Materiais e Equipamentos Elétricos. Aula 6 Materiais magnéticos

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1 Materiais e Equipamentos Elétricos Aula 6

2 Os primeiros fenômenos magnéticos observados foram aqueles associados aos chamados ímãs naturais (magnetos) que eram fragmentos grosseiros de ferro encontrados perto da antiga cidade de Magnésia, distrito de Thessally na Grécia (daí o termo magneto ) Estes ímãs tinham a propriedade de atrair ferro desmagnetizado, sendo que esta propriedade era mais acentuada em certas regiões deste material, que chamamos de polos

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4 Existem dois tipos de ímãs: Ímãs Naturais são aqueles que encontramos na natureza e são compostos por minério de ferro (óxido de ferro). Este tipo de ferro magnético é denominado magnetita Ímãs Artificiais são aqueles que adquirem propriedade magnética ao serem expostos ao campo de um ímã natural. A capacidade magnética destes ímãs pode superar a dos ímãs naturais.

5 Os ímãs possuem dois polos: norte e sul (N e S) O polo sul de um ímã é atraído pelo polo norte do Planeta Terra e vice-versa Descobriu-se que, quando uma barra de ferro era colocada perto de um ímã natural ela adquiria e mantinha essa propriedade magnética do ímã natural e que, quando suspensa livremente em torno de um eixo vertical, ela alinhava com a direção norte-sul, que originou a bússola

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7 O ímã possui um fluxo magnético residual, que é capaz de alinhar os domínios magnéticos de outros materiais, como o ferro Quando dois objetos magnéticos possuem linhas de fluxo no mesmo sentido eles tenderão a se atrair, ligando polo norte com o polo sul. Um conjunto de linhas de fluxo saem do polo N e entram no ímã pelo S forma, formando o campo magnético. Ao espalharmos limalha de ferro sobre um ímã pode-se perceber a forma do campo magnético por meio das linhas de indução.

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10 O ímã possui um fluxo magnético residual, que é capaz de alinhar os domínios magnéticos de outros materiais, como o ferro Quando dois objetos magnéticos possuem linhas de fluxo no mesmo sentido eles tenderão a se atrair, ligando polo norte com o polo sul. Um conjunto de linhas de fluxo saem do polo N e entram no ímã pelo S forma, formando o campo magnético. Ao espalharmos limalha de ferro sobre um ímã pode-se perceber a forma do campo magnético por meio das linhas de indução.

11 A habilidade de certos materiais notadamente o ferro, o níquel, o cobalto e algumas de suas ligas e compostos de adquirir um alto e permanente momento magnético, é de grande importância para a engenharia elétrica As aplicações de materiais magnéticos fazem uso de quase todos os aspectos do comportamento magnético Existe uma variedade extremamente grande de diferentes tipos de materiais magnéticos e é importante saber primeiro porque estes e somente estes materiais possuem propriedades magnéticas e em seguida saber o que leva a comportamento diferentes nestes materiais, por exemplo porque um material carrega um momento permanente enquanto outros não As pesquisas por materiais magnéticos com melhores características são motivadas pela possibilidade de redução nas dimensões dos equipamentos e diminuição de limitações no desempenho devido à saturação e perdas

12 Os materiais magnéticos mais importantes em aplicações elétricas gerais são chamados ferromagnéticos. Estes permitem o estabelecimento de fenômenos magnéticos devido à sua característica de conectar linhas de força magnética, sofrendo atração por estas forças. O exemplo mais antigo deste material é a magnetita (O4Fe3) Classificação dos Materiais Magnéticos Os materiais magnéticos podem ser classificados conforme os domínios magnéticos Estes correspondem à menor unidade de um material que se caracteriza por possuir uma única orientação magnética, isto é, um vetor campo magnético próprio Em um material magnético, os domínios podem estar orientados ao acaso de modo que seus momentos magnéticos se anulam. Ao aplicarmos um campo magnético externo, os domínios se alinham na direção deste campo e podem permanecer ou não alinhados depois de retirarmos o campo

13 Sob esta análise os materiais magnéticos podem ser: Duros: São aqueles que ao retirarmos o campo magnético externo, o alinhamento dos domínios permanece. Também chamados ímãs Moles, macios ou doces: o alinhamento dos domínios desaparece ao retirarmos o campo magnético externo Ímãs de geladeira devem ser feito de um material magnético duro, para que possa permanecer imantado por muito tempo Os motores elétricos exigem materiais magnéticos moles, para que eles possam se adaptar rapidamente às alterações da corrente elétrica alternada

14 Os materiais magnéticos podem ser classificados como: Ferromagnéticos Possuem momento magnético espontâneo Ferro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni) Paramagnéticos Geram campo magnético no sentido do campo aplicado Sendo atraído na presença de campos magnéticos Diamagnéticos Geram campo magnético no sentido antiparalelo ao campo aplicado Sendo repelido na presença de campos magnéticos

15 Ferromagnéticos Caracterizam-se por uma magnetização espontânea, que é totalmente independente de campos magnéticos externos Esta magnetização depende da temperatura que, quando crítica o material perde suas propriedades magnéticas passando de ferromagnético para diamagnético Este efeito ocorre na chamada temperatura de Curie, que varia para cada - variável para cada material. Exemplo: ferro 775 C, cobalto 1110º C, níquel 360º C) Os materiais ferromagnéticos possuem uma permeabilidade magnética (μ) centenas ou milhares de vezes, maior que a do vácuo (μo=4π 10-7 H/m) Estes materiais provocam uma forte concentração das linhas de fluxo do campo que os interceptam.

16 Permeabilidade magnética de alguns materiais ferromagnéticos: Nos meios não ferromagnéticos, a permeabilidade relativa é muito próxima a unidade, podendo ser superior ou inferior a esta; para cada caso, recebe as designações respectivas de paramagnético e diamagnético

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18 Diamagnéticos (vidro, água, antimônio, bismuto, chumbo, cobre, gases raros) Estes materiais afastam ligeiramente as linhas de fluxo que os interceptam. A direção do campo adicional (formado através da teoria dos domínios) é oposta à do campo externo fazendo com que o campo resultante seja menor que o campo externo. Sua permeabilidade magnética é menor que a do vácuo

19 As substâncias diamagnéticas mais empregadas são: Metais: ouro, prata, mercúrio, cobre, chumbo, etc Todos os metaloides, com exceção do oxigênio Quase todas as substâncias orgânicas

20 Paramagnéticos (oxigênio, sódio, sais de ferro e de níquel, alumínio, silício) Estes materiais tendem a concentrar ligeiramente as linhas de fluxo que os interceptam. A direção do campo adicional é a mesma do campo externo, portanto, o campo resultante é maior que o campo externo. Sua permeabilidade magnética é ligeiramente maior que a do vácuo

21 As substâncias diamagnéticas mais empregadas são: Metais: platina, potássio, sódio, alumínio, cromo, manganês, etc Ligas: contendo cromo, manganês, vanádio ou cobre Gases: oxigênio, ozônio, óxido azótico, etc

22 As principais características apresentadas pelos materiais magnéticos são: Retentividade (densidade de fluxo residual Br) Coercividade (campo magnético de coerção Hc) Relutância ( resistência do fluxo magnético R ) Permeância ( condutância de fluxo magnético P =1/R ) Permeabilidade magnética (μ) Razão entre a densidade de fluxo e a intensidade do campo magnético (B=μH) Permeabilidade magnética relativa (μr = μ/μ0)

23 Retentividade magnética B r Coercividade magnética Hc Definem a habilidade do material em reter parte do magnetismo, após a interrupção da força magnetizante O aço possui maior retentividade do que o ferro doce

24 Relutância magnética É a oposição ao estabelecimento do fluxo no circuito magnético Análogo a resistência em um circuito elétrico, que se opõe a passagem de corrente A Relutância pode ser obtida a partir das características magnéticas e geométricas do material, conforme mostrado na equação abaixo: R = lc / (μ Ac) R é a relutância, lc é o comprimento do material, Ac é a área da seção transversal e μ é a permeabilidade magnética do material Permeância magnética O inverso da relutância. Análogo a condutância em circuitos elétricos P =1/R

25 Permeabilidade magnética Caracteriza o material quanto a sua facilidade em permitir que fluxo magnético o atravesse A permeabilidade é função da temperatura e da intensidade de campo magnético aplicado É definida também como sendo uma constante de proporcionalidade entre a indução ou densidade de fluxo B e a intensidade de campo magnético H. B = μh

26 Permeabilidade relativa A permeabilidade dos materiais geralmente é referenciada à permeabilidade do vácuo μ0 É a razão entre a permeabilidade magnética do material e a do vácuo μr = μ/μ0 A permeabilidade do vácuo é dada por μo = 4π 10-7 H/m

27 Magnetismo atômico De uma maneira geral, em um elemento o número de elétrons que tem um certo spin é igual ao número de elétrons que tem o spin oposto e o efeito global é uma estrutura magneticamente insensível Entretanto, em um elemento com subníveis internos não totalmente preenchidos, o número de elétrons com spin em um sentido é diferente do número de elétrons com spin contrário. Esses elementos têm um momento magnético global não nulo Como os átomos ferromagnéticos adjacentes se alinham mutuamente, de forma a terem suas orientações numa mesma direção, um cristal ou grão contém domínios magnéticos. Os domínios geralmente têm dimensões inferiores a 0,05 mm

28 Material diamagnético Material magnético

29 Magnetismo atômico Em um material magnético desmagnetizado os domínios estão orientados ao acaso, de forma que seus efeitos se cancelam Entretanto, se os domínios são alinhados por um campo magnético, o material se torna magnético O alinhamento de todos os domínios em uma direção origina um efeito aditivo, o qual pode ou não permanecer após a retirada do campo externo

30 O processo de magnetização de um material ferromagnético sob a influência de um campo externo se reduz a: Crescimento daqueles domínios cujos momentos magnéticos formam o menor ângulo com a direção do campo Rotação dos momentos magnéticos na direção do campo externo A saturação magnética se alcança quando acaba o processo de crescimento dos domínios e os momentos magnéticos de todas as regiões imantadas espontaneamente estão na mesma direção do campo

31 Para um material inicialmente não magnetizado, ao aumentar progressivamente a força magnetizante de 0 até H max, reduzindo-se em seguida H de Hmax até 0, a densidade de campo magnético B praticamente não se reduz Para reduzir a densidade de fluxo B a zero, é necessário aumentar H no sentido contrário, continuando-se a fazer variar H até -H r Fazendo H variar até -Hmax, de -Hmax até 0 e em seguida até Hmax e continuando deste modo, obtém-se sucessivamente a curva chamada laço de histerese Em qualquer dos laços os valores de B são maiores no ramo descendente que no ascendente; a substância ferromagnética tende a conservar o seu estado de magnetização, isto é, tende a se opor às variações de fluxo. Essa propriedade tem o nome de histerese

32 Para designar quando o alinhamento magnético é permanentemente retido ou não, são usados respectivamente os termos Material magnético duro Material magnético mole Como os materiais mecanicamente duros tendem a ser magneticamente duros, esses termos são adequados. As tensões residuais de um material endurecido evitam a redistribuição ao acaso dos domínios. Um material normalmente perde essa ordenação dos domínios magnéticos quando é recozido, já que a atividade térmica provoca a desorientação dos domínios Recozimento é o tratamento térmico realizado com o fim de alcançar um ou vários seguintes objetivos: remover tensões devidas ao tratamentos mecânico a frio ou a quente, alterar as propriedades mecânicas como resistência, ductilidade, modificar os características elétricas e magnéticas, ajustar o tamanho de grão, regularizar a textura bruta, remover gases, produzir uma microestrutura definida, eliminar enfim os efeitos de quaisquer tratamento térmicos ou mecânicos a que o aço tiver sido anteriormente submetido

33 Envelhecimento as propriedades das substâncias ferromagnéticas em geral variam com o tempo. A densidade de fluxo B que se pode obter com um determinado valor da força magnetizante H tende a diminuir com o tempo; as perdas de histerese tendem a aumentar. As ligas de ferrosilício utilizadas na construção de aparelhos elétricos são muito menos sujeitas ao envelhecimento que o ferro e o aço Magnetostrição nos materiais ferromagnéticos observa-se o fenômeno da magnetostrição, que consiste na variação de volume consequente à variação do estado de magnetização Este fenômeno causa a vibração dos núcleos ferromagnéticos de aparelhos de corrente alternada, com o dobro da frequência de excitação A magnetostrição é utilizada na produção e na detecção de ultrassons

34 A temperatura também influencia nas características dos materiais ferromagnéticos Isto pode ser compreendido se lembrarmos que um aumento de temperatura num sólido resulta em um aumento na magnitude das vibrações térmicas dos átomos e a livre rotação dos momentos magnéticos torna seu alinhamento aleatório A magnetização de saturação é máxima a 0 K, diminui gradualmente com o aumento de temperatura até cair abruptamente a zero na chamada temperatura de Curie ou ponto de Curie Ponto de Curie de alguns materiais: Ferro 775º C Níquel 360º C Cobalto 1110º C

35 Quando uma substância ferromagnética é sujeita a uma magnetização alternada há uma perda de energia que se transforma em calor e que é, por unidade de volume, proporcional a área do ciclo histerético cada vez que este é percorrido A potência perdida será proporcional à frequência de excitação. Por outro lado, a área do ciclo é aproximadamente proporcional ao valor máximo do campo magnético atingido (B max) elevado a uma potência que depende do tipo de material Para a maioria dos materiais a expressão das perdas por histerese será: Ph = K f Bmax2 Onde a constante K depende essencialmente da qualidade do ferro

36 Correntes parasitas ou de Foucault Quando temos circulação de corrente alternada em enrolamentos cujos núcleos são de material metálico, surgem correntes circulantes na própria massa metálica, consequência das forças eletromotrizes induzidas na massa Essas correntes geram perdas de acordo com a lei de Joule Nos aparelhos de corrente alternada, para reduzir estas perdas, não se utiliza núcleos maciços, mas laminados. As chapas laminadas são dispostas de modo a aumentar a resistência a condução e reduzir as forças eletromotrizes induzidas, diminuindo as correntes parasitas

37 Existem, fundamentalmente, duas razões pelas quais se recorre a materiais magnéticos na área elétrica A primeira é a permeabilidade elevada dos materiais ferromagnéticos, que permite a realização de circuitos magnéticos de baixa relutância nos quais se pode estabelecer um fluxo apreciável às custas de uma força magnetomotriz relativamente baixa A segunda é a remanência, ou seja, a memória de acontecimentos ocorridos, consequente do fenômeno da histerese magnética

38 Os elementos ferromagnéticos mais utilizados são o ferro, o níquel e o cobalto, que industrialmente nunca são utilizados em seu estado puro, e sim sob a forma de ligas De modo geral as ligas ferromagnéticas podem ser classificadas em: Ligas de ferro-silício (baixas perdas, alta permeabilidade) Ligas para ímãs permanentes (força coercitiva elevada) Ligas para aplicações especiais

39 Ferro (Fe) O ferro puro é um material ferromagnético de boa permeabilidade, ciclo histerético estreito e baixa resistividade Boas características para a constituição de circuitos magnéticos, exceto por permitir elevadas correntes de Foucault quando em regime de magnetização variável Perdas de um certo modo elevadas nestas circunstâncias, particularmente nas de magnetização alternada As propriedades magnéticas podem ser melhoradas por intermédio de um recozimento, tendo a respectiva temperatura importante influência no valor das características do material

40 Ferro (Fe) O ferro puro para aplicações industriais contém sempre pequenas percentagens de outros elementos: carbono, manganês, silício e, mesmo, cobre e alumínio, os quais afetam mais ou menos as suas propriedades magnéticas A permeabilidade é reduzida pela presença destes elementos, especialmente do carbono e, em menor medida, do cobre e do silício Quanto a área do ciclo histerético, o carbono alarga-a enquanto que o silício provoca uma alteração muito pequena Apesar das suas boas características magnéticas, o ferro puro não tem uma larga aplicação no setor elétrico

41 Ligas de Ferro-Silício Estas ligas contêm até 6,5% de silício e algumas impurezas (carbono, enxofre, fósforo, manganês) associadas ao ferro, que é o principal constituinte. Suas propriedades magnéticas e sua resistividade dependem da constituição e dos tratamentos térmicos A adição de silício ao ferro permite aumentar a resistividade (reduzindo as perdas pelas correntes de Foucault), reduzir as perdas de histerese e o envelhecimento Estas ligas são geralmente fabricadas sob a forma de tiras ou chapas. O percentual de silício depende da aplicação, já que a presença do silício tem o inconveniente de encarecer o ferro e de o tornar quebradiço, sendo este o fato que limita a percentagem de silício empregada Nos transformadores, que são máquinas estáticas, usam-se as percentagens mais altas e nos motores e geradores, máquinas rotativas, valores mais baixos

42 Os ímãs permanentes devem apresentar um elevado magnetismo residual, o que é típico de materiais magnéticos ditos duros. Abaixo estão alguns materiais utilizados para fabricação de ímãs permanentes:

43 Ímãs permanentes de alta performance A maioria dos servomotores atuais são motores de corrente alternada sem escovas (brushless) a ímãs permanentes de terras raras (Nd-Fe-B neodímio-ferro-boro) projetados para atender as elevadas dinâmicas e necessidades de robôs, máquinas dosadoras, bobinadeiras, máquinasferramenta, máquinas de corte e solda, retroffiting de máquinas, máquinas gráficas, entre outras aplicações