Histerese Magnética

Sabemos que o fluxo magnético gerado por uma bobina eletromagnética é a quantidade de campo magnético ou linhas de força produzidas dentro de uma determinada área e que é mais comumente chamado de “Densidade de Fluxo”. Dado o símbolo B com a unidade de densidade do fluxo sendo o Tesla, T.

Sabemos também pelos tutoriais anteriores que a força magnética de um eletroímã depende do número de voltas da bobina, da corrente que flui através da bobina ou do tipo de material do núcleo sendo utilizado, e se aumentarmos a corrente ou o número de voltas podemos aumentar a força do campo magnético, símbolo H.

Anteriormente, a permeabilidade relativa, símbolo μr foi definida como a relação da permeabilidade absoluta μ e a permeabilidade do espaço livre μo (um vácuo) e esta foi dada como uma constante. No entanto, a relação entre a densidade do fluxo, B e a intensidade do campo magnético, H pode ser definida pelo facto da permeabilidade relativa, μr não ser uma constante mas sim uma função da intensidade do campo magnético, dando assim a densidade do fluxo magnético como: B = μ H.

Então a densidade do fluxo magnético no material será aumentada por um fator maior como resultado de sua permeabilidade relativa para o material comparado com a densidade do fluxo magnético em vácuo, μoH e para uma bobina com fio de ar esta relação é dada como:

Então para materiais ferromagnéticos a relação entre a densidade do fluxo e a força de campo ( B/H ) não é constante mas varia com a densidade do fluxo. No entanto, para bobinas com fio de ar ou qualquer núcleo não magnético como madeiras ou plásticos, esta relação pode ser considerada como constante e esta constante é conhecida como μo, a permeabilidade do espaço livre, ( μo = 4.π.10-7 H/m ).

Plotagem de valores de densidade do fluxo, ( B ) contra a intensidade do campo, ( H ) podemos produzir um conjunto de curvas chamadas Curvas de Magnetização, Curvas de Histerese Magnética ou mais comumente Curvas B-H para cada tipo de material do núcleo utilizado, como mostrado abaixo.

Curva de Magnetização ou Curva B-H

O conjunto de curvas de magnetização, M acima representa um exemplo da relação entre B e H para núcleos de ferro macio e aço, mas cada tipo de material de núcleo terá o seu próprio conjunto de curvas de histerese magnética. Você pode notar que a densidade do fluxo aumenta em proporção à força do campo até atingir um certo valor, caso não possa mais aumentar tornando-se quase nivelada e constante à medida que a força do campo continua a aumentar.

Isso porque há um limite para a quantidade de densidade do fluxo que pode ser gerada pelo núcleo, já que todos os domínios no ferro estão perfeitamente alinhados. Qualquer aumento adicional não terá efeito no valor de M, e o ponto no gráfico onde a densidade do fluxo atinge seu limite é chamado de Saturação Magnética também conhecida como Saturação do Núcleo e em nosso exemplo simples acima do ponto de saturação da curva de aço começa em cerca de 3000 ampere-turns por metro.

Saturação ocorre porque como lembramos do tutorial anterior de Magnetismo que incluía a teoria de Weber, a disposição aleatória da estrutura da molécula dentro do material do núcleo muda à medida que os minúsculos ímãs moleculares dentro do material se tornam “alinhados”.

Como a força do campo magnético, ( H ) aumenta estes magnetos moleculares ficam cada vez mais alinhados até atingirem um alinhamento perfeito produzindo uma densidade máxima de fluxo e qualquer aumento na força do campo magnético devido a um aumento na corrente elétrica que flui através da bobina terá pouco ou nenhum efeito.

Retentividade

Vamos assumir que temos uma bobina eletromagnética com uma alta força de campo devido à corrente que flui através dela, e que o material do núcleo ferromagnético atingiu o seu ponto de saturação, densidade máxima de fluxo. Se agora abrirmos um interruptor e removermos a corrente de magnetização que flui através da bobina, esperaríamos que o campo magnético ao redor da bobina desaparecesse à medida que o fluxo magnético fosse reduzido a zero.

No entanto, o fluxo magnético não desaparece completamente, uma vez que o material do núcleo eletromagnético ainda retém parte do seu magnetismo mesmo quando a corrente parou de fluir na bobina. Esta capacidade de uma bobina reter parte do seu magnetismo dentro do núcleo após o processo de magnetização ter parado chama-se Retentividade ou remanência, enquanto a quantidade de densidade do fluxo que ainda permanece no núcleo chama-se Magnetismo Residual, BR .

A razão para isto é que alguns dos minúsculos ímanes moleculares não retornam a um padrão completamente aleatório e ainda apontam na direcção do campo de magnetização original dando-lhes uma espécie de “memória”. Alguns materiais ferromagnéticos têm uma alta retentividade (magneticamente duros) tornando-os excelentes para a produção de ímãs permanentes.

Apesar disso, outros materiais ferromagnéticos têm baixa retentividade (magneticamente macios) tornando-os ideais para uso em eletroímãs, solenóides ou relés. Uma forma de reduzir esta densidade de fluxo residual a zero é invertendo a direcção da corrente que flui através da bobina, tornando assim negativo o valor de H, a intensidade do campo magnético. Este efeito é chamado de Força Coerciva, HC .

Se esta corrente inversa for aumentada ainda mais, a densidade do fluxo também aumentará na direção inversa até que o núcleo ferromagnético atinja novamente a saturação, mas na direção inversa da anterior. Reduzindo a corrente de magnetização, i mais uma vez a zero produzirá uma quantidade similar de magnetismo residual mas no sentido inverso.

Então, mudando constantemente a direção da corrente de magnetização através da bobina de um sentido positivo para um sentido negativo, como seria o caso em uma alimentação CA, um loop de Histerese Magnética do núcleo ferromagnético pode ser produzido.

Laço de histerese magnética

O laço de histerese magnética acima, mostra graficamente o comportamento de um núcleo ferromagnético uma vez que a relação entre B e H é não-linear. Começando com um núcleo não magnetizado, tanto B como H estarão a zero, ponto 0 na curva de magnetização.

Se a corrente de magnetização, i for aumentada numa direcção positiva para algum valor, a intensidade do campo magnético H aumenta linearmente com i e a densidade do fluxo B também aumentará como mostra a curva do ponto 0 ao ponto a à medida que se dirige para a saturação.

Agora, se a corrente de magnetização na bobina for reduzida a zero, o campo magnético que circula à volta do núcleo também se reduz a zero. Entretanto, o fluxo magnético das bobinas não atingirá zero devido ao magnetismo residual presente dentro do núcleo e isto é mostrado na curva do ponto a ao ponto b.

Para reduzir a densidade do fluxo no ponto b a zero precisamos reverter a corrente que flui através da bobina. A força magnetizante que deve ser aplicada para anular a densidade do fluxo residual é chamada de “Força Coerciva”. Esta força coerciva inverte o campo magnético reordenando os ímãs moleculares até que o núcleo fique desmagnetizado no ponto c.

Um aumento desta corrente inversa faz com que o núcleo seja magnetizado no sentido oposto e um aumento desta corrente de magnetização fará com que o núcleo atinja o seu ponto de saturação mas no sentido oposto, ponto d na curva.

Este ponto é simétrico ao ponto b. Se a corrente de magnetização for reduzida novamente a zero, o magnetismo residual presente no núcleo será igual ao valor anterior, mas em sentido inverso no ponto e.

Abter a inversão da corrente de magnetização que flui através da bobina desta vez no sentido positivo fará com que o fluxo magnético chegue a zero, ponto f na curva e, como antes de aumentar ainda mais a corrente de magnetização no sentido positivo, fará com que o núcleo atinja a saturação no ponto a.

Então a curva B-H segue a trajectória de a-b-c-d-e-f-a à medida que a corrente de magnetização que flui através da bobina alterna entre um valor positivo e negativo, tal como o ciclo de uma tensão AC. Este caminho é chamado de Loop Histerese Magnética.

O efeito da histerese magnética mostra que o processo de magnetização de um núcleo ferromagnético e portanto a densidade do fluxo depende da parte da curva em que o núcleo ferromagnético é magnetizado, já que isso depende do histórico dos circuitos passados, dando ao núcleo uma forma de “memória”. Então os materiais ferromagnéticos têm memória porque permanecem magnetizados após a remoção do campo magnético externo.

No entanto, materiais ferromagnéticos macios como o ferro ou o aço silício têm laços de histerese magnética muito estreitos resultando em quantidades muito pequenas de magnetismo residual tornando-os ideais para uso em relés, solenóides e transformadores pois podem ser facilmente magnetizados e desmagnetizados.

Desde que deve ser aplicada uma força coerciva para superar este magnetismo residual, deve-se trabalhar para fechar o laço de histerese, sendo a energia utilizada dissipada como calor no material magnético. Este calor é conhecido como perda de histerese, a quantidade de perda depende do valor da força coerciva do material.

Ao adicionar aditivos ao metal de ferro como o silício, materiais com uma força coerciva muito pequena podem ser feitos com um laço de histerese muito estreito. Materiais com laços estreitos de histerese são facilmente magnetizados e desmagnetizados e conhecidos como materiais magnéticos macios.

Anéis de histerese magnética para materiais moles e duros

Histerese magnética resulta na dissipação da energia desperdiçada sob a forma de calor, sendo a energia desperdiçada proporcional à área do laço de histerese magnética. As perdas de histerese serão sempre um problema em transformadores CA onde a corrente muda constantemente de direção e assim os pólos magnéticos no núcleo causarão perdas porque eles constantemente invertem a direção.

As bobinas rotativas em máquinas DC também incorrerão em perdas de histerese já que eles estão passando alternadamente ao norte dos pólos magnéticos do sul. Como dito anteriormente, a forma do laço de histerese depende da natureza do ferro ou aço utilizado e no caso do ferro que está sujeito a inversões maciças de magnetismo, por exemplo núcleos de transformadores, é importante que o laço de histerese B-H seja o menor possível.

No próximo tutorial sobre Electromagnetismo, vamos olhar para a Lei de Indução Electromagnética de Faraday e ver que movendo um condutor de fio dentro de um campo magnético estacionário é possível induzir uma corrente eléctrica no condutor produzindo um gerador simples.