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1 INTRODUÇÃO

O eletromagnetismo explica a relação entre a eletricidade e o magnetismo,

baseado no conceito de campo eletromagnético. O movimento de cargas elétricas

(corrente elétrica) faz surgir o campo magnético que, associado a ímãs, resulta em

uma força eletromagnética.

A variação do fluxo magnético resulta em campo elétrico, bem como a

variação de um campo elétrico gera um campo magnético. Por estarem

“dependendo” um do outro, convém-se abordá-las unicamente como campo

eletromagnético.

Faraday e Oersted foram uns dos pioneiros nos estudos da relação entre

eletricidade e magnetismo, e o resultado dos estudos sobre o eletromagnetismo é

visível no nosso dia-a-dia em vários aparelhos.

O presente trabalho aborda os experimentos e conclusões de Faraday e

Oersted, os quais foram indispensáveis ao desenvolvimento de tecnologias de

controle e automação existentes atualmente.

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2 LEI DE FARADAY

Para ter um melhor entendimento da Lei de Faraday, é importante conhecer

seu experimento.

Faraday utilizou uma espira, composta por material condutor, desconectada

de qualquer fonte de tensão. Quando aproximou um ímã em forma de barra à espira,

o amperímetro indicou a passagem de corrente elétrica, que desapareceu ao parar o

movimento de aproximação do ímã. Ao afastar o ímã da espira, a corrente volta a

aparecer.

Com este experimento, Faraday concluiu que:

A corrente apenas existe quando há um movimento relativo entre o

ímã e a espira – quando o movimento é cessado, a corrente

desaparece;

Quanto mais rápido for o movimento, maior será a corrente;

Ao aproximar da espira o pólo norte do ímã, a corrente tem sentido

horário e, ao afastar o pólo norte, a corrente tem sentido anti-horário;

ao aproximar o pólo sul, a corrente tem sentido anti-horário e, ao

afastá-lo, tem sentido horário.

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Com isso, Faraday descobriu que uma força eletromotriz e uma corrente

podem ser induzidas em uma espira, fazendo variar a quantidade de campo

magnético que atravessa a espira.

A Lei de Faraday afirma que a corrente elétrica induzida em um circuito

fechado por campo magnético é proporcional ao número de linhas de fluxo que

atravessam a área envolvida do circuito, por unidade de tempo.

Matematicamente, a Lei de Faraday é expressa da seguinte forma:

O sinal de negativo utilizado na expressão é conseqüência da Lei de Lenz,

que diz que a corrente induzida tem sentido que gera um fluxo induzido oposto ao

fluxo indutor, ΦB é o fluxo, e t é o tempo.

A Lei de Faraday permite calcular o valor da força eletromotriz induzida,

porém não determina o sentido da corrente elétrica. A unidade de medida da força

eletromotriz é dada em Volts (V). Essa Lei é muito utilizada na fabricação de

geradores elétricos, que transformam energia mecânica em elétrica.

Analisando a equação do fluxo magnético (Φ = B . A . cosθ ), conclui-se que

o fluxo magnético sofre variação sempre que houver variação na intensidade do

campo magnético (B), no valor da área (A) ou na orientação relativa entre a área e o

campo (θ). O fluxo das linhas de campo magnético tem como unidade de medida o

weber (W).

As aplicações da lei de Faraday são inúmeras, como em indutores,

alternadores, dínamos e transformadores. Todo equipamento eletro-eletrônico usa o

fenômeno da indução, com indutores no circuito ou com transformadores para variar

o nível de tensão.

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3 EXPERIMENTO DE OERSTED

Oersted, um físico dinamarquês, percebeu que quando a agulha de uma

bússola é colocada próxima de uma corrente elétrica, essa agulha é desviada de

sua posição. O deslocamento da agulha é explicado pela formação de um campo

magnético em volta do condutor percorrido pela corrente elétrica, pois uma agulha

magnética só entra em movimento quando está em um campo magnético. Essa foi a

primeira vez em que se observou o surgimento de um campo magnético junto com

uma corrente elétrica. Oersted contrariou cientistas do mundo todo pois, até então,

estes fenômenos eram vistos como totalmente independentes um do outro.

Sobre um fio condutor retilíneo, Oersted posicionou uma agulha magnética

que, livremente, orientava-se na posição norte-sul. Fazendo uma corrente elétrica

passar pelo fio, ele observou que a agulha sofria um desvio em sua orientação,

posicionando-se perpendicularmente ao fio. Ao interromper a passagem da corrente

elétrica, ele notou que a agulha voltou à sua posição original.

Com isso, ele concluiu que a corrente elétrica no fio próximo da agulha

magnética comportava-se como um ímã, estabelecendo um campo magnético em

torno do fio, e esse campo foi o responsável pelo desvio da agulha.

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Oersted observou que as cargas elétricas em movimento criam um campo

magnético em uma região do espaço próximo a elas, evidenciando o surgimento de

um campo magnético juntamente com a passagem de corrente elétrica, descoberta

fundamental para a unificação da eletricidade com o magnetismo. A união destes

dois fenômenos passou a constituir um importante ramo da ciência, denominado

eletromagnetismo.

4 INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Oersted, através de seus experimentos, provou que uma corrente elétrica

gera um campo magnético à sua volta. Tentando mostrar que o inverso também

seria verdade, Faraday provou que é possível um campo magnético gerar uma

corrente elétrica.

Partindo do princípio de que algum tipo de movimento ou variação do campo

magnético poderia provocar o movimento do fluido (acreditava-se, na época, que a

corrente elétrica fosse um fluido), Faraday tentou demonstrar que um campo

magnético é capaz de gerar uma corrente elétrica. Essa hipótese fez Faraday

descobrir a indução eletromagnética.

Em definição, indução eletromagnética é o fenômeno que dá origem a uma

corrente elétrica em um condutor exposto a um campo magnético variável, ou um

condutor móvel exposto a um campo magnético estático. A corrente elétrica

originada dessa forma recebe o nome de corrente induzida.

A indução eletromagnética existe sempre que há variação do fluxo

magnético que atravessa um condutor. A variação do fluxo pode ser obtida por

indução numa bobina, deslocando-se um ímã; indução numa bobina, produzida por

outra bobina; e indução num condutor retilíneo movendo-se em campo uniforme.

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A corrente induzida é proporcional ao comprimento do condutor, à sua

velocidade e à indução do campo magnético. Portanto, pode ser expressa

matematicamente como:

ε = L . B . v

A indução eletromagnética é o principio fundamental sobre o qual operam os

transformadores, motores elétricos e a maioria das demais máquinas elétricas,

princípio este que também permite transformar a energia mecânica de rotação em

eletricidade (no caso dos geradores).

5 CIRCUITOS INDUTIVOS

Indutor, também conhecido como bobina, é um elemento utilizado em

circuitos elétricos, eletrônicos e digitais, com a função de acumular energia através

de campo magnético. Uma bobina é composta por muitas voltas de fios e possui,

além da indutância, uma resistência. Na prática, costuma-se dizer que a indutância

vem sempre acompanhada de uma resistência, afirmação que não é totalmente

verdadeira, pois hoje existem materiais que, em baixas temperaturas, podem atingir

o estado de supercondutores e ter resistência elétrica nula.

Um circuito puramente indutivo é constituído por uma ou mais bobinas

perfeitas (resistência interna igual a zero).

Uma tensão CA aplicada a um circuito puramente indutivo tem a corrente

atrasada em relação à tensão. A tensão caminha 90° a frente da corrente, então se

diz que a tensão está adiantada em 90° com relação à corrente. Portanto há

defasagem de 90° entre elas. Tanto a corrente quanto a tensão são senóides de

mesma freqüência.

A tensão e a corrente variam periodicamente no tempo, e estão fora de fase

por um ângulo de 90°. No caso do circuito puramente indutivo, a corrente é atrasada

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em relação à tensão. Ligando um indutor a um circuito e desprezando o efeito

resistivo do condutor, o circuito se comporta como se estivesse em curto-circuito, e a

corrente tenda a aumentar rapidamente, fazendo aparecer uma tensão nos terminais

do indutor, impedindo que a corrente se estabeleça. Com o passar do tempo, a

corrente vai lentamente surgindo e a tensão no indutor vai diminuindo até entrar em

equilíbrio com a corrente e a tensão no indutor seja nula.

6 CURVA DE MAGNETIZAÇÃO

A curva de magnetização é um gráfico obtido experimentalmente, que

relaciona a indução magnética (B) com a intensidade do campo (H). O gráfico

também pode relacionar o fluxo magnético (Φ) com a corrente de excitação (I).

Considerando uma bobina com núcleo de ar, o aumento da corrente elétrica

na bobina provoca um aumento do fluxo magnético e, conseqüentemente, da

indução magnética. A relação do aumento do fluxo magnético é proporcional ao

aumento da corrente.

Ao introduzir um material ferromagnético no interior da bobina, o fluxo

magnético terá valores muito maiores do que na bobina com núcleo de ar. Esse

aumento ocorre devido ao fato de os átomos serem “pequenos ímãs” que se alinham

conforme as linhas de força do campo magnético que a corrente produz. Ao se

alinharem, o fluxo que possuem é somado ao fluxo inicial. Quanto maior for a

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corrente, mais átomos estarão se alinhando e maior será o fluxo total. Enquanto a

corrente é aumentada, a quantidade de elétrons desalinhados vai diminuindo e, por

isso, o fluxo não aumenta proporcionalmente à corrente. Quando todos os átomos

estiverem alinhados, a relação entre o aumento do fluxo e da corrente volta a ser

linear, mas com valor baixo, semelhante ao da bobina com núcleo de ar. Portanto, a

linha do gráfico torna-se paralela à linha correspondente à bobina com núcleo de ar,

como pode ser visto na imagem abaixo.

7 HISTERESE MAGNÉTICA

É a tendência de um material ferromagnético conservar suas propriedades

magnéticas na ausência do estímulo que as gerou.

Quando o campo magnético aplicado a um material ferromagnético (ferro,

níquel, cobalto e as ligas compostas com esses elementos químicos) for aumentado

até a saturação e, em seguida, for diminuído, esses materiais ficam magnetizados

permanentemente. Após serem magnetizados, não perdem facilmente sua

magnetização, a não ser que forem aquecidos até a temperatura de Curie, ou se for

aplicado um campo magnético oposto ao qual foram magnetizados.

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Um material ferromagnético exposto a um campo magnético com aumento

de intensidade sai do ponto o (desmagnetizado) e chega no ponto a (completamente

magnetizado).

Ao diminuir o campo magnético até zero, a magnetização do material não

retorna para zero, mas para no ponto b. Assim, o material fica com uma

magnetização permanente, chamada de magnetização remanente.

Se, a partir desse ponto, o campo externo for invertido e aumentado, a

magnetização vai desaparecer no ponto c, onde o campo atinge o valor de

coercividade do material, que é o campo magnético necessário para desmagnetizar

completamente o material que anteriormente estava imantado.

Se o campo magnético oposto à magnetização inicial for aumentado ainda

mais, o material será magnetizado inversamente (ponto d) e, se retirado o campo

magnético, o material seguirá magnetizado com magnetização inversa à inicial

(ponto e).

Esse processo de magnetização e desmagnetização está demonstrado na

imagem abaixo, conhecida como curva de histerese.

Na eletrônica, a histerese é utilizada para filtrar sinais de forma que a saída

reaja de maneira retardada à história desse sinal. Num termostato, por exemplo, um

sinal pode acioná-lo quando a temperatura baixar de x °C, e só desligará quando a

temperatura ultrapassar y °C.

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8 POTÊNCIAS ATIVA, REATIVA E APARENTE

Nos circuitos com corrente alternada existem três tipos de potência.

A potência ativa em circuitos CA representa a energia que está sendo

convertida em trabalho no equipamento. É medida em Watts (W), também pode ser

chamada de potencia real e é calculada pela equação:

P = E . I . cosφ

Onde E = tensão sobre o equipamento/componente, em Volts, I é o valor da

corrente elétrica, em ampères, e φ é o ângulo de fase entre a tensão e a corrente.

A potência reativa não realiza trabalho útil, apenas mantém os campos

magnéticos das cargas indutivas, circulando entre o gerador e a carga, exigindo uma

corrente adicional. É a quantidade de energia que circula entre os campos elétricos

e magnéticos de um circuito de CA. É medida em Volt-Ampère reativo (Var) e

calculada pela fórmula:

Q = E . I . senφ

A potência aparente é a potência total fornecida pela fonte, medida em Volt-

Ampère (VA).

Entre estas três potências existe uma relação chamada de fator de potência,

que é o cosseno do ângulo entre a potência ativa e a reativa (ou o cosseno do

ângulo de fase, formado ente a tensão e a corrente). A potência aparente é a soma

fasorial da potência ativa e da reativa.

Conhecendo- se os valores da potência ativa e reativa, a potência aparente

pode ser calculada por:

S2 = P2 + Q2

Sabendo os valores de duas grandezas dentre S, P, Q e fator de potência, é

possível determinar as grandezas restante utilizando a trigonometria.

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9 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TRANSFORMADORES

Transformadores são equipamentos utilizados na transformação de valores

de tensão e corrente, além de serem usados na modificação de impedâncias em

circuitos elétricos. O transformador é um dispositivo que não tem partes móveis,

utiliza a lei de indução de Faraday e não funciona com corrente contínua.

O princípio básico de funcionamento de um transformador é o fenômeno

conhecido como indução eletromagnética: quando um circuito é submetido a um

campo magnético variável, aparece nele uma corrente elétrica cuja intensidade é

proporcional às variações do fluxo magnético.

Quando uma corrente alternada é ligada no enrolamento primário é

produzido um campo magnético que é proporcional ao número de voltas do fio em

torno do metal e a intensidade da corrente aplicada. O fluxo magnético que é

produzido chega ao núcleo do braço metálico e sem encontrar resistência chega ao

enrolamento secundário.

Após chegar ao enrolamento secundário, por indução eletromagnética, cria-

se uma corrente elétrica que tem variação de acordo com a corrente do enrolamento

primário e também com o número de espiras dos dois enrolamentos.

A relação entre as voltagens no primário e no secundário, bem como entre

as correntes nesses enrolamentos, pode ser facilmente obtida: se o primário tem Np

espiras e o secundário Ns, a voltagem no primário (Vp) está relacionada à voltagem

no secundário (Vs) por Vp/Vs = Np/Ns , e as correntes por Np/Ns = Is/Ip. Desse

modo um transformador ideal (que não dissipa energia), com 100 ( cem ) espiras no

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primário e cinqüenta no secundário, percorrido por uma corrente de 1 Ampère, sob

110 Volts, fornece no secundário, uma corrente de 2 Ampères e 55 Volts.

10 SISTEMAS TRIFÁSICOS EQUILIBRADOS

Um sistema trifásico é dito equilibrado quando a amplitude e o defasamento

das três fases são idênticos (defasamento de 120°). Uma característica desses

sistemas é a soma das tensões das fases ser nula em qualquer instante.

10.1 CARGAS EQUILIBRADAS EM ESTRELA (Y)

Serão consideradas três impedâncias iguais, conectadas para formar uma

carga equilibrada em estrela, alimentadas pelas fases A, B e C da rede, ou R, S, e T.

As correntes de linha são iguais às correntes de fase, e ambas são

calculadas pela Lei de Ohm. A tensão de linha é a tensão de alimentação do circuito,

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medida entre as fases. A tensão de fase é medida entre uma das fases e o neutro

(N), ponto central da estrela.

10.2 CARGAS EQUILIBRADAS EM TRIÂNGULO (Δ)

Nesse sistema tem-se três impedâncias iguais conectadas para formar a

carga trifásica equilibrada em forma de triângulo.

As correntes que passam pelas cargas são as correntes de fase do circuito,

e são determinadas dividindo-se a corrente de linha por √3. A tensão de linha é igual

à tensão de fase.

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11 CONCLUSÃO

Com a realização desta pesquisa, pôde-se mais uma vez constatar que os

estudos sobre a eletricidade e o magnetismo foram fundamentais para o avanço

tecnológico, fazendo com que o surgimento dos motores elétricos revolucionasse a

indústria, alterando o sistema produtivo.

Também é válido ressaltar que o trabalho de pesquisadores como Faraday e

Oersted nos ajudaram a entender a eletricidade e utilizá-la a nosso favor.