Magnetismo

Há muito tempo se observou que certos corpos têm a propriedade de atrair o ferro. Chamou-se tais corpos de ímãs.

Essa propriedade dos ímãs foi observada pela primeira vez com o tetróxido de triferro numa região da Ásia chamada Magnésia. Por esse fato chamou-se tal minério de magnetita.

A magnetita é o ímã natural. Podemos fazer com que os corpos que normalmente não são ímãs (não têm propriedade magnética) se tornem ímãs. Os ímãs obtidos desse modo são chamados ímãs artificiais.

Através de processos de imantação podemos atribuir propriedade magnética a corpos não magnéticos. Geralmente materiais que aceitam imantação são constituídos de ferro e outras ligas metálicas.

Processo de imantação por indução magnética

É o fenômeno pelo qual uma barra de ferro se imanta quando fica próxima de um ímã.

Processo de imantação por atrito

Quando uma barra de ferro neutra é atritada com um ímã. É necessário que sejam atritados sempre no mesmo sentido, porque o atrito num sentido desfaz a ímantação obtida no outro.

Processo de imantação por corrente elétrica

Suponhamos que um condutor seja enrolado em uma barra de ferro e percorrido por uma corrente elétrica. A barra de ferro se torna um ímã. Como a imantação foi obtida por meio de uma corrente elétrica, esse ímã é chamado eletroímã. Os eletroímãs podem ser controlados a partir do controle da corrente elétrica que passa por ele. Aumentando-se a corrente elétrica o eletroímã se torna mais forte e eliminando-se a corrente elétrica ele deixa de exercer a propriedade magnética.

Um ímã não apresenta propriedades magnéticas em toda a sua extensão, mas só em certas regiões chamadas regiões polares. Quando o ímã tem forma de barra as regiões polares são as extremidades da barra. Entre as regiões polares há uma região que não possui propriedades magnéticas: é chamada região neutra.

Quando um ímã é suspenso pelo seu centro de gravidade, entra em oscilação e depois fica em equilíbrio numa posição tal que suas regiões polares ficam voltadas para os polos geográficos da Terra. Chamamos região polar norte do ímã àquela que é voltada para o polo norte geográfico, quando o ímã é suspenso pelo centro de gravidade; região polar sul àquela que é voltada para o polo sul geográfico, quando o ímã é suspenso pelo centro de gravidade.

Quando dois ímãs são suspensos por seu centro de gravidade e próximos um do outro, observamos que as "regiões polares" de mesmo nome se afastam e as de nomes diferentes se atraem.

Campo magnético

Chama-se campo magnético de uma massa magnética à região que envolve essa massa, e, dentro da qual ela consegue exercer ações magnéticas.

Não existe na natureza uma massa magnética isolada porque um polo norte sempre aparece associado a um polo sul. Desse modo, o campo magnético do polo norte de um ímã está sempre influenciado pelo polo sul do mesmo ímã.

Linha de força

Chama-se linha de força de um campo magnético a uma linha que em cada ponto é tangente ao campo desse ponto. Essa definição é idêntica à definição de linha de força do campo eletrostático. As características das linhas de força do campo magnético são as mesmas das linhas de força do campo elestrostático.

• Duas linhas de força de um campo magnético nunca se cruzam.
• As linhas de força do campo magnético produzido por uma única massa magnética seriam retilíneas. E as do campo produzido por mais que uma massa magnética são curvas. Como na natureza não existe uma massa magnética isolada, mas elas existem aos pares, formando os ímãs, concluímos que as linhas de força dos campos magnéticos dos ímãs são curvas.
• Convencionamos que o sentido da linha de força seja o sentido de deslocamento de uma massa magnética puntiforme norte colocada sobre a linha. Com essa convenção concluímos que as linhas de força “saem” do polo norte e “entram” no polo sul.

Indução magnética ou densidade de fluxo magnético

Além do vetor campo magnético, existe no campo magnético uma outra grandeza vetorial que desempenha papel importante em muitos fenômenos eletromagnéticos. É chamada indução magnética ou densidade de fluxo magnético o número total de linhas de força em um circuito magnético.

A unidade do fluxo magnético é o Maxwell.

A densidade de fluxo é dada pelo número de linhas de força por unidade de superfície, e é expressa em Gauss.
Então, 1 Gauss é igual a uma quantidade de linhas de força por cm2.

O fenómeno da indução magnética foi primeiro estudado pelo americano Joseph Henry, em 1830 e pelo inglês Michael Faraday, em 1831. Verifica-se experimentalmente que aproximando-se o pólo norte de um íma de uma bobina curto circuitada, se produz nela uma corrente elétrica em determinado sentido.

Afastando-se o ímã da bobina, a corrente elétrica inverte de sentido.

Interrompendo o movimento do ímã, a corrente elétrica deixa de existir.

Auto indução

Ao circular uma corrente alternada por uma bobina, o campo magnético variável ao redor da bobina "corta" todas as suas espiras e dessa forma, induz uma tensão na bobina cuja polaridade é inversa á força eletromotriz aplicada.

O valor dessa f.e.m (força eletromotriz) depende do número de espiras da bobina, da intensidade de corrente elétrica que passa por ela e da quantidade de linhas de força que atravessam a bobina.

A força induzida é denominada "força contra-eletromotriz" e o efeito se chama "auto indução".

Fator de potência

O fator de potência (FP) de um sistema elétrico qualquer que está operando em corrente alternada, é definido pela razão da potência real ou "potência ativa" pela potência total ou "potência aparente".

Em circuitos de corrente alternada puramente resistivos as ondas de tensão (V) e corrente (I) estão sempre em fase, ou seja, mudando sua polaridade no mesmo instante a cada ciclo. Nesse caso o fator de potência FP = 1 (unidade). Quando existem cargas reativas no circuito (capacitores e/ou indutores), o armazenamento de energia nesses componentes provoca uma diferença de fase entre as ondas de tensão e corrente. Essa energia armazenada retorna para a fonte e não produz trabalho útil.

Ondas em fase em um circuito puramente resistivo (FP = 1).

Conclui-se portanto que o deslocamento de fase provoca uma perda de trabalho, exigindo que maior energia seja gasta para realizar o mesmo trabalho que seria obtido em circuitos não reativos.

A "potência ativa" é a capacidade do circuito em produzir trabalho em um determinado período de tempo. Devido aos elementos reativos da carga, a "potência aparente", que é o produto da tensão pela corrente do circuito, será igual ou maior do que a potência ativa.

A potência reativa é a medida da energia armazenada que é devolvida para a fonte durante cada ciclo da corrente alternada.

O fluxo de potência em corrente alternada possui três componentes: potência ativa (P) medida em watts (W); potência aparente (S) medida em volt-amperes (VA); e potência reativa (Q), medida em volt-amperes reativos (VAr).

O fator de potência pode ser expresso como:

O fator de potência é um número adimensional entre 0 e 1.
Quando o fator de potência é igual a zero (0), o fluxo de energia é inteiramente reativo e a energia armazenada é devolvida totalmente à fonte em cada ciclo.
Quando o fator de potência é 1, toda a energia fornecida pela fonte é consumida pela carga.

Normalmente o fator de potência é assinalado como atrasado ou adiantado para identificar o sinal do ângulo de fase entre as ondas de corrente e tensão elétricas.

O fator de potência é determinado pelo tipo de carga ligada ao sistema elétrico, que pode ser:

• Resistiva
• Indutiva
• Capacitiva

Corrente (I) atrasada em relação a tensão (V). A carga possui característica indutiva (FP < 1)

Corrente (I) adiantada em relação a tensão (V). A carga possui característica capacitiva (FP > 1)

Se uma carga puramente resistiva é conectada ao sistema, a corrente e a tensão mudarão de polaridade em fase, nesse caso o fator de potência será unitário (1), e a energia elétrica flui numa mesma direção através do sistema em cada ciclo.

Cargas indutivas tais como motores e transformadores (equipamentos com bobinas) produzem potência reativa com a onda de corrente atrasada em relação à tensão.

Cargas capacitivas tais como bancos de capacitores (conjunto de capacitores) ou cabos elétricos enterrados produzem potência reativa com corrente adiantada em relação à tensão.

Ambos os tipos de carga absorverão energia durante parte do ciclo de corrente alternada, apenas para devolver essa energia novamente para a fonte durante o resto do ciclo.

Por exemplo, para se obter 1 kW de potência ativa quando o fator de potência é unitário (igual a 1), 1 kVA de potência aparente será necessariamente transferida (1 kVA = 1 kW ÷ 1).

Para se obter 1 kW de potência ativa com fator de potência 0,2 será necessário transferir 5 kVA de potência aparente (1 kW = 5 kVA × 0,2).

Freqüentemente é possível corrigir o fator de potência para um valor próximo ao unitário. Essa prática é conhecida como correção do fator de potência e é conseguida mediante o acoplamento de bancos de indutores ou capacitores, com uma potência reativa Q contrário ao da carga, tentando ao máximo anular essa componente. Por exemplo, o efeito indutivo de motores pode ser anulado com a conexão em paralelo de um capacitor (ou banco de capacitores) junto ao equipamento.

As perdas de energia aumentam com o aumento da corrente elétrica transmitida. Quando a carga tem fator de potência menor do que 1, mais corrente é requerida para suprir a mesma quantidade de potência útil. As concessionárias de energia estabelecem que os consumidores, especialmente os que possuem cargas maiores, mantenham os fatores de potência de suas instalações elétricas dentro de um limite mínimo, caso contrário serão penalizados com cobranças adicionais.

Engenheiros freqüentemente analisam o fator de potência de uma carga como um dos indicadores que afetam a eficiência da transmissão e geração de energia elétrica.