Curso de Eletrônica - Parte 6 - Magnetismo e Eletromagnetismo (CUR006)

ÍMÃS PERMANENTES

Uma carga elétrica em movimento produz uma perturbação no espaço de natureza diferente daquela produzida por uma carga parada (estática). Uma carga em movimento produz um campo magnético.

O estudo dos efeitos das cargas em movimento e dos campos que elas produzem é feito pelo ramo da física denominado "magnetismo".

Temos então duas espécies básicas de campos magnéticos associados a aplicações na eletrônica. O primeiro deles é o campo produzido quando os elétrons que giram em torno dos átomos são orientados de modo a fazer seu movimento de uma forma organizada.

O campo que eles produzem no material se manifesta e surgem polos magnéticos neste corpo, ou seja, ele se torna um ímã permanente, conforme podemos ver na figura 133.

Figura 133 – Os polos de um imã

Os polos Norte (N) e Sul (S) de um imã são inseparáveis, pois quando o cortamos no meio, novos polos surgem de modo que sempre tenhamos um imã completo. Na figura 134 podemos observar essa importante propriedade dos imãs.

Figura 134 – Cortando um imã, sempre surgem novos polos

Representamos o campo magnético de um imã através de "linhas de força". Essas linhas imaginárias são sempre fechadas, pois saem dos polos norte dos imãs e chegam aos polos sul, conforme pode ser visto na figura 135.

Figura 135 - Os polos de um imã e o campo magnético representado por linhas de força.

Observe que as linhas de força dos campos magnéticos nunca se cruzam e são sempre mais concentradas onde o campo é mais intenso, ou seja, nos locais em que as forças de atração são mais fortes.

Outra propriedade muito importante dos imãs, que deve ser sempre lembrada, é a que diz que polos de mesmo nome se repelem e polos opostos se atraem, conforme mostra a figura 136.

Figura 136 – Polos de mesmo nome se repelem e de nomes opostos se atraem

Os imãs permanentes podem ser naturais, como a magnetita que é um minério que já é encontrado magnetizado, como também podem ser obtidos de determinados materiais que, submetidos a fortes campos magnéticos, retém esses campos, tornando-se imãs permanentes.

Existem diversos tipos de materiais que podem ser magnetizados resultando em imãs permanentes com largas aplicações na eletrônica. O Alnico é uma liga muito usada na fabricação de imãs.

Materiais Diamagnéticas, Paramagnéticas e Ferromagnéticos

Quando os materiais são colocados num campo magnético surgem forças que afetam a movimentação de seus elétrons. Essas forças se devem ao que se denomina Lei da Indução Magnética, formulada por Faraday. Dependendo da natureza do material, eles reagem de maneira diferente à presença de um campo magnético.

Essa reação vai depende do modo como os elétrons giram em torno dos átomos. Em física associa-se aos elétrons um movimento denominado spin. Não podemos dizer que se trata de uma rotação, pois conforme vimos não podemos dizer que o elétron tem a forma esférica. Mas, para diferenciar esse movimento, dizemos que os elétrons podem ter spins ou rotações em direções opostas, apenas para efeito de entendimento.

Na maioria dos átomos os elétrons giram em torno dos núcleos em pares. Se os elétrons desses pares tiverem sentidos opostos, os campos magnéticos que eles produzem se cancelam, conforme mostra a figura 137.

Figura 137 – Os movimentos dos elétrons ocorrem de duas maneiras, denominadas spins. Se os movimentos forem em sentidos opostos seus campos se cancelam

Por outro lado, se os elétrons não estiverem emparelhados, aparece um campo magnético que reage com os campos externos. Isso nos permite classificar os materiais em três grupos quanto às suas propriedades magnéticas:

Diamagnéticos - são os materiais que têm uma susceptibilidade magnética negativa. Esses materiais não retém o campo magnético quando sujeitos à ação de um imã que depois é removido. O cobre, a prata e o ouro são exemplos de materiais diamagnéticos. Como eles dispersam as linhas de força de um campo magnético, enfraquecendo-o eles são usados em blindagens magnéticas, conforme mostra a figura 138.

Figura 138 – Materiais diamagnéticos dispersam as linhas do campo

Paramagnéticos - esses materiais têm uma susceptibilidade magnética positiva pequena. Isso significa que eles concentram as linhas de força de um campo magnético sendo, por esse motivo, atraídos pelos imãs. No entanto, eles não retém as propriedades magnéticas quando o imã é removido. Exemplos de materiais ferromagnéticos são o tântalo, magnésio e o lítio. Na figura 139 mostramos o que ocorre

Figura 139 – Os materiais paramagnéticos concentram as linhas de força

Ferromagnéticos – os materiais ferromagnéticos têm uma grande susceptibilidade magnética sendo fortemente atraídos pelos imãs e ainda podem ser capazes de reter as propriedades magnéticas, mesmo depois que o campo é removido, ou seja, são magnetizáveis. Esses materiais devem suas propriedades à presença de domínios magnéticos. Os domínios são regiões formadas por uma grande quantidade de átomos que possuem seus elétrons alinhados, conforme mostra a figura 140.

Figura 140 – Domínios num material desmagnetizado

Quando o material está desmagnetizado, os domínios estão orientados aleatoriamente no material de modo que seus campos magnéticos se cancelam. Quando uma força magnética é aplicada, os domínios se alinham e com isso um forte campo magnético é criado dentro do material. Em alguns casos o material retém a orientação, tornando-se também um ímã e em outros os domínios se desorientam novamente quando o campo é removido, desmagnetizando-se.

Ferro, níquel e cobalto são alguns materiais que se enquadram neste grupo. Na figura 141 mostramos o caso de um prego de ferro (material paramagnético) que se magnetiza quando encosta num imã, transformando-se ele num imã capaz de atrair limalha de ferro, mas que perde essa propriedade quando o imã é retirado.

Figura 141 – Um prego se magnetiza quando em contato com um imã

Indutância e Indução

Conforme já estudamos em lições anteriores, podemos também produzir campos magnéticos fazendo circular uma corrente por um fio ou por componentes enrolados em forma de bobinas, conforme o leitor poderá observar na figura 142.

Figura 142 – Campo magnético de uma bobina cilíndrica ou solenoide

Um fenômeno inverso também pode ser observado. Se fizermos com que um imã se mova nas proximidades de um fio de modo que as linhas de força de seu campo magnético cortem o fio conforme mostra a figura 143 em (a), ou ainda se o fio se mover em relação ao campo magnético de modo a cortar suas linhas de força, conforme mostra a mesma figura em (b). Com isso nas extremidades do fio aparece uma tensão e se esse fio for ligado a um circuito externo, circula uma corrente acendendo a lâmpada.

Figura 143 – A indução eletromagnética

Este fenômeno é denominado indução eletromagnética sendo aproveitado em inúmeras aplicações na eletricidade e em eletrônica.

O sentido de circulação da corrente que vai ser induzida quando ocorre o movimento relativo do condutor no campo depende do modo como esse movimento é realizado. Mais informações sobre como determinar esse sentido podem ser obtidas nos livros de física do nível médio.

Temos então diversos tipos de componentes e dispositivos que utilizam bobinas para criar campos magnéticos com diversas finalidades. Um deles é o eletroímã que até já ensinamos o leitor a montar em artigos do nosso site, mas existem muitos outros. Analisemos alguns deles:

Bobinas ou indutores

Na prática, destacamos um primeiro componente que é feito justamente por fio enrolado apresentando propriedades adicionais além de simplesmente criarem um campo magnético quando percorridos por uma corrente. Este tipo de componente é denominado indutor.

Para concentrar o campo magnético ou ainda para dotá-lo de propriedades adicionais importantes, em lugar de simplesmente enrolarmos a bobina numa forma sem núcleo (ou núcleo de ar), podemos colocar no seu interior núcleos de diversos tipos de materiais com propriedades magnéticas importantes.

Na figura 144 temos o símbolo adotado para representar as bobinas ou indutores (incluindo o tipo de núcleo) e os aspectos, como as encontramos em muitos equipamentos eletrônicos.

Figura 144 – Bobinas ou indutores – símbolos e aspectos

As bobinas ou indutores apresentam propriedades elétricas, principalmente relacionadas com as variações rápidas de corrente.

Estas propriedades são dadas pelo que chamamos de indutância.

Medida da Indutância

A indutância de uma bobina é medida numa unidade chamada henry (H). Nesse caso também é comum o uso de seus submúltiplos: o milihenry (mH) que vale a milésima parte do henry e o microhenry (uH) que equivale à milionésima parte do henry.

As bobinas de poucas espiras, sem núcleos ou com núcleos de ferrite (que aumentam sua indutância) são usadas em circuitos de altas frequências ou que trabalham com variações muito rápidas da corrente.

Já as bobinas de muitas espiras, os choques de filtro, por exemplo, que podem ter núcleos de ferrite ou mesmo ferro laminado trabalham com correntes de médias e baixas frequências.

As bobinas são componentes importantes dos aparelhos eletrônicos em geral, podendo ser encontradas em diversas funções. Uma delas é justamente “filtrar” variações muito rápidas da corrente que poderiam afetar o funcionamento de certas partes críticas. Os denominados filtros de linha e alguns outros tipos de filtros fazem uso desta propriedade das bobinas e seu funcionamento ficará claro à medida que nos aprofundarmos no seu estudo.

Associação de Indutores

Da mesma forma que os capacitores e os resistores, os indutores também podem ser ligados em série e em paralelo. Quando isso ocorre, seus efeitos se combinam e temos uma "indutância equivalente" que pode ser calculada em função das indutâncias que são associadas. Temos então dois casos de associações a considerar:

Associação Série de Indutores

Na figura 145 pode ser vista uma associação de indutores em série.

Figura 145– Indutores em série

A indutância equivalente é dada pela soma das indutâncias associadas, conforme a seguinte fórmula:

L = L1 + L2 + L3 + ....... + Ln (f6.1)

Onde:

L é a indutância equivalente (veja nota)

L1, L2, L3, Ln são as indutâncias associadas (veja nota)

Associação Paralelo de Indutores

Na figura 146 onde poderemos ver uma associação de indutores em paralelo.

Figura 146 – Indutores em paralelo

A indutância equivalente pode ser calculada a partir da seguinte fórmula:

1/L = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 + ......... + 1/Ln

Onde:

L é a indutância equivalente (veja nota)

L1, L2. L3, Ln são as indutâncias associadas (veja nota)

Circuitos LR

Uma bobina (Indutor) e um resistor ligados em série, conforme mostra a figura 147, formam um circuito LR.

Figura 147 – O circuito LR série

Supondo inicialmente que neste circuito a chave S1 esteja aberta, a corrente circulante será nula. Não haverá campo magnético criado pelo indutor. No instante em que o interruptor é fechado, a corrente tende a se estabelecer circulando pelo resistor e pelo indutor onde vai criar um campo magnético.

No entanto, o campo magnético que a corrente tende a criar, tem linhas de força que se expandem e que cortam as espiras do próprio indutor de modo a induzir uma corrente que se opõe àquela que está sendo estabelecida, conforme o leitor poderá observar na figura 148.

Figura 148 – Campo e corrente no indutor do circuito LR série

O resultado disso é que inicialmente a corrente no indutor encontra uma forte oposição, ou seja, encontra uma forte resistência que diminui consideravelmente sua intensidade.

Fazendo um gráfico para visualizar melhor o que ocorre, vemos que no instante em que a chave (S1) é fechada a corrente é praticamente nula.

Somente à medida que as linhas do campo magnético criado pela bobina vão se expandindo é que sua oposição à corrente diminui e ela pode aumentar de intensidade. Como no caso do capacitor, temos para a corrente uma curva de crescimento exponencial que é mostrada na figura 149.

Figura 149 – Corrente no circuito LR série

Também neste caso, teoricamente a corrente nunca atinge o máximo que é o valor dado apenas pelo resistor. A constante de tempo de circuito é obtida quando multiplicamos o valor da indutância do indutor em henry (H) pelo valor do resistor em ohms (W).

t = L x R

Numericamente este valor nos diz, depois de quanto tempo a partir do instante em que fechamos a chave que a corrente atinge 63% do valor máximo.

Do mesmo modo, partindo de um circuito em que a corrente seja máxima no indutor e que momentaneamente seja comutada, conforme mostra a figura 149, a constante de tempo RL também nos dá uma informação importante.

Com a interrupção da corrente, as linhas do campo magnético se contraem induzindo uma corrente que vai circular pelo resistor, dissipando assim a energia existente no circuito na forma de calor.

A corrente induzida é inicialmente alta e gradualmente vai caindo, obtendo-se um gráfico conforme mostra a mesma sequência de figuras 150

Figura 150 – Circuito de descarga de um indutor

Neste gráfico o ponto que corresponde ao produto L x R nos fornece o instante em que a corrente cai a 37% do valor máximo. Trata-se da constante de tempo do circuito LR.

Nas aplicações práticas, dada a dificuldade de se obter indutores de valores muito altos (o que não ocorre com os capacitores), os circuitos RL não são usados senão nos casos em que se necessita de tempos muito pequenos de retardo para temporização ou outras aplicações.

Acima de alguns milihenries (mH) a obtenção de um indutor já se torna problemática, pois estes componentes começam a se tornar volumosos, caros e pesados.

Os fios e as trilhas de cobre que conduzem as correntes nas placas de circuito impresso dos aparelhos eletrônicos se comportam como indutores. Tanto maior será seu valor quanto mais compridas forem essas trilhas e quanto mais curvas tiverem.

Isso significa que, do mesmo modo que as capacitâncias indesejáveis dos circuitos, os fios e trilhas de cobre, por apresentarem certa indutância, limitam a velocidade de funcionamento dos circuitos. Estes fatores também são muito importantes quando vamos ligar dois dispositivos por meio de um cabo, por exemplo, o computador a uma impressora; um sensor e um circuito de controle industrial, um circuito de acionamento remoto, etc.

O fato do cabo apresentar capacitâncias e indutâncias indevidas (por menores que sejam), impede que ele funcione bem além de um certo comprimento. As indutâncias e as capacitâncias impedem que os sinais sejam transmitidos sem deformações de um ponto a outro dos circuitos.

Solenoides, Relés e Motores

Existem diversos tipos de dispositivos e componentes que utilizam bobinas e que, portanto operam a partir dos campos magnéticos criados pelas correntes elétricas e apresentam uma certa indutância. Essa indutância, em especial, é muito importante pelos efeitos que produzem exigindo cuidados no projeto dos circuitos que a controlam, conforme o aluno vai entender melhor no decorrer desse curso. Antes disso, será importante saber como funcionam alguns dos principais dispositivos formados por bobinas.

Solenoides

Quando enrolamos uma bobina numa forma cilíndrica obtemos o que se denomina um solenoide. Uma corrente circulando nessa bobina produz um campo magnético que é mais intenso justamente em seu interior, conforme já estudamos e é mostrado na figura 151.

Figura 151 – Um solenoide

Um núcleo de material ferroso colocado nas proximidades dessa bobina será atraído para o seu interior com uma força que depende justamente da intensidade do campo.

Podemos então fabricar um dispositivo, de grande utilidade em aplicações industriais, de consumo e muitas outras, denominado solenoide que visa justamente produzir uma força a partir de uma corrente elétrica. Na figura 152 poderemos observar alguns desses dispositivos com sua construção básica.

 

Quando aplicamos uma tensão na bobina, uma forte corrente circula puxando o êmbolo ou núcleo para o seu interior com força. Podemos usar essa força para puxar ou empurrar alguma coisa como, por exemplo, numa fechadura elétrica, conforme poderemos observar na figura 153.

Figura 153 – Fechadura elétrica com solenoide

Quando a bobina é energizada, o núcleo é puxado e a porta é aberta.

Outra aplicação para esse dispositivo é encontrada nas máquinas de lavar roupa e em muitos outros automatismos de uso doméstico e industrial que trabalham com líquidos: a válvula solenoide. Uma dessas válvulas é mostrada na figura 154.

Figura 154 – Uma válvula solenoide de uso doméstico

Quando a válvula é energizada, o forte campo criado puxa um êmbolo que libera a passagem da água.

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Relés

Outro tipo de dispositivo eletromagnético de grande utilidade é o relé. O relé é um interruptor eletromecânico, ou seja, um interruptor que possui partes móveis, mas que é acionado por uma corrente elétrica.

Na figura 155 poderemos observar a construção de um relé de forma simplificada.

Figura 155 – Estrutura de um relé

Quando aplicamos uma tensão na bobina do relé, energizando-o, o forte campo magnético criado atrai a armadura onde estão presos contactos móveis. Os contactos, ao se movimentar, encostam na parte fixa, fechando o circuito externo. Quando a tensão na bobina é desligada, o campo desaparece e os contactos voltam à posição normal, mantendo o circuito aberto.

Os relés podem ter diversos conjuntos de contactos, conforme poderemos ver pela figura 156, onde usamos seus símbolos.

Figura 156 – Relés com diversos conjuntos de contatos NA

Assim, um relé com contactos NA (Normalmente Aberto – NO – Normally Open) liga alguma coisa quando o energizamos. Já, um relé com contactos NF (Normalmente Fechados – NC – Normally Closed) desliga alguma coisa quando o energizamos.

Existem ainda relés que combinam os dois tipos de contactos e relés que possuem diversos conjuntos de contactos, funcionando como chaves de diversos tipos.

Os relés são especificados pela tensão que precisamos aplicar na sua bobina para que ele seja energizado, a corrente nessa bobina e a corrente máxima que os contactos podem controlar. Relés de 5, 6, 12 e 24 V são os mais usados nas aplicações eletrônicas comuns.

Relés de Estado Sólido Muitos componentes "tradicionais" já podem ser encontrados na forma de semicondutores, ou seja, componentes de estado sólido, sem peças móveis. Assim, em muitas aplicações é comum encontrarmos relês de dimensões muito reduzidas, sem partes móveis e que se baseiam em circuitos com semicondutores tais como transistores. Estes componentes têm vantagens como não sofrer desgastes e ter uma sensibilidade muito grande, mas não são todas as aplicações que admitem seu uso. Na figura A temos um relé de estado sólido.

 

Figura A – Um relé de estado sólido

Motores

Os motores elétricos convertem energia elétrica em energia mecânica (movimento). Os motores de corrente contínua (CC) ou motores DC (Direct Current), como também são chamados, são dispositivos que operam aproveitando as forças de atração e repulsão geradas por eletroímãs e imãs permanentes.

Conforme sabemos, se fizermos passar correntes elétricas por duas bobinas próximas, conforme mostra a figura 157, os campos magnéticos criados poderão fazer com que surjam forças de atração ou repulsão.

Figura 157- Forças entre imãs e bobinas

A ideia básica de um motor é montar uma bobina entre os polos de um imã permanente ou então de uma bobina fixa que funcione como tal, conforme mostra a figura 158.

Figura 158 – Estrutura de um motor DC

Partindo então da posição inicial, em que os polos da bobina móvel (rotor), ao ser percorrida por uma corrente, estão alinhados com o imã permanente temos a manifestação de uma força de repulsão. Esta força de repulsão faz o conjunto móvel mudar de posição, conforme mostra a figura 159.

Figura 159 – Com a repulsão o rotor entra em movimento

A tendência do rotor é dar meia volta para seu polo Norte se aproxime do polo Sul do imã permanente. Da mesma forma, seu polo Sul se aproximará do polo Norte pelo qual será atraído.

No entanto, no eixo do rotor, por onde passa a corrente que circula pela bobina, existe um comutador. A finalidade deste comutador é inverter o sentido da circulação da corrente na bobina, fazendo com que os polo mudem. Observe a figura 160.

Figura 160 – Com a inversão da polaridade os polos do rotor mudam

O resultado disso será uma transformação da força de atração em repulsão, o que fará com que o rotor continue seu movimento, passando "direto" pela posição que seria de equilíbrio.

Sua nova posição de equilíbrio seria obtida com mais volta, de modo que os polos do rotor se defrontassem com os de nome oposto do imã fixa.

Mais meia volta, e quando isso poderia ocorrer, a nova posição faz com que o comutador entre em ação e temos nova comutação da corrente. Com isso os polos se invertem conforme mostra a figura 161.

Figura 161 – Nova inversão de polaridade e o movimento continua

O resultado disso é que o rotor não para, pois deve continuar em busca de sua posição de equilíbrio.

Evidentemente isso nunca vai acontecer, e enquanto houver corrente circulando pela bobina o rotor não vai parar.

A velocidade de rotação deste tipo de motor não depende de nada a não ser da força que o rotor tenha de fazer para girar. Desta forma, os pequenos motores de corrente contínua têm uma velocidade muito maior quando giram livremente do que quando girar, fazendo algum tipo de esforço (movimento alguma coisa).

Igualmente, a corrente exigida pelo motor depende da oposição que o rotor encontra para sua movimentação. Fazendo mais força, o consumo aumento sensivelmente.

Os pequenos motores que encontramos em muitas aplicações são especificados pela tensão e pela corrente que exigem. Na figura 162 exemplos desses motores.

Figura 162 – Pequenos motores de corrente contínua de uso geral

Existem, entretanto, outros tipos de motores que são usados em aplicações especiais como, por exemplo, os motores sem escovas e os motores de passo de serão abordados oportunamente.

O princípio de funcionamento de tais motores, entretanto é o mesmo: campos criados por bobinas que interagem de modo a produzir forças que os movimentam.

Motores sem escovas

As escovas consistem num problema para os motores, pois elas gastam com o tempo e, além disso, são uma fonte intensa de ruídos. De fato, raspando nos contatos do rotor, elas produzem faíscas intensas que geram rádio frequências (sinais de rádio) capazes de produzir interferências em rádios e outros equipamentos nas proximidades.

Um tipo de motor de corrente contínua cada vez mais em uso é o motor sem escovas ou brushless. Esses motores possuem várias bobinas que são alimentadas sequencialmente de modo a produzir um campo magnético giratório, conforme mostra a figura 163.

Figura 163 – Um motor de corrente contínua sem escovas

Um sensor mede constantemente a velocidade do motor de modo a controlar o acionamento das bobinas através de um circuito eletrônico. Neste motor, o rotor usa dois imãs permanentes.

Na figura 164 mostramos um motor desse tipo aberto.

Figura 164 – Motor sem escovas aberto

Conversão Watts x HP

Sensores Magnéticos

Quando as espiras de uma bobina cortam as linhas de força de um campo magnético ou quando as linhas de força de um campo magnético cortam as espiras de uma bobina, uma tensão aparece nos extremos dessa bobina, conforme poderemos observar na figura 165.

Figura 165 – O movimento relativo das espiras de uma bobina e um campo magnético criam uma tensão V

Esse fenômeno dinâmico, que exige o movimento relativo da bobina e do campo pode ser usado na construção de diversos tipos de sensores. A finalidade de um sensor é detectar a presença de algum tipo de grandeza física ou alteração química num ambiente. Eles consistem no interfaceamento do mundo exterior com um equipamento eletrônico.

O mais simples e muito usado em aplicações industriais é o que faz uso de um imã preso a uma peça móvel, por exemplo, uma engrenagem e que pode ser usado para medir a rotação dessa peça, conforme mostra a figura 166.

Figura 166 – Um sensor magnético de rotação

Cada vez que o imã passar diante da bobina usada como sensor, um pulso elétrico é gerado servindo para acionar algum tipo de dispositivo indicador.

Contando os pulsos, um circuito eletrônico pode determinar a rotação da peça ou a velocidade de um veículo e assim fazer seu controle.

Microfones

Outro tipo de dispositivo que se baseia no mesmo princípio de funcionamento dos sensores que vimos no item anterior é o microfone dinâmico.

Se enrolarmos uma bobina em torno de um imã, conforme mostra a figura 167, e prendermos essa bobina num diafragma (membrana flexível) teremos um microfone.

Figura 167 – Um microfone magnético

Quando ondas sonoras incidirem no diafragma ele vai vibrar fazendo com que a bobina se movimente em relação ao campo magnético criado pelo imã permanente, que é fixo. Uma tensão que tem as mesmas características do som aparece então nos terminais dessa bobina. Essa corrente pode ser amplificada ou transmitida à distância através de fios elétricos.

Instrumentos Indicadores

Um tipo de indicador que está sendo gradualmente substituído em muitas aplicações pelos tipos digitais é o instrumento indicador analógico ou galvanômetro. Além dele existem outros que também estão caindo em desuso.

No entanto, é muito importante conhecermos seu princípio de funcionamento, o que será feito a seguir.

O Galvanômetro

Em muitos equipamentos antigos, e mesmo alguns modernos, encontramos um indicador que possui um ponteiro que se desloca numa escala. Este instrumento é o galvanômetro de bobina móvel, cuja estrutura básica é mostrada na figura 168.

Figura 168 – Um galvanômetro de bobina móvel

Quando uma corrente circula pela bobina desse instrumento, um campo magnético é criado. Esse campo interage com o campo do imã permanente aparecendo uma força que tende a girar a bobina móvel.

A bobina possui um sistema de molas que tende a mantê-la na posição em que o ponteiro que está preso nela fique no zero da escala. Assim, o movimento da bobina e, portanto o deslocamento do ponteiro será proporcional à intensidade da corrente circulante. Podemos usar esse instrumento para medir ou indicar correntes elétricas.

Os galvanômetros comuns são muito sensíveis podendo medir correntes cujo valor máximo pode variar entre 50 uA e 1 mA. Dizemos que o "fundo de escala" desses instrumentos é de 50 uA ou 1mA.

Definimos então "corrente de fundo de escala" como a corrente que leva a agulha indicadora do instrumento ao valor máximo que ele pode medir.

Com recursos especiais podemos usar os galvanômetros para medir correntes maiores que a de fundo de escala e até mesmo outras grandezas elétricas como tensões. É justamente isso que se faz no caso dos multímetros analógicos.

Usando um galvanômetro comum do tipo indicado, agregamos componentes ao seu circuito que permitem que ele meça outras grandezas elétricas, tais como correntes maiores, tensões, resistências, etc. Na figura 169 temos um multímetro comum que faz uso de um galvanômetro de bobina móvel. Na mesma figura temos um amperímetro tipo alicate que também faz uso de um instrumento desse tipo.

Figura 169 – Multímetro e Amperímetro “alicate” analógicos

Instrumentos Analógicos e Digitais

Dizemos que o galvanômetro é um instrumento analógico porque o deslocamento da agulha é análogo à corrente que passa através dele. Em outras palavras a agulha se desloca na escala numa correspondência direta com sua intensidade. Por outro lado, existem instrumentos indicadores digitais em que a intensidade da corrente é indicada por um número (dígitos). No primeiro caso, uma correspondência é feita numa escala contínua enquanto no segundo caso é feita por valores discretos (saltos), conforme mostra a figura A.

 

Figura A – Multímetros – analógico e digital

Multímetros Digitais

A tendência da eletrônica moderna é evitar partes mecânicas que se gastam e têm problemas de diversas naturezas como quebra, deformações, etc. Assim, os multímetros, como muitos outros instrumentos de medidas elétricas e eletrônicas, também podem ser encontrados na forma digital, ou seja, com indicadores que apresentam números em lugar de possuir agulhas que correm numa escala.

Se bem que sejam bastante importantes e práticos, a posse de um multímetro tradicional analógico ainda é muito importante para o profissional. (veja nota)

Também observamos que máquinas industriais antigas ainda usam os mostradores "de ponteiro" em lugar de indicadores digitais para fornecer informações sobre seu funcionamento. Por esse motivo o leitor deve estar familiarizado com seu princípio de funcionamento e seu uso.

Voltímetros e Amperímetros

Conforme vimos no item anterior, o galvanômetro só pode ser usado para medir correntes muito fracas. Para medir correntes mais intensas e tensões precisamos agregar componentes que mudem suas características. É justamente desses componentes que vamos falar nesse item.

Amperímetros

Os instrumentos que se destinam à medida de correntes são denominados amperímetros. Para medir uma corrente mais intensa do que aquela que o instrumento suporta, ou seja, a corrente de fundo de escala, o que fazemos é desviar a corrente excedente por um circuito externo formado por um resistor, conforme mostra a figura 170.

Figura 170 - Um amperímetro com shunt

Assim, conforme podemos ver na figura 170, se quisermos medir uma corrente de 100 mA com um galvanômetro que tenha um fundo de escala de 1 mA, devemos desviar os 99 mA excedentes usando uma resistência de derivação ou, como é mais conhecida, "shunt".

O cálculo de um shunt é feito tanto em função da corrente de fundo de escala do instrumento (galvanômetro) usado como também de outras características do instrumento como a sua resistência ôhmica. De fato, é a resistência ôhmica que determina o comportamento elétrico do instrumento, assim em sua função é calculamos a resistência de derivação.

Por exemplo, se o instrumento de 1 mA de fundo de escala tem uma resistência de 198 ohms, e desejamos desviar 99% da corrente por um shunt, para medir 100 mA ou seja, 99 mA, é obvio que o shunt deve ter uma resistência que será calculada por uma proporção simples:

X/198 = 1/99

X = 198/99

X = 2 ohms

Voltímetros

Os galvanômetros também podem ser usados para medir tensões. De fato, se tivermos um galvanômetro de 0 - 1 mA (1 mA de fundo de escala ou 0,001 A) e uma resistência de bobina de 1000 ohms, é fácil perceber que quando aplicarmos 1 V nesse instrumento, a corrente será a de fundo de escala, ou seja 1 mA. Para esse cálculo aplicamos a Lei de Ohm:

I = 1/1 000

I = 0,001 A (1 mA)

Isso significa que um galvanômetro, como o indicado, pode ser usado diretamente como um voltímetro de 0 a 1 V, ou seja, com 1 V de fundo de escala, conforme o cálculo que demos como exemplo.

No entanto, se com o mesmo galvanômetro que tomamos como exemplo desejarmos medir tensões maiores, será preciso usar de artifícios, como no caso do amperímetro. O que fazemos, nesse caso, é ligar em série com o galvanômetro uma resistência denominada "multiplicadora", conforme podemos ver na figura 171.

Figura 171 – o voltímetro

O cálculo dessa resistência é simples: somada com a resistência interna do instrumento, ao ser submetida à tensão de fundo de escala (tensão máxima que se deseja medir), o conjunto deve deixar passar a corrente de fundo de escala do instrumento. Uma fórmula simples pode ser escrita para esse cálculo:

Rm = Vm/Im - Ri (f6.1)

Onde:

Rm é a resistência multiplicadora (em ohms)

Ri é a resistência interna do instrumento usado (em ohms)

Vm é a tensão de fundo de escala que se deseja medir (em volts)

Im é a corrente de fundo de escala do instrumento usado (em ampères)

As lições deste curso são:

Lição 1 – Matéria e energia, a natureza da eletricidade, eletricidade estática

Lição 2 – Energia elétrica, corrente e tensão. O circuito elétrico

Lição 3 – Resistência elétrica, resistores, Lei de Ohm, Lei de Joule

Lição 4 – Tipos de geradores, rendimento e equação do gerador

Lição 5 – Capacitores

Lição 6 – Magnetismo e eletromagnetismo

Lição 7 – Corrente alternada

Lição 8 – Som e Acústica

Lição 9 – Ondas eletromagnéticas