Materiais Magnéticos

Prévia do material em texto

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS 
BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA 
MATERIAIS ELÉTRICOS 
 
 
 
 
 
Felipe Santos Ladeia Loiola (201712060228) 
Henrique Silva Cardoso (20183025704) 
Larissa de Castro Braga (20183000581) 
Lucas Coelho de Lima (20183001542) 
 
 
 
 
 
MATERIAIS MAGNÉTICOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Belo Horizonte, Minas Gerais 
Julho, 2019 
Felipe Santos Ladeia Loiola (201712060228) 
Henrique Silva Cardoso (20183025704) 
Larissa de Castro Braga (20183000581) 
Lucas Coelho de Lima (20183001542) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MATERIAIS MAGNÉTICOS 
 
 
 
 
 
Trabalho apresentado à disciplina Materiais 
Elétricos do curso de graduação de Engenharia 
Elétrica do CEFET-MG como requisito parcial 
para a aprovação no semestre letivo (2019/1). 
 
Professora: Cássia Regina Santos Nunes 
Almeida. 
 
 
 
 
 
 
 
Belo Horizonte, Minas Gerais 
Julho, 2019 
SUMÁRIO 
 
1. INTRODUÇÃO E CONTEXTO HISTÓRICO .............................................................. 1 
2. CONCEITOS BÁSICOS ................................................................................................. 2 
2.1 O domínio .................................................................................................................... 2 
2.2 Classificação magnética dos materiais .......................................................................... 3 
3. PRINCIPAIS APLICAÇÕES .......................................................................................... 5 
3.1 Ressonância Magnética ................................................................................................ 5 
3.2 Transformadores .......................................................................................................... 7 
3.3 Motores de Indução ...................................................................................................... 9 
3.4 Motores de Indução Trifásicos ....................................................................................10 
3.5 Motores de Indução Monofásicos ................................................................................11 
4. APLICAÇÕES MODERNAS .........................................................................................13 
4.1 Controle de micro robôs a partir de campo magnéticos ................................................13 
4.2 Nanocristais de alta permeabilidade.............................................................................13 
4.3 Carregamento de baterias por indução .........................................................................13 
4.4 Trem Maglev ..............................................................................................................14 
4.5 Metamateriais .............................................................................................................14 
5. CONCLUSÃO ................................................................................................................16 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...........................................................................17 
 
 
1 
1. INTRODUÇÃO E CONTEXTO HISTÓRICO 
 
O magnetismo está presente em muitas situações cotidianas, seja de forma explícita, como no 
caso dos ímãs de geladeira, no uso de bússolas, ou seja, de forma menos evidente, como no 
funcionamento de aparelhos auto-falantes, televisores, telefones, entre outras. 
O primeiro fenômeno magnético observado foi a atração entre objetos que contêm ferro e imãs 
naturais. Houve um longo caminho desde a primeira observação até a construção da teoria do 
eletromagnetismo como conhecemos hoje. 
Na Grécia antiga, os gregos observaram que certo mineral encontrado na região da Magnésia, 
na Turquia, em estado natural, era capaz de atrair pedaços de ferro. Posteriormente, esse mineral foi 
chamado de magnetita. Atualmente, sabe-se que o principal constituinte da magnetita é um óxido de 
Ferro (Fe3O4) e que esse material tem a propriedade física de atrair não somente o Ferro, mas também 
o Cobalto, o Níquel, o Manganês e numerosas ligas desses metais. 
Embora o uso social dos ímãs naturais como a magnetita já fosse difundido, depois da 
invenção da bússola pelos chineses (por volta do século XI), houveram poucos estudos sobre o 
magnetismo nos séculos seguintes. Uma exceção ocorreu no século XIII, quando o francês Pierre 
Pèlerin de Maricourt, propôs que a força atrativa dos ímãs estava concentrada em dois pontos, os quais 
chamou de pólos, orientados espontaneamente um para o Norte e o outro para o Sul da Terra. 
O primeiro estudo de magnetismo considerado importante foi o livro “De Magnete”, 
publicado em 1600 pelo inglês William Gilbert, médico da rainha Elizabeth I. Gilbert realizou muitos 
experimentos sobre o assunto e descreveu, de maneira sistemática, certas propriedades dos ímãs como 
o seu poder de atração e repulsão. 
Para Gilbert, a atração de alguns objetos metálicos por ímãs e a repulsão por outros ímãs se 
daria por meio de correntes fechadas, chamadas de “effluvia”, as quais emergiam do pólo de um ímã 
em direção ao pólo de outro ímã. As effluvias arrastariam consigo os metais e outros ímãs ao 
retornarem ao ímã que as originava ou empurrariam outros ímãs quando houvesse repulsão. Gilbert 
também propôs que os pólos dos ímãs podem se atrair ou repelir, dependendo de serem iguais ou 
diferentes, mas ambos atraem materiais feitos de Ferro, Cobalto e Níquel, materiais chamados de hoje 
de ferromagnéticos. 
Os fenômenos elétricos e magnéticos foram estudados separadamente até 1820, quando o 
físico dinamarquês Hans Christian Oersted descobriu que a passagem de uma corrente elétrica em um 
fio condutor desvia uma agulha imantada que esteja próxima. Nos anos seguintes, o vínculo entre a 
eletricidade e o magnetismo tornou-se cada vez mais evidente, após os trabalhos efetuados por 
diversos cientistas, em que se destacaram Jean Marie Ampère, Michael Faraday e James Clerk 
Maxwell, até que ficou plenamente estabelecida a área da Física conhecida como eletromagnetismo, 
que é fundamental para a Engenharia Elétrica. 
2 
2. CONCEITOS BÁSICOS 
 
2.1 O DOMÍNIO 
Quando André-Marie Ampère descobriu que os efeitos magnéticos também poderiam ser 
produzidos por correntes ele propôs a teoria de que as propriedades magnéticas de um corpo fossem 
originadas por um grande número de minúsculas correntes circulares dentro desse corpo. O campo 
magnético total no material seria, então, a soma do campo gerado pela corrente externa com o campo 
gerado por estas correntes microscópicas. Mais tarde, foi desenvolvida a teoria dos domínios onde se 
mostra que, os elétrons apresentam uma propriedade chamada spin que faz com que eles se 
comportem como pequenos imãs. Nos materiais magnéticos, o campo total devido aos spins dos 
elétrons é zero, seja porque eles se anulam naturalmente, seja porque estão orientados de forma 
aleatória. Em materiais magnéticos, como o ferro e o aço, os campos magnéticos dos elétrons (grupos 
de até 1012 elétrons) se alinham formando regiões que apresentam magnetismo espontâneo. Essas 
regiões são chamadas de domínios. 
Em uma peça não-magnetizada de um material magnético os domínios estão distribuídos de 
forma aleatória e o campo magnético total em qualquer direção é zero. Quando esse material sofre a 
ação de uma força magnetizante externa, os domínios que estão aproximadamente alinhados com o 
campo aplicado crescem à custa dos outros domínios, como mostrado na figura abaixo. Se o campo 
externo aplicado for suficientemente intenso, todos os domínios se orientarão nessa direção e, daí em 
diante,qualquer aumento do campo externo não causará nenhum aumento na magnetização da peça. 
Nesse caso diz-se que o material atingiu a saturação. 
Quando o campo magnético externo é removido, o grau de alinhamento diminui e o campo no 
interior do material cai para um valor, não necessariamente igual ao anterior, ou seja, a remoção da 
força magnetizante faz com que alguns domínios voltem a ficar desalinhados. Essa perda do 
alinhamento, porém, não é total e os domínios alinhados remanescentes são os responsáveis pela 
existência dos imãs permanentes. 
 
Figura 1: Domínios antes e depois de uma magnetização. Fonte: https://bit.ly/2WX2tN4 
 
 
 
3 
2.2 CLASSIFICAÇÃO MAGNÉTICA DOS MATERIAIS 
Fisicamente, os materiais podem pertencer ao grupo dos materiais ferromagnéticos, 
diamagnéticos, paramagnéticos, antiferromagnéticos e ferrimagnéticos 
Ferromagnéticos: Os materiais ferromagnéticos, ferro, níquel e o cobalto, têm átomos com 
momentos magnéticos permanentes. Esses momentos magnéticos estão alinhados, mesmo em ausência 
de um campo magnético externo. Entretanto a agitação térmica em temperaturas suficientemente 
elevadas transforma esse tipo de material em paramagnético. Nos materiais ferromagnéticos, devido 
ao alinhamento dos momentos magnéticos no interior do material, estes produzem um campo 
magnético, mesmo em ausência de campo externo. 
Caracterizam-se por uma magnetização espontânea, que é totalmente independente de campos 
magnéticos externos. A grandeza dessa magnetização depende da temperatura que, quando crítica o 
material passa de ferromagnético para diamagnético. 
Diamagnético: Um material diamagnético como o bismuto, quando é colocado na presença de 
um campo magnético externo, a densidade do fluxo magnético resultante dentro do material é reduzida 
drasticamente. Os momentos magnéticos no interior do material são alinhados contra o campo externo. 
Neste sentido os materiais diamagnéticos são caracterizados, também, pelo fato de que os 
átomos não produzem um momento magnético permanente. Ou, mais exatamente, os efeitos das 
micro-correntes no interior de um dos átomos se anulam, tal que o momento magnético resultante no 
átomo é zero. Nessas circunstâncias, quando aplicamos um campo magnético, pequenas correntes são 
produzidas no interior do átomo por indução magnética. De acordo com a lei de Lenz, essas correntes 
são tais que se opõem ao crescimento do campo externo. Então os momentos magnéticos induzidos 
nos átomos serão na direção oposta ao campo magnético aplicado. Assim, os momentos magnéticos 
induzidos nos átomos serão na direção oposta ao campo externo. 
Paramagnético: Quando um material paramagnético tal como a platina, é colocada na 
presença de um campo magnético externo, os momentos magnéticos do material são alinhados com o 
campo externo, e o fluxo de campo dentro do material é aumentado. As linhas de campo magnético 
externo penetram no material se alinhando com a mesma direção do campo. Em termos dos 
parâmetros magnéticos, os materiais paramagnéticos são caracterizados pela magnetização M na 
mesma direção de B. 
Os materiais paramagnéticos são caracterizados, também, por átomos que têm um momento 
magnético permanente. Os movimentos orbitais dos elétrons e os spins produzem correntes circulares 
que são diferentes de zero. 
O paramagnetismo é completamente inexplicado em termos do eletromagnetismo clássico. Se 
a magnetização dos materiais fossem atribuídas somente aos elétrons orbitando nos átomos, a partir da 
lei de Lenz poderíamos esperar que todos os materiais se comportariam como os diamagnéticos na 
presença de campo externo. A origem do paramagnetismo é o momento magnético constante 
4 
associado com o spin eletrônico. Como não existe um conceito clássico equivalente ao spin (quântico) 
podemos afirmar que este fenômeno só pode ser explicado com a ajuda da teoria quântica. 
Antiferromagnético: A interação antiferromagnética em materiais como dióxido de 
manganês, encontram-se, atreladas às interações de troca que ocorrem entre átomos vizinhos. Assim 
como no ferromagnetismo a interação implica a existência de momentos magnéticos permanentes nos 
átomos, mas ao contrário do que ocorre no ferromagnetismo, as interações de troca levam nesse caso 
ao alinhamento dos momentos magnéticos dos átomos em sentidos opostos, em um processo bem 
similar ao que ocorre com as orientações dos spins de dois elétrons quando ocupam o mesmo orbital 
atômico. Materiais antiferromagnético apresentam assim momentos magnéticos efetivos 
extremamente pequenos para não dizer completamente nulos. 
Materiais antiferromagnéticos tradicionalmente não respondem de forma significativa à 
aplicação de campos magnéticos moderados. Podem vir a fazê-lo de forma moderada se imersos em 
campos magnéticos exorbitantes, contudo. Nesse caso alguns dos momentos de dipolo magnéticos da 
estrutura alinham-se paralelos ao campo em detrimento do alinhamento antiparalelo com os íons 
vizinhos. 
Materiais antiferromagnéticos também têm suas propriedades dependentes da temperatura. Em 
temperaturas acima de uma temperatura limite conhecida como temperatura de Néel estes tornam-se 
paramagnéticos. 
Ferrimagnético: Nos materiais inclusos na classe ferrimagnéticos observa-se que a ação da 
interação de troca leva os momentos de dipolos magnéticos a se alinharem em configuração 
antiparalela, em um processo muito similar ao observado em materiais antiferromagnéticos. Diferentes 
desses últimos, contudo, nas substâncias ferromagnéticas estão presentes dois ou mais tipos diferentes 
de íons, esses com momentos de dipolo diferentes, de forma que a magnetização resultante não é nula. 
Há assim a formação de domínios similares aos observados no ferromagnetismo. 
Os materiais ferrimagnéticos, também chamados de ferrites, exibem comportamento 
magnético macroscópico intermediário entre os observados em materiais ferromagnéticos e em 
materiais antiferromagnéticos. O comportamento dos domínios em ferrites são similares aos 
observados nos materiais ferromagnéticos no que se refere aos aspectos que levam a uma elevada 
permeabilidade magnética característica desses materiais. O ferrites magnetizam-se com extrema 
facilidade. Contudo, ao contrário do observado em materiais ferromagnéticos, os ferrites não retêm 
magnetização quando o campo excitante é removido. 
 
5 
3. PRINCIPAIS APLICAÇÕES 
 
3.1 RESSONÂNCIA MAGNÉTICA 
A imagem por Ressonância magnética representa o mais excitante avanço nos métodos de 
imagem desde que se iniciou a radiologia médica em 1895, com a construção do primeiro 
equipamento de raios-X. O aparelho é composto por uma estrutura semelhante a do equipamento de 
tomografia computadorizada, mas no seu caso, possui um magneto potente e uma unidade de 
processamento, na qual a imagem é gerada. 
A técnica fundamenta-se em três etapas: alinhamento, excitação e detecção de rádio 
frequências. O alinhamento se refere à propriedade magnética de núcleos de alguns átomos, que 
tendem a se orientar paralelamente a um campo magnético. Por razões físicas e pela abundância nos 
tecidos corporais, o núcleo do hidrogênio (próton) é o elemento utilizado para produzir imagens de 
seres biológicos. Assim, para que estes átomos sejam orientados numa certa direção, é necessário um 
campo magnético intenso, que é habitualmente de 1,5T (30 mil vezes o campo magnético produzido 
pelo planeta). 
Cada núcleo de hidrogênio vibra em uma determinada frequência proporcional ao campo 
magnético em que está localizado. Em 1,5T, o hidrogênio tem frequência de 63,8MHz. O aparelho 
emite então uma onda eletromagnética nessa mesma frequência. Existe uma transferência de energia 
da onda emitida pelo equipamento paraos átomos de hidrogênio, fenômeno conhecido como 
ressonância. Quando os núcleos recebem esta energia, tornam-se instáveis. Ao retornar ao estado 
habitual, eles emitem ondas eletromagnéticas na mesma frequência (63,8MHz - faixa de ondas de 
rádio). Então o equipamento detecta essas ondas e determina a posição no espaço, uma vez que o sinal 
retornado é proporcional à concentração de prótons. Essa intensidade é mostrada como “brilho” na 
imagem, sendo utilizada a nomenclatura de intensidade de sinal. 
Deve-se considerar que a imagem final do exame é formada com a adição aleatória de pontos 
nos diversos cortes, sendo que qualquer movimentação acarretará na perda de pontos, inviabilizando a 
formação final das imagens e obrigando a repetição do exame desde o início. Desta forma, pacientes 
que, mesmo que colaborativos não conseguem manter a imobilidade devem ser submetidos à 
anestesia. 
Deve-se ter cuidado especial em relação aos portadores de próteses, clipes, marca passos e 
objetos metálicos, pois qualquer metal que contenha ferro, ao ser submetido a um campo magnético, 
pode gerar calor, provocando queimaduras, ou ser atraído violentamente pelo magneto, levando a 
danos tanto do aparelho como das pessoas em sua proximidade. Objetos que contenham bronze, 
alumínio, cobre, titânio, ouro e prata são permitidos. 
Os magnetos utilizados nos equipamentos de ressonância magnética podem ser de três tipos: 
6 
• Magneto resistivo: os fios que constituem a bobina são enrolados ao redor de um cilindro por 
onde passa a corrente elétrica. Esses magnetos são mais baratos de construir, porém 
necessitam de até 50kW e produzem campos de até 0,3T. 
• Magneto permanente: é constituído por um ímã permanente. São muito pesados e produzem 
campos magnéticos de até 0,4T. 
• Magneto supercondutor: são os mais utilizados. O fio é continuamente banhado em hélio 
líquido a uma temperatura de -233,5°C. O hélio que é utilizado para transformar o material da 
bobina em supercondutor ainda é muito caro, mas o equipamento que possui este tipo de 
magneto pode gerar facilmente campos de 0,5 a 2,0T, produzindo imagens com uma qualidade 
altíssima. Uma vez que a corrente passa pelo magneto, ela circula indefinidamente sem a 
necessidade de uma fonte, já que não há perdas elétricas nos supercondutores. Isto impede, 
consequentemente, o desligamento do aparelho de ressonância magnética. Quando há algum 
problema na máquina de ressonância magnética ou alguma emergência que requeira a 
diminuição imediata do campo magnético, o gás hélio deve ser esgotado através de um duto 
especial chamado de “tubo quench” ou duto de exaustão de emergência. 
 
Figura 2: Tubo quench. 
 
Etapas para a geração da imagem: 
• Alinhamento: o núcleo do hidrogênio presentes nos tecidos alinha-se com o campo 
magnético intenso produzido pelo equipamento. 
• Excitação: o aparelho de ressonância magnética emite uma onda eletromagnética de 
frequência de 63,8MHz. Esta energia é transferida aos átomos, que ficam instáveis. 
• Detecção: ao retornar ao estado habitual, eles emitem ondas eletromagnéticas na mesma 
frequência em que foram excitados, e o equipamento detecta este sinal. O sinal é proporcional 
a concentração de prótons nos diversos tecidos. 
7 
• Processamento dos sinais: através de um software, os dados obtidos na etapa anterior são 
processados computacionalmente para a geração da imagem em tons pretos e brancos. 
 
Quando se compara com outros métodos de geração de imagens pode-se apontar as vantagens 
da ressonância magnética: 
• Não utiliza radiação ionizante; 
• Alta resolução e alto contraste entre órgãos internos; 
• Largamente utilizado para imagens do cérebro, coluna e articulações. 
Entre as desvantagens, além da necessidade do resfriamento do gás hélio: 
• Equipamento caro e nem sempre disponível; 
• Incidência alta (até 10%) de varredura interrompida, resultado de claustrofobia. Esta 
incidência tem diminuído dentro das máquinas mais novas que são mais abertas; 
• Contraindicação para alguns casos de próteses e de marca passo. 
 
3.2 TRANSFORMADORES 
Os transformadores são utilizados em vários equipamentos do nosso cotidiano, como, por 
exemplo, nas instalações elétricas e em equipamentos que utilizam como princípio de funcionamento a 
eletricidade. Também são utilizados na transformação de valores de tensão e corrente, além de serem 
usados na modificação de impedâncias em circuitos elétricos. 
 
Figura 3: Esquemático de um transformador. Fonte: https://bit.ly/2Uu8Vz3 
É importante, tanto para a segurança quanto para o bom funcionamento (eficiência) dos 
aparelhos elétricos, que a tensão que sai da usina geradora de energia elétrica e a tensão que chega até 
as residências sejam relativamente baixas. 
Mas, por outro lado, quando se transmite energia da usina até as casas, indústrias etc., é 
preferível que se trabalhe com uma corrente elétrica muito baixa, mas para que a corrente seja 
relativamente baixa a tensão produzida deve ser bastante alta. Para que se eleve a tensão são utilizados 
os transformadores. 
O princípio de funcionamento de um transformador é baseado nas leis de Faraday e Lenz, as 
leis do eletromagnetismo e da indução eletromagnética, respectivamente. 
8 
Quando ligamos uma corrente alternada 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 corrente do enrolamento primário e com o número de espiras 
dos dois enrolamentos. 
Estes equipamentos possuem mais de um enrolamento, sendo que estas partes são chamadas 
de primário e secundário em casos de transformadores com dois enrolamentos, e em transformadores 
que possuem três enrolamentos, além dos dois nomes já citados, o terceiro enrolamento é denominado 
terciário. 
 
Figura 4: Equação fundamental do transformador. Fonte: https://bit.ly/2KM6mmA 
Existem diversos tipos de transformadores: os monofásicos, que operam no máximo em duas 
fases (127V -220V ); os trifásicos (ou de potência), que funcionam em três fases (220V-380V-440V) e 
são aplicados na transformação de tensão e corrente, em que eleva-se a tensão e diminui-se a corrente, 
assim diminuindo a perda por Efeito Joule (perdas por sobreaquecimento nos enrolamentos); os 
autotransformadores, que tem o seu enrolamento secundário ligado eletricamente ao enrolamento 
primário e os de baixa potência, que são utilizados unicamente para diminuir impedâncias de circuitos 
eletrônicos e para casar impedâncias, a utilização deste tipo de transformador se dá a partir da 
acoplagem deste à entrada do primário de outro transformador. 
Além de serem classificados de acordo com o fim a ser usado, ainda existe a classificação de 
acordo com o núcleo. Os tipos de transformadores de acordo com o núcleo são: os de núcleo de ar, 
cujos enrolamentos ficam em contato com a própria atmosfera e os de núcleo ferromagnético, onde 
são usadas chapas de aço laminadas (no geral usam-se chapas de aço-silício, por diminuírem a perda 
por Corrente de Foucault ou correntes parasitas). 
Alguns transformadores são sensíveis a acoplamento estático nos enrolamentos, por isso eles 
recebem uma proteção chamada de Blindagem Eletrostática. 
Exemplos práticos de transformadores: Aquele transformador que você vê na rua é um 
típico transformador de potência trifásico, este recebe a tensão que vem da estação de distribuição, que 
está no nível de 13,8 KV(13800 Volts) e transforma em 127V e 220V. O transformador que você usa 
9 
em casa, é um transformador monofásico, ele transforma tanto 127V em 220V como 220V em 127V. 
E ainda existem os transformadores usados em circuitos eletrônicos, que transformam a tensão da sua 
rede em tensões significativamente menores. 
 
3.3 MOTORES DE INDUÇÃO 
Os motores elétricos são máquinas assíncronas que possuem a capacidade de converter a 
energia elétrica em energia mecânica. Os motores combinam as vantagens da energia elétrica com o 
baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade no comando. Os motores de indução 
possuem uma construção aparentemente simples e seus custos são reduzidos, como por exemplo 
manutenção, fabricação e montagem, além de fácil adaptação às cargas de diversos tipos. 
Podemos separar os motores por uma infinidade de características, mas o fator determinante, 
que diferencia as classes de motores é a sua fonte de energia, pois existem os motores que funcionam 
com corrente contínua e outros com corrente alternada, monofásicos, bifásicos e finalmente trifásicos. 
Um motor de indução é composto basicamente de duas partes: Estator e Rotor. O espaço entre 
o estator e o rotor é denominado entreferro. O estator constitui a parte estática e o rotor a parte móvel. 
O estator é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente ou de aço silício 
para reduzir ao mínimo as perdas por correntes parasitas e histerese. Estas chapas têm o formato de um 
anel com ranhuras internas (vista frontal) de tal maneira que possam ser alojados enrolamentos, os 
quais por sua vez, quando em operação, deverão criar um campo magnético no estator. 
O rotor é tudo que gira em torno de seu próprio eixo, de forma a produzindo movimentos de 
rotação. Também é composto de chapas finas de aço magnético tratadas termicamente, com o formato 
também de anel (vista frontal) e com os enrolamentos alojados longitudinalmente. 
 
Figura 5: Esquema de um motor de indução. Fonte: https://bit.ly/2KPoATn 
 
 
 
10 
3.4 MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS 
Antes entender o que é e como funciona um motor elétrico trifásico é bom destacar o que 
exatamente um sistema de distribuição trifásica. 
Inventado no fim da década de 1880, o sistema trifásico é a forma mais comum da geração, 
transmissão e distribuição de energia elétrica em corrente alternada. Este sistema incorpora o uso de 
três ondas senoidais balanceadas, defasadas em 120 graus entre si, de forma a equilibrar o sistema, 
tornando-a muito mais eficiente ao se comparar com três sistemas isolados. As máquinas elétricas 
trifásicas tendem a ser mais eficientes pela utilização plena dos circuitos magnéticos. 
A aplicação de tensão alternada nos enrolamentos do estator irá produzir um campo magnético 
variante no tempo que devido à distribuição uniforme do enrolamento do estator irá gerar um campo 
magnético resultante girante na velocidade proporcional à frequência da rede trifásica. O fluxo 
magnético girante no estator atravessará o entre-ferro e por ser variante no tempo induzirá tensão 
alternada no enrolamento trifásico do rotor. Como os enrolamentos do rotor estão curto circuitados 
essa tensão induzida fará com que circule uma corrente pelo enrolamento do rotor o que por 
consequência irá produzir um fluxo magnético no rotor que tentará se alinhar com o campo magnético 
girante do estator. 
 
Figura 6: Representação das fases no estator do motor. Fonte: https://bit.ly/2wWX4v6 
 
Figura 7: Fechamento das bobinas do estator por fase. Fonte: https://bit.ly/2R9jz9l 
Como o valor das tensões induzidas no rotor no caso de rotor bobinado dependem da relação 
de espiras entre o rotor e o estator, o estator pode ser considerado como o primário de um 
transformador e o rotor como seu secundário. 
11 
Este tipo de motor quando acionado por uma turbina e operando com uma rotação acima da 
síncrona pode gerar potência ativa e entregá-la ao sistema onde está conectado, passando então a 
funcionar como gerador. 
Velocidade de sincronismo, também chamada de velocidade síncrona, é a velocidade de 
rotação do campo girante. O valor desta velocidade depende da maneira como estão distribuídas e 
ligadas as bobinas no estator do motor, bem como a frequência da corrente que circula no enrolamento 
do mesmo. É calculada pela seguinte expressão: 
𝑁𝑠 =
120 ∙ 𝑓
𝑝
 
Na qual: Ns= velocidade do campo girante, em rpm; f= frequência da rede de alimentação, em 
Hz; p= número de pólos. 
Escorregamento ou deslizamento ou SLIP, é a diferença entre a velocidade do campo girante 
e a velocidade do rotor, expresso em percentagem. É calculado pela seguinte expressão: 
𝑆 =
(𝑁𝑠 − 𝑁)
𝑁𝑠
∙ 100 
Na qual: S= escorregamento, em %; Ns= velocidade do campo girante, em rpm; N é a 
velocidade do rotor, em rpm. 
O escorregamento tem influência direta na frequência da força eletromotriz induzida na barra 
do rotor. No instante da partida, ou seja, quando o rotor está parado, o escorregamento é máximo, ou 
seja, S=1 e a frequência é igual a da tensão de alimentação. Sabemos que a frequência rotórica 
depende da velocidade de corte das linhas de força do campo girante, e como o escorregamento é 
diretamente proporcional a essa velocidade, conclui-se que a frequência rotórica é diretamente 
proporcional ao escorregamento. 
 
3.5 MOTORES DE INDUÇÃO MONOFÁSICOS 
A crescente necessidade de utilização de motores elétricos em atividades das mais diversas se 
tornou algo comum ao nosso dia a dia, no entanto os motores elétricos trifásicos foram feitos com 
utilizações mais pesadas em mente, portanto possui níveis de potência maiores dos que a necessidade 
de algumas aplicações, foi com esta situação em mente que os Motores de Indução Monofásicos 
(MIM) foram desenvolvidos. 
Pelo fato de possuir apenas uma fase o MIM possui níveis de potência consideravelmente 
menores se comparados aos níveis do MIT, no entanto esse é o objetivo! Uma menor potência 
desenvolvida reduz os gastos com redes elétricas trifásicas e possibilita pequenos 
comerciantes/industriais a realizar tarefas que se utilizado o MIT seria considerado um exagero para 
realizar. 
No entanto um problema ao pensar em um MIM é o fato do campo magnético não conseguir 
induzir movimento ao rotor da máquina devido a característica pulsativa do conjugado 
12 
eletromagnético que apenas uma fase realiza. Tal problema é resolvido com a utilização de bobinas 
auxiliares para a partida do MIM, que uma vez em velocidade nominal, consegue manter o movimento 
do rotor sem a necessidade do enrolamento auxiliar. 
Estas bobinas auxiliares são controladas por uma chave e o fato dela possibilitar o movimento 
do rotor está ligado a componente eletromagnética que esta bobina induz junto a bobina principal, 
fazendo com que o conjugado eletromagnético das duas bobinas seja girante, e não mais pulsativo. 
Umas das características das máquinas elétricas em geral é a possibilidade de utilizá-las para 
algumas tarefas específicas, e no MIM isto não é diferente, podemos controlar o conjugado da 
máquina utilizando modificações no enrolamento auxiliar e, junto a todas as vantagens de um motor 
elétrico nos dias de hoje, é possível considerar os motores elétricos em geral um avanço gigantesco na 
tecnologia aplicada ao desenvolvimento. 
 
13 
4. APLICAÇÕES MODERNAS 
 
4.1 CONTROLE DE MICRO ROBÔS A PARTIR DE CAMPO MAGNÉTICOS 
Uma das mais interessantes aplicações de materiais magnéticos deste estudo é a possibilidade 
de controle de micro robôs com as propriedades dos campos magnéticos de eletroímãs controlados por 
computadores, tornando avanços na medicina e nas indústrias algo mais concreto. 
O estudo estásendo realizado pelo laboratório de micro robótica da universidade de Toronto e 
um dos principais desafios para sua aplicação prática tem sido a dificuldade em controlar múltiplas 
células robóticas com variadas orientações muito próximas de si, devido a interferência dos campos 
magnéticos de umas nas outras. 
O potencial desta aplicação é muito grande e a tecnologia só tem a ganhar com os avanços 
potenciais desta aplicação, assim como as demais abordadas no estudo. 
 
4.2 NANOCRISTAIS DE ALTA PERMEABILIDADE 
Nanocristais de alta permeabilidade são ligas ferrosas com propriedades especiais como por 
exemplo baixas perdas, alta permeabilidade inicial, magnetostricção próxima de 0 e magnetização de 
saturação em torno de 1,2T. Estas ligas são constituídas por nanoestruturas de Fe-Si e por isso são 
denominadas Nanocristalinos. 
Por conta destas propriedades especiais os Nanocristais podem ser aplicados em 
Transformadores para Fornos de Indução e também em Indutores de modo comum; Os 
transformadores para fornos de indução necessitam de uma operação em alta frequência para 
funcionar, isso faz dos Nanocristais candidatos muito bons para serem utilizados na construção deste 
equipamento específico e, aliado a necessidade de se reduzir as perdas magnéticas presentes no 
transformador os nanocristais são amplamente recomendados para esta aplicação. 
No caso do Indutor de modo comum a necessidade de se usar os nanocristais se dá devido ao 
fato de que estes podem alcançar valores altos de indutância devido a sua alta permeabilidade, o que 
resulta num menor espaço físico ocupado pelo equipamento na hora de construí-lo pois será necessário 
bem menos espiras de nanocristais para a correta aplicação. 
 
4.3 CARREGAMENTO DE BATERIAS POR INDUÇÃO 
As tecnologias por trás dos smartphones têm avançado cada vez mais. Agora a grande 
novidade da área são os carregadores sem fio, que permitem que você recarregue seu celular e outros 
acessórios apenas colocando-os sobre o carregador ou nas proximidades deste, o chamado 
carregamento por indução. 
14 
Apesar de estar em alta, não é uma tecnologia tão nova assim. Já era falada dessa tecnologia 
desde os anos 90, porém em smartphones começou em 2015, chegando em alta no ano de 2018 e é 
muito útil, principalmente para aqueles usuários que buscam se livrar de fios cada vez mais. 
A tecnologia por trás desses carregadores é a indução magnética, é ela que permite que o cabo 
seja substituído por proximidade. Possui uma bobina no carregador e outro no celular, o carregador 
possui um transformador que diminui a tensão, quando passa a corrente pela bobina do carregador, 
induz uma corrente na bobina do celular, gerando uma corrente induzida, carregando a bateria do 
celular. O padrão de carregamento mais popular é o Qi, já teve adesão de grandes corporações, como 
Samsung e Apple. 
As vantagens desse tipo de carregador é a praticidade e segurança, já que a chance de ocorrer 
acidentes elétricos com o celular é menor, como curtos. E a principal desvantagem é o tempo de 
carregamento, pois a perdas de cerca de 30% no processo de indução. 
 
4.4 TREM MAGLEV 
Um dos desafios da humanidade atualmente é o transporte público em grandes centros 
urbanos, o crescente aumento da população mundial e a popularização de carros tem afetado 
diretamente o transporte em inúmeras metrópoles ao redor do mundo, no entanto uma das soluções 
que a tecnologia propões são métodos de transportes eficientes e rápidos como o Trem Maglev. 
A tecnologia por trás deste trem é baseada nos materiais magnéticos e suas propriedades, onde 
podem ser exploradas a levitação do trem por meio da repulsão magnética, atração magnética ou 
indução magnética, o que aumenta o leque de opções para a implementação do Trem Maglev em 
algum centro urbano; Outra característica interessante é a propulsão magnética, que faz o trem se 
mover a velocidades muito altas de até 500 Km/h, sendo esta baseada nos mesmos princípios usados 
na levitação dos vagões. 
As vantagens de se utilizar um Trem Maglev são: 
• Baixa emissão de poluentes e poluição sonora; 
• Viagens mais rápidas; 
• Economia de espaço na construção de trilhos e vagões. 
No entanto as desvantagens são: 
• Altos custos de implantação e manutenção; 
• Instabilidade dos vagões; 
• Sensibilidade dos circuitos de controle dos vagões. 
 
4.5 METAMATERIAIS 
O metamaterial é projetado para ter uma propriedade que não é encontrada em um material 
natural. Sua ideia principal é interagir com a luz de forma que materiais naturais não conseguem. Sua 
15 
construção é feita com interligação das características como densidade, permissividade, entre outras. 
Duas de suas possíveis aplicações são as lentes e a transmissão de energia elétrica sem fio. 
A lente é normalmente feita em formato específico de vidro para desacelerar a luz incidente, 
criando um foco. E se fosse possível maior flexibilidade nas propriedades do material para criar lentes 
mais simples, porém desenvolvendo a mesma função? Para isso, pode-se utilizar o metamaterial, a sua 
grade de estrutura metamaterial deve ter tamanho significamente menor que o comprimento de onda 
que se deseja controlar, isso a torna sofisticada. Na sua construção seria possível criar ondas 
totalmente diferente, além de criar lentes mais simples. 
A transmissão de energia elétrica ainda não tem estudos avançados pelo fato da dificuldade do 
sistema em atingir a frequência de ressonância, devido a distância. O uso do metamaterial propõe a 
alteração da propriedade de permeabilidade magnética, tornando-a negativa para aumentar o 
acoplamento magnético entre o transmissor e o receptor, gerando assim uma melhor eficiência do 
sistema. 
 
16 
5. CONCLUSÃO 
 
Através deste trabalho foi possível conhecer sobre os materiais magnéticos e as novas 
tecnologias que estão sendo desenvolvidas com os mesmos. Pode-se concluir que a pesquisa e o 
desenvolvimento de novas tecnologias nesta área são fundamentais para o avanço tecnológico e 
melhoria na qualidade de vida, além de ser fundamental para a manutenção da Engenharia Elétrica. 
Ademais, foi uma excelente oportunidade para aprimoramento de conhecimentos teóricos 
sobre o tema do trabalho, conteúdo que intercepta a matéria vista na disciplina de Física II, 
proporcionando assim, uma base mais sólida para a formação profissional dos autores deste trabalho. 
 
17 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
Brum, Bruno. Transformadores. s.d. https://bit.ly/2J9zhgx (acesso em 01 de Jul. de 2019). 
ILSEC. Motor trifásico e motor monofásico. Como funciona? 13 de Ago. de 2015. 
https://bit.ly/2XDasmZ (acesso em 01 de Jul. de 2019). 
Magalhães, Michel. Materiais Magnéticos. s.d. https://bit.ly/2NqRQmp (acesso em 01 de Jul. de 
2019). 
Mundim, Kleber C. Materiais magnéticos. 16 de Fev. de 2001. https://bit.ly/2XJuxYN (acesso em 01 
de Jul. de 2019). 
Mundo da Elétrica. Motor trifásico. Como funciona e qual sua aplicação? s.d. https://bit.ly/2XfNMVq 
(acesso em 01 de Jul. de 2019). 
—. Tipos de Transformadores. s.d. https://bit.ly/2LgvhL4 (acesso em 01 de Jul. de 2019). 
Silva, Domiciano Correa Marques da. Transformadores. s.d. https://bit.ly/2Uu8Vz3 (acesso em 01 de 
Jul. de 2019). 
Silva, Márcio Melquíades. “Ressonância magnética.” Em Equipamentos de diagnóstico e terapia por 
imagem, 69-73. Belo Horizonte, 2017. 
Só Física. Transformadores. s.d. https://bit.ly/2SoDV2i (acesso em 01 de Jul. de 2019). 
Válio, Adriana Benetti Marques. “Magnetismo em ímãs e bússolas.” Em Ser protagonista - Física 3, 
109. São Paulo: Edições SM, 2016. 
Wikipedia. Magnetismo. 24 de Jun. de 2019. https://bit.ly/2RQF5jE (acesso em 01 de Jul. de 2019). 
—. Motor de indução. 03de Jun. de 2019. https://bit.ly/2LUDuWv (acesso em 01 de Jul. de 2019). 
—. Sistema trifásico. 29 de Mar. de 2018. https://bit.ly/2FKquRL (acesso em 01 de Jul. de 2019).