico espiralado ao redor de um núcleo de ferro, aço, níquel ou cobalto ou algum material ferromagnético, vide Fig.1, para uma melhor compreenção.

Fig.1: Eletroimã

Quando o fio é submetido a uma tensão, o mesmo é percorrido por uma corrente elétrica, o que gerará um campo magnético na área a este aspecto, espira através da Lei de Biot-Savart. 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, vide Fig.2.

Fig.2 Lei de Biot-Savart

A passagem de corrente elétrica por um condutor produz campos magnéticos nas suas imediações e estabelece um fluxo magnético no material ferromagnético envolto pelas espiras do condutor. A razão entre a intensidade do fluxo magnético concatenado pelas espiras e a corrente que produziu esse fluxo é a indutância.

O pedaço de ferro apresenta as características de um ímã permanente, enquanto a corrente for mantida circulando, e o campo magnético pode ser constante ou variável no tempo dependendo da corrente utilizada (contínua ou alternada), vide Fig.2 e Fig.3 para uma melhor compreenção.

Ao se interromper a passagem da corrente o envolto pelas espiras pode tanto manter as características magnéticas ou não, dependendo das propriedades do material ferromagnético.

Fig. 2 Corrente Contínua Fig.3 Corrente Alternada

Tipos de materiais magnéticos: Temos vários materiais magnéticos que são denominados paramagnéticos,diamagnéticos e ferromagnéticos, ou seja:

Paramagnéticos - são materiais que possuem elétrons desemparelhados e que, quando na presença de um campo magnético, se alinham, fazendo surgir dessa forma um ímã que tem a capacidade de provocar um leve aumento na intensidade do valor do campo magnético em um ponto qualquer. Esses materiais são fracamente atraídos pelos ímãs. São materiais paramagnéticos: o alumínio, o magnésio, o sulfato de cobre, etc.

Diamagnéticos – são materiais que se colocados na presença de um campo magnético tem seus ímãs elementares orientados no sentido contrário ao sentido do campo magnético aplicado. Assim, estabelece-se um campo magnético na substância que possui sentido contrário ao campo aplicado. São substâncias diamagnéticas: o bismuto, o cobre, a prata, o chumbo, etc.

Ferromagnéticos – as substâncias que compõem esse grupo apresentam características bem diferentes das características dos materiais paramagnéticos e diamagnéticos. Esses materiais se imantam fortemente se colocados na presença de um campo magnético. É possível verificar, experimentalmente, que a presença de um material ferromagnético altera fortemente o valor da intensidade do campo magnético. São substâncias ferromagnéticas somente o ferro, o cobalto, o níquel e as ligas que são formadas por essas substâncias. Os materiais ferromagnéticos são muito utilizados quando se deseja obter campos magnéticos de altas intensidades veja na figura abaixo Fig.4 o campo magnético de um imã permanente.

Fig.4 Campo Magnético de um Imã

As substâncias ferromagnéticas são fortemente atraídas pelos ímãs. Já as substâncias paramagnéticas e diamagnéticas são, na maioria das vezes, denominadas de substâncias não magnéticas, pois seus efeitos são muito pequenos sobre a influência de um campo magnético.

Alguns imãs permanentes de terras raras:

Imã de Neodímio: Um ímã de neodímio (também chamado de ímã de neodímio-ferro-boro, ou menos especificamente de imã de terras raras) é um poderoso imã feito a partir de uma combinação de neodímio, ferro e boro — Nd2Fe14B.

Esse imãs são muito poderosos em comparação a sua massa, mas também são mecanicamente frágeis e perdem seu magnetismo de modo irreversível em temperaturas acima de 120 °C.

Devido ao seu custo mais baixo, eles têm substituído os imãs de samário-cobalto na maioria das aplicações, que são ligeiramente mais fracos e bem mais resistentes a temperatura.

Sua intensidade pode ser medida pelo seu produto energético máximo, em megagauss-oersteds (MGOe) (1 MG·Oe = 7,957 kJ/m³), essa intensidade varia de 12 a 15, nos ímãs aglomerados de neodímio (bonded magnets) e de 24 a 54 nos ímãs sinterizados, veja figura abaixo Fig.5 a foto de um imã de neodímio.

Fig.5 Imã de neodímio

Os imãs de neodímio são usados em muitos tipos de motores elétricos e discos rígidos de computadores.

Imã de AlNiCo: Os imãs de Alnico são ligas de Fe contendo Al , Ni e Co, além de outros elementos. O nome da liga é formado pela justaposição dos símbolos químicos dos elementos (Al, Ni e Co).

As ligas Alnico foram descobertas na década de 1920, e permitiram a produção industrial de imãs artificiais com indução magnética muito superior à dos naturais. Um imã de Alnico é capaz de levantar mais de 1000 vezes seu próprio peso.

Uma das ligas mais conhecidas é o Alnico5, contendo aproximadamente 15%Ni, 25%Co, 9%Al, 3%Cu e 48%Fe. Já o Alnico12 tem 18%Ni, 35%Co, 6%Al, 8%Ti e 33%Fe.

São disponíveis em muitos formatos, como barras, “ferraduras”, etc, normalmente fabricados por fundição, sofrendo um processo de retificação para atingir precisão das dimensões.

Os imãs de Alnico têm grande estabilidade térmica, ou seja, mantêm suas características em uma faixa de temperatura muito larga, de aproximadamente -250°C a 550°C. O material é ainda resistente à oxidação.

Suas principais aplicações são alto-falantes, motores elétricos e geradores de pequeno porte, válvulas magnétron,captadores de guitarra elétrica etc. Foram também muito usados em instrumentos de medidas, como velocímetros, tacógrafos, medidores de energia elétrica, etc.

Imã de Samário-Cobalto: Os imãs de Samário-Cobalto (SmCo) foram desenvolvidos em 1960, como resultado da pesquisa de novos materiais magnéticos baseados em ligas de Fe, Co, Ni e Terras Raras.

São produzidos prensando-se as ligas pulverizadas, no formato final. Posteriormente são sinterizados a altas temperaturas. Apesar das excelentes propriedades magnéticas e resistência ás temperaturas (até 250 ºC), o alto custo pode limitar suas aplicações.

Possuem razoável resistência à corrosão e não necessitam de revestimentos particulares. Devido à sua elevada fragilidade, devem ser manuseados c/ cuidado. Max. Temperatura de trabalho: 250 ºC.

Exemplos de aplicações: micro-motores, sensores para automóveis.

Imã de Cerâmica ou Ferrite: Também conhecidos como cerâmicos, esta família aparece no mercado em 1952. O processo de fabrico consiste na pulverização das matérias-primas até a formação de mono-cristais.

Este composto é então prensado numa forma sob a influência de um campo magnético orientado. Após esta compactação, o material é sintetizado em fornos especiais e moldado para os formatos e dimensões desejados.

Hoje em dia, os imãs cerâmicos são os que possuem menor custo. São resistentes à corrosão, ácidos, sais lubrificantes e gases. Max. Temperatura de trabalho 250 ºC.

Exemplos de aplicações: alto-falantes, motores CC, sensores.

Tab.1 Características de alguns imãs

Br é a medida da densidade magnética resídual do fluxo em Gauss, que é o fluxo

máximo que o ímã pode produzir. (Gauss)

Hc é a medida da força coerciva do campo magnético em Oersted, ou o ponto em

que o ímã se desmagnetiza por um campo externo. (Oersted)

BHmax é um termo da densidade total da energia. Quanto mais elevado o

número, mais poderoso o ímã.

Tcoef Br é o coeficiente da temperatura do Br em % por o grau centígrado. Define

a alteração de fluxo magnético em relação à temperatura. -0.20 significa que se a

temperatura aumentar 100 graus centígrados, o fluxo magnético diminuirá 20%!

Tmax é a temperatura máxima o ímã deve funcionar. Se a temperatura exceder

este valor, o imã perde as características magnéticas que recupera após a

temperatura estar dentro dos níveis de funcionamento. (recuperável)(graus

centígrados)

Tcurie é a temperatura em que o ímã ficará desmagnetizado. Se a temperatura

exceder este valor, o imã perde as características que não recupera após a

temperatura estar dentro dos níveis de funcionamento. (não é recuperável) (graus

centígrados)

Para podemos avaliarmos quais materiais são melhores para a construção de imãs, transformadores e etc, devemos verificar as curvas de magnetização conforme mostra a Fig. 6 A e 6 B abaixo, ou seja:

Fig.6A - Curva de Magnetização de vários materiais ( B x H ), onde B (Tesla) e H ( A / m) de H < 400 A/m

Fig.6B - Curva de Magnetização de vários materiais ( B x H ), onde B (Tesla) e H ( A / m) de H > 400 A/

Material para o Experimento Lúdico N-9:

a) 1 m de fio de cobre 26 AWG esmaltado b) 1 prego de “4 BWG x 4” ou parafuso de ¼” x 4”

c) 1 rolo de fita isolante

d) 2 pilhas de 1,5 V AA

e) 1 suporte para duas pilhas de 1,5V AA modelo SP6

f) 1 bússola pequena

g) Arruelas, Clips, Pregos, Moedas e etc

h) 1 faca pequena ou canivete

i) 1 alicate de corte pequeno

Procedimentos para a execução do experimento:

a) Coloque a bússola sobre uma mesa plana e longe da influência de campos magnéticos a não ser o terrestre.b) Para fazer o solenóide enrola-se o fio de cobre esmaltado 26 AWG no prego ou em qualquer outro objeto maciço feito de aço.c) Deve-se deixar livre duas pontas do fio condutor de aproximadamente 2 cm de comprimento com as extremidades descascadas com faca ou lixa, para a conexão com o suporte das pilhas. d) Ligue os pólos do eletroímã ao suporte das pilhas. e) Aproxime o eletroímã da lateral da bússola e faça movimentos circulares em torno dela para observar o movimento da agulha. f) Aproxime de pequenos objetos metálicos com pesos e tamanhos diferentes para observar a intensidade da força de atração. g) Repita os procedimentos acima depois de retirar o prego e compare a força de atração com a do eletroímã completo. h) Para uma melhor visualização de montagem vide a figura Fig.7 abaixo.

Esquema de Montagem:

Fig.7 Esquema de montagem do eletro-imã

Aplicações de Eletroimã:

Alto Falantes Microfones Medidores de Kilowatt x hora Disjuntor Campainha Relé

Fonte Bibliográfica:

a) www.saladefisica.cjb.net b) http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/ c) http://educacao.uol.com.br/fisica/condutores-retilineos-e-paralelos-regra-da-

mao.jhtmd) http://www.brasilescola.com/fisica/materiais-paramagneticos-

diamagneticos-ferromagneticos.htme) http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrodinamica/

caecc.phpf) http://www.eletrica.ufu.br/pastas/

Elm_Apostila_de_Teoria_e_Exercicios_2010/ELM2010_Teoria_XAnexo2.pdf

g) http://pt.wikipedia.org/wiki/Magnetismo h) http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dm%C3%A3_de_neod%C3%ADmio i) http://pt.wikipedia.org/wiki/Alnicoj) http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/140/37/ k) http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/campo_corrente/

aplic_prim_fenom_eletromag/