M027 - Campo Magnético e Ferromagnetismo

O Campo Magnético e Ferromagnetismo

Em eletrônica muitos componentes utilizam as propriedades magnéticas de materiais. O Campo Magnético é um campo de força, da mesma forma que o Campo Elétrico. Na verdade estes dois campos estão interligados e sob certas condições, quando um existe o outro também está presente.

Exemplos de componentes que usam o Campo Magnético em seu funcionamento são os indutores, os transformadores, os reles, os autofalantes, entre outros.

Você certamente já manuseou imãs e teve a oportunidade de sentir as forças magnéticas de atração e repulsão. Sabe também que o imã é composto de um polo norte e um polo sul. Os imãs são dipolos, ou seja, sempre estão presentes os polos norte e sul. Não existe imã só com polo norte ou imã só com polo sul.

Fig 1

O Campo Magnético, naturalmente presente nos imãs, pode ser obtido também através da corrente elétrica. Vários cientistas estudaram este fenômeno, entre eles Hans Christian Öersted, Ampère, Henry, Faraday, Lenz, Neumann, Gauss e outros. Basicamente, sempre que uma corrente elétrica percorre um fio condutor ela induz um campo magnético H ao redor deste fio. Este fenômeno está representado na figura 2.

Fig 2

A direção das linhas de campo magnético é dada pela Regra da Mão Direita. Por esta regra, você aponta o polegar de sua mão direita na direção da corrente e os outros dedos dão o sentido das linhas de campo.

Se no lugar de 1 fio, tivermos 2 ou mais fios em paralelo, a indução de campo magnético é a soma dos campos induzidos por cada fio.

Ferromagnetismo

Os materiais ferromagnéticos tem a propriedade de concentrar o campo magnético que os atravessa. Esta propriedade é muito importante na construção de componentes como os indutores e transformadores.

Fig 3

Os materiais Ferromagnéticos apresentam uma estrutura molecular que se comporta como pequenos dipolos magnéticos (pequenos imãs). Ao serem expostos a campos magnéticos estes dipolos, a nível atômico, se orientam de acordo com as linhas de campo, se alinhando a elas. Nesta situação, o próprio campo do dipolo de alinha ao campo externo, reforçando a intensidade deste.

Na figura 3 temos um material ferromagnético com os dipolos desorientados (ausência de campo externo) e depois alinhados com as linhas de campo de um Campo Magnético externo.

A capacidade apresentada pelos Materiais Ferromagnéticos de intensificar o Campo Magnético é dada pela Permeabilidade Magnética, representada pela letra µ.

A Permeabilidade Magnética do Vácuo é dada por µ_o e vale:

µ_o = 4π × 10^-7 N·A⁻² ; (Newton / ampere quadrado)

A Permeabilidade Magnética de um material é dada por:

µ = µ_r . µ_o ; (fórmula 1)

Onde µ_r é a Permeabilidade Relativa do material e µ_o é a Permeabilidade do Vácuo.

Então a Permeabilidade Relativa do material µ_r indica quantas vezes o material concentra o campo magnético, se comparado ao vácuo.

Alguns materiais tem µ_r bem elevado. A seguir alguns deles:

ferro: µ_r = de 200 a 600;
níquel: µ_r = 100;
permaloy: µ_r = 8000;
mumetal: µ_r = 20000;

O Campo Magnético Externo normalmente é representado pela letra H e o Campo Magnético Induzido dentro do material, pela letra B. Assim estes dois campos se relacionam da seguinte forma:

B = µ . H ; (fórmula 2)

Saturação

À medida que aumentamos a intensidade do campo externo, os dipolos do material se alinham mais fortemente às linhas de campo. Chega uma hora que não adianta mais aumentar o campo externo pois os dipolos já atingiram a máxima orientação possível. Dizemos que o material atingiu a saturação. Neste momento a fórmula 2 para de valer e o campo B assume um valor praticamente constante. Podemos ver este fenômeno no gráfico da figura 4.

Fig 4

Imantação

O processo de alinhamento dos dipolos dos Materiais Ferromagnéticos, apesar de se desenvolver em nível atômico, é um processo mecânico. Desta forma gasta-se energia neste processo e muitas vezes, após retirar o campo externo, o material pode manter uma orientação residual dos dipolos. Ou seja, o material vira um imã. Ele fica imantado. Você já deve ter observado este fenômeno ao passar uma chave de fenda de ferro em um imã.

Se considerarmos a imantação (Campo Magnético residual), o gráfico da figura 4 vira este da figura 5:

Fig 5

Os caminhos de magnetização e desmagnetização do material são diferentes. A área entre as curvas azul e verde indicam a perda de energia do processo. Quanto maior esta área maior é a perda de energia no processo.

Para componentes eletrônicos (indutores, transformadores) ou eletromecânicos (reles, solenóides), normalmente a imantação do material não é desejada, pois representa perda de energia. Além disto, no caso dos reles, por exemplo, se o núcleo da bobina ficar muito imantado, o rele pode não abrir, ao se cortar a corrente da bobina.

Esta perda de energia ou campo magnético residual do material é conhecida como histerese.

Outra característica importante dos Materiais Ferromagnéticos é a capacidade de acompanhar variações bruscas do campo H. Se os dipolos do material demoram para se orientar eles não conseguirão acompanhar variações rápidas do campo H. Componentes que trabalham em alta frequência precisam que o material do núcleo tenha capacidade de acompanhar as variações rápidas do Campo H.

Estes transformadores comuns utilizados em fontes de alimentação lineares, normalmente empregam chapas de ferro silício para a fabricação do núcleo. Este material responde bem à variação do campo H quando aplicamos o sinal da rede elétrica que é de baixa frequência (60Hz). Já nas fontes chaveadas, a frequência de trabalho é bem mais elevada, podendo chegar a centenas de KHz. ai não se pode mais utilizar as chapas de ferro silício. Utiliza-se materiais a base de terras raras (as ferrites) ou, mais recentemente, núcleos fabricados com pó de ferro sinterizado ou aglomerado com resina.