Confinamento do campo magnético num material de alta permeabilidade
22 de março, 2019 às 12:11 | Postado em Corrente contínua e alternada, Eletromagnetismo, Magnetismo
Respondido por: Prof. Fernando Lang da Silveira - www.if.ufrgs.br/~lang/Olá!
Recentemente andei estudando sobre circuitos magnéticos. Entendo que este é um assunto tratado em engenharias, mas acredito que a resposta à minha dúvida possa ser respondida por um professor de física.
Os livros que explicam circuitos magnéticos dizem que, quando uma corrente percorre uma bobina (pela qual passa um material ferromagnético, assim como ocorre num transformador), é gerado um campo magnético H e, consequentemente, um fluxo magnético, que estaria confinado *quase que completamente* no material ferromagnético. Com base nos conhecimentos de eletromagnetismo, eu entendo que devido ao alinhamento de dipolos magnéticos de um material ferromagnético, a densidade de fluxo magnético B tem seu valor maior neste material do que no vácuo. Entretanto, não consigo imaginar por qual motivo o fluxo estaria praticamente confinado no material ferromagnético.
Os livros que eu li falam que o fluxo é (praticamente) *confinado* no material ferromagnético, mas justificam com: “a permeabilidade/permeância é alta”. Não acho a justificativa satisfatória. Na verdade, se eu não tivesse lido esses livros, imaginaria que o sistema produziria um campo magnético H ao redor dele, mas o fluxo B seria bem maior no material ferromagnético. Na prática, o vetor B fica “na direção” do material ferromagnético (assim como o campo elétrico fica na direção de um fio por onde passa corrente contínua), ao passo que o fluxo magnético fora do material é praticamente nulo. O motivo disso acontecer que é um mistério pra mim.
Agradeço se puder me dar uma noção física sobre isso.
Praticamente nulo por fora do indutor deve ser interpretado como desprezível frente ao que se encontra lá dentro do material com alta permeabilidade (baixa relutância).
A figura 1 mostra uma bobina com 1000 espiras, na qual há uma corrente contínua com intensidade de 0,8 A. Com auxílio de um “teslâmetro” digital Phywe foi medida a intensidade da indução magnética no centro da face da bobina e ao lado da bobina junto ao enrolamento, encontrando-se respectivamente o valor de 4,0 mT e 1,0 mT.
A seguir foi colocado um núcleo de material ferromagnético, em forma da U, na bobina mantendo-se a intensidade da corrente em 0,8 A. As medidas da indução magnética foram feitas em três pontos: na faces do núcleo e ao lado da bobina. O núcleo ferromagnético possui alta permeabilidade magnética e devido ao alinhamento parcial dos domínios magnéticos dipolares os valores da indução magnética cresceram expressivamente em relação às medidas da figura 1, por exemplo de 4,0mT para 15mT.
A figura 3 apresenta a bobina com o núcleo fechado. Para fazer as medidas nas faces do núcleo em U, a sonda do “teslâmetro” onde ocorre o efeito Hall, através do qual se mede a indução magnética, teve que ser introduzida entre o núcleo em U e o núcleo simples que fecha o circuito magnético. A sonda tem espessura de 1,0mm e, portanto, o circuito magnético foi interrompido por uma lâmina de ar (sabe-se que o ar tem permeabilidade magnética muito menor do que aquela apresentada pelo núcleo ferromagnético) , determinado que as medidas nestes entreferros subestimem os valores que existem quando o circuito magnético do núcleo não está interrompido.
Apesar de as medidas para valores da indução magnética dentro do núcleo estarem subestimadas, elas resultam em valores mais de uma ordem de grandeza superiores àqueles encontrados na situação da figura 2 (por exemplo, de 15mT para 290mT). Entretanto externamente à bobina o valor da indução magnética permanece praticamente o mesmo, configurando assim que o confinamento não é absoluto.
Desta forma fica bem caracterizado que existe indução magnética externa ao núcleo com alta permeabilidade mas ela é desprezível frente à indução magnética interna ao material ferromagnético. Ou seja, pode-se considerar que o campo magnético está (quase) confinado à região do circuito magnético com alta permeabilidade (baixa relutância) magnética.
“Docendo discimus.” (Sêneca)
Sudades das minhas aulas de Eletromagnetismo durante a graduação com os professores João Pedro Assumpção e Adroaldo Raizer na UFSC!
Entendo que houve uma explicação experimental da influência dos materiais ferromagnéticos no confinamento de linhas de campo magnéticos, que já era esperado, mas não entendo como explicação à pergunta que foi feita. A pergunta, segundo meu entendimento, é qual seria a explicação física para este confinamento. Que característica estes materiais ferromagnéticos têm para que tenham a propriedade de confinar as linhas de campo magnético.
O uso da expressão “confinamento” foi explicada: diz respeito a que o campo magnético interno ao material ferromagnético é muito maior do que o campo externo. O experimento com medidas evidenciou que existe campo magnético externo ao material ferromagnético e que de fato não existe confinamento absoluto.
A razão para existir um campo magnético mais intenso dentro do material foi dada pelo perguntante: Com base nos conhecimentos de eletromagnetismo, eu entendo que devido ao alinhamento de dipolos magnéticos de um material ferromagnético, a densidade de fluxo magnético B tem seu valor maior neste material do que no vácuo.