RESOLUÇÃO LISTA DE MATERIAIS ELÉTRICOS

Prévia do material em texto

RESOLUÇÃO
MEL - Materiais Elétricos
LISTA DE EXERCÍCIOS Nº 3 - Materiais Magnéticos
1. O que se entende por permeabilidade magnética relativa? Ela é uma grandeza dimensional?
2. Defina o que é força magnetomotriz e a unidade utilizada para expressá-la no SI.
3. Escreva a fórmula que relaciona as três grandezas magnéticas seguintes: vetor B de densidade
magnética de fluxo (ou vetor de indução magnética); vetor H de campo de excitação magnético
e o vetor M de magnetização.
4. Como se classificam os materiais magnéticos à luz da permeabilidade magnética.
5. Uma bobina com núcleo de ar, com 1.200 espiras, tem 60cm de comprimento e uma seção de
100cm2. Quais são os volumes da indução magnética e do fluxo magnético, sabendo-se que ela é
percorrida por uma corrente elétrica de 0,5 ampère (adotar a permeabilidade de ar igual à do
vácuo, ou seja, 1,256 x 10-6 h/m)?
6. O que se entende por materiais paramagnéticos e diamagnéticos?
7. Quais os três materiais ferromagnéticos mais importantes?
8. Qual a relação clássica entre o campo de excitação H e o vetor B de indução magnética?
9. Uma bobina com 0,25m de comprimento e que possui 400 voltas conduz uma corrente de 15 ª
a) Qual é a magnitude da intensidade do campo magnético, H?
b) Calcule a densidade do fluxo B se a bobina estiver no vácuo.
c) Calcule a densidade do fluxo dentro de uma barra de cromo que está posicionada no
interior da bobina. A suscetibilidade para o cromo pode ser encontrada na tabela 20.2
10. Explique sucintamente por que a magnitude da magnetização de saturação diminui com o
aumento da temperatura para os materiais ferromagnéticos e por que o comportamento
ferromagnético deixa de existir acima da temperatura de Curie.
11. Descreva sucintamente o fenômeno da histerese magnética e por que ela ocorre para os
materiais ferromagnéticos.
12. Os dados a seguir se aplicam a uma ligação de açocarbono:
a) Construa um gráfico de B em função de H.
b) Quais são os valores de permeabilidade
inicial e da permeabilidade relativa inicial?
c) Qual é o valor da permeabilidade máxima?
d) Em aproximadamente qual campo H ocorre essa permeabilidade máxima?
e) A qual suscetibilidade magnética corresponde essa permeabilidade máxima?
13. Uma barra feita de uma liga ferro-silício tendo o comportamento B-H mostrado na figura é
inserida no interior de uma bobina com 0,40m de comprimento e com 50 voltas, através da qual
passa uma corrente de 0,1 A.
a) Qual é o campo B no interior
dessa barra?
b) Nesse campo magnético.
i) Qual é a permeabilidade?
ii) Qual é a permeabilidade
relativa?
iii) Qual é a suscetibilidade?
iv) Qual é a magnetização?
14. Cite as diferenças entre os materiais magnéticos duros e os materiais magnéticos moles em
termos tanto do seu comportamento de histerese, quanto das suas aplicações típicas.
15. Assuma que o ferro-silício (97Fe, 3Si) na tabela 20.5 atinja exatamente o ponto de saturação
quando inserido no interior da bobina do problema 9. Calcule a magnetização da saturação.
16. A figura mostra a curva de B em função de H para uma liga
níquel-ferro.
a) Qual é a densidade do fluxo de saturação?
b) Qual é a magnetização de saturação?
c) Qual é a remanência?
d) Qual é a coercividade?
e) Com base nos dados nas tabelas 20.5 e 20.6, você
classificaria esse material como um material
magnético mole ou duro? Por quê?
17. (Armazenamento magnético) Explique sucintamente a maneira pela qual as informações são
armazenadas magneticamente.
18. Apresente um esboço esquemático mostrando o comportamento de histerese para um ímã
ferromagnético que está sendo magnetizado gradualmente pelo seu ciclamento em um campo H
que alterna de direção e aumenta de magnitude.
19. As perdas por histerese e por correntes de Foucault introduzem limitações no desempenho de
equipamentos elétricos. Outros problemas são o envelhecimento do material magnético e
mudanças nas propriedades magnéticas devido ao processo de fabricação. Fale sobre as formas
que você conhece para minimizar cada um destes problemas, destacando suas vantagens e
limitações.
20. Explique em uma curva de histerese o que é magnetismo residual e força coercitiva. Como
devem ser estes valores para materiais que se destinam a fabricação de imãs permanentes?
Idem para eletroímãs.
QUESTÃO 1
A permeabilidade relativa é a razão entre a permeabilidade magnética de um determinado material com a permeabilidade do ar (. Cada material tem sua permeabilidade magnética própria, ou seja, a capacidade de propagar campo magnético, dada em henrys/metro. Os materiais ferromagnéticos (ferro, cobalto, níquel), por exemplo, tem uma alta capacidade de propagar campo magnético. Tomando como exemplo uma bobina que conduz eletricidade, devido à corrente que atravessa as espiras, surge um campo magnético induzido. Se no interior da bobina existe apenas o ar, a permeabilidade magnética vai ser . Se for um material ferromagnético será outra permeabilidade para o campo, bem maior. Portanto, permeabilidade relativa nada mais é do que a proporção entre a permeabilidade do material e a do ar. A permeabilidade relativa é uma grandeza adimensional.
QUESTÃO 2
É usualmente relacionada nos circuitos magnéticos ao seu equivalente nos circuitos elétricos que é a força eletromotriz. É dada pela expressão e normalmente sua fonte é uma bobina percorrida por uma corrente. Sua unidade é Ampére-espira [Ae] e junto com a relutância e fluxo magnético sua ideia é base fundamental para compreensão e resolução de circuitos magnéticos.
QUESTÃO 3
 
QUESTÃO 4
Podemos classificar os materiais em ferromagnéticos (positiva e alta permeabilidade relativa), paramagnéticos (positiva e baixa permeabilidade relativa) e diamagnéticos (negativa e baixa permeabilidade relativa).
QUESTÃO 5
N = 1200 espiras; L = 6.m; I = 0,5A; = 1,256. H/m; A=1
 
 
QUESTÃO 6
 São materiais magnéticos lineares, ou seja, sua permeabilidade relativa não muda com o campo aplicado. Os diamagnéticos possuem momento magnético permanente nulo, ou seja, o movimento dos elétrons em torno do núcleo e de rotação produzem campos se cancelam mutuamente. São pouco afetados por campo de excitação e têm um pouco menor que 1, ou seja, uma suscetibilidade magnética muito pequena e negativa. Nos paramagnéticos o momento magnético permanente é não nulo, apesar de ser bem pequeno em relação aos materiais ferromagnéticos. Se tiver um pouco maior que 1, ou seja, uma suscetibilidade magnética muito pequena e positiva.
QUESTÃO 7
Ferro, cobalto e níquel
QUESTÃO 8
 ; onde 
QUESTÃO 9
a) 
 
 
000 A.e/m
b)
 
 
 
c)
 
 
 
QUESTÃO 10
A temperatura de Curie é a temperatura limite que faz um material ferromagnético tornar-se paramagnético linear. O calor aumenta o estado de agitação dos átomos o que contribui para um desarranjo da disposição dos elétrons e consequentemente dificulta a sua magnetização. Um imã, aquecido acima da sua temperatura Curie, perde sua magnetização.
QUESTÃO 11
Quando um campo magnético externo é aplicado em um material, existe uma tendência desse material para se magnetizar, ou seja, os momentos magnéticos dos elétrons tendem a se alinhar com o campo aplicado. Se, ao acaso, se tratar de um material ferromagnético, quando esse campo externo for retirado, parte do alinhamento vai ser mantido, ficando parcialmente magnetizado. Mesmo quando eu retiro o campo externo sobre um material, existe um atraso em relação a um campo que persiste mediante a magnetização. Esse atraso é denominado histerese e a curva de histerese é a sua expressão gráfica quando construímos a curva BxH (do campo externo aplicado e o que permanece mediante a magnetização).
QUESTÃO 12
a)
b) 
Está aproximadamente no H de 0 a 15, logo:
 
c)
A permeabilidade máxima está em aproximadamente H com 100 e 50. Depois disso a inclinação no gráfico passa a diminuir, logo:
d) 
A intensidade do campo magnético em que acontecea permeabilidade máxima é aproximadamente perto de 70 A.e/m.
e) 
A suscetibilidade magnética correspondente à permeabilidade máxima dá-se por:
QUESTÃO 13
a)
Conforme já foi mostrado na questão 9, para uma bobina temos:
Consultando o gráfico apresentado, onde temos temos aproximadamente .
b) 
As características em relação ao ponto analisado no gráfico:
i) Permeabilidade: relação com a reta tangente traçada no gráfico, em relação ao ponto analisado.
ii) Permeabilidade relativa: 
iii) Suscetibilidade: 
iii) Magnetização: 
QUESTÃO 14
A área da curva de histerese, compreendida entre magnetização-desmagnetização, corresponde a uma perda de energia por unidade de volume, liberada na forma de calor (perda por histerese). Os materiais magneticamente moles perdem pouca energia por ciclo e são usados, por exemplo, em núcleos de transformadores. Apresentam alta permeabilidade inicial e baixa coercividade (campo necessário para zerar o campo induzido pela magnetização, ). Já os materiais magneticamente duros possuem alta remanência (campo residual após a retirada de H aplicado). A alta remanência, alta coercividade e alta indução de saturação (valor máximo para o campo induzido) resultam em altas perdas de energia por histerese. A capacidade de controlar é de grande importância para aplicações tecnológicas.
QUESTÃO 15
A equação 8.33 do livro do Sadiku (Elementos do Eletromagnetismo) nos dá:
Ele nos deu que . conforme calculado no problema 9. Substituindo na equação:
QUESTÃO 16
a) Densidade do fluxo de saturação
É o valor limite no eixo y, valor de B em que, mesmo aumentando H, o valor permanece. No caso .
b) Magnetização de saturação
c) Remanência
 T
d) Coercitividade
e) Mole ou duro
É mole porque está muito abaixo dos valores de coercividade dos materiais duros (na casa dos milhares e centenas de milhares). Além disso, o B de saturação a 1,5T está próximo dos valores da tabela de materiais mole.
QUESTÃO 17
Para o armazenamento no dispositivo é gerado um campo magnético na cabeça de leitura que magnetiza os dipolos magnéticos de óxido de ferro da superfície de gravação. O disco gira continuamente, variando a polaridade das moléculas na superfície magnética de acordo com a direção dos polos, representando assim dígitos binários (bits) de acordo com a polaridade requerida. Posteriormente, na leitura, um campo magnético é gerado pela cabeça de leitura e, quando em contato com os dipolos magnéticos da mídia, verifica se esta atrai ou repele o campo magnético e, portanto, a qual dígito binário se aplica.
QUESTÃO 18
QUESTÃO 19
A perda por Foucault está ligada a correntes induzidas devido à ação do campo magnético variável que atravessa o material ferromagnético. Para diminuí-las é possível fazer a laminação com camadas isolantes entre as chapas para aumentar a resistência às correntes. Ou usar materiais com alta resistência elétrica. As perdas por histerese acontecem quando há alternância de um campo magnético, fazendo os dipolos magnéticos atritar-se e aquecer o material, gerando perdas por calor. Uma solução seria usar materiais de maior permeabilidade magnética.
QUESTÃO 20
Magnetismo residual é a densidade de fluxo que continua mesmo quando a força magnetizante H é completamente removida (igual à zero) de um material no processo de magnetização cíclica. E força coercitiva é o valor de H necessária para anular essa densidade de fluxo. Os imãs permanentes são caracterizados por um grande laço B–H, alto magnetismo residual (alto valor de B) e elevada força coercitiva H.