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Curso de electrónica - parte 04 Magnetismo, Electromagnetismo e indutância

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Curso de electrónica - parte 04 Magnetismo, Electromagnetismo e indutância

Mensagem  joseflor em Qua 3 Dez 2008 - 9:23

Índice do curso aqui
Votação sobre "Curso de Electrónica – por José Flor"

Introdução á electrónica básica
Parte 4
Magnetismo, eletromagnetismo e indutância


Magnetismo é a ciência que estuda as propriedades magnéticas dos materiais. Diremos que o magnetismo estuda os imãs.
Imã; à muito tempo, os Gregos e os chineses encontraram uma pedra preta, brilhante, que gozava da propriedade de atrair o ferro. Essa pedra é, na realidade também um minério de ferro. Como foi encontrada em uma região da Ásia chamada Magnésia, recebeu o nome de magnetita. Os imãs podem ser naturais e artificiais. Os naturais são aqueles encontrados na natureza. Podemos fazer com que certos corpos que não são imãs passem a sê-lo. Alem de imãs naturais e artificiais, podemos ainda faze-los permanentes, temporários ou transitórios. Pode ver na lição - parte 2 como se obtêm imãs artificiais em eletromagnetismo.

Unidade de medida do campo magnético
A unidade de campo magnético é medida em Oesrsted, em homenagem ao físico dinamarquês que tinha esse sobrenome. Alem dessa unidade, a intensidade de campo magnético também pode ser medida em ampère por metro. O eletromagnetismo é o estudo do magnetismo produzido pela corrente elétrica.

Solenóide
Na figura 1 (mesma figura 8 da Parte 2), podemos ver uma solenóide que mais não é que um fio enrolado com um certo número de voltas, também chamada de bobina. Chama-se solenóide a um condutor enrolado em espiral. Fazendo-se passar corrente continua pelo condutor do solenóide, verifica-se que se comporta como um imã. Cada uma das suas extremidades age como os pólos do imã, por este motivo, são também denominados de pólos solenóides. A solenóide é aplicada como eletroímã. O eletroímã alimentado por corrente alternada é encontrado em campainhas vulgares, conhecidas por cigarras. Outros exemplos da aplicação dos solenóides são os relés, o telegrafo, os fones magnéticos, etc.


Figura 1


Indutância eletromagnética
A indutância é a alteração do campo em conseqüência da introdução de um meio material que modifica a disposição das linhas de força, caracterizadas por uma constante que chamamos de permeabilidade do meio. A aplicação mais importante do fenômeno da indução eletromagnética está exatamente nas máquinas produtoras de eletricidade, que recebem o nome de geradores eletromagnéticos. Quando o gerador produz corrente contínua, ele é chamado de dínamo. Quando produz corrente alternada, ele é chamado de alternador.

Auto-indução
Um gerador percorrido por uma corrente elétrica variável, produz em sua volta um campo magnético, que é também variável. Por outro lado, qualquer condutor colocado em campo magnético variável será percorrido por uma corrente elétrica induzida, se o circuito for fechado, ou terá em suas extremidades uma força eletromotriz induzida, se o circuito estiver aberto. Em conseqüência disso, o condutor percorrido por uma corrente variável fica sob a ação do campo variável que ele cria e terá induzido em si mesmo uma corrente de indução. Este é o chamado auto-indução. Desta forma podemos dizer que auto-indutância é o fenômeno pelo qual um condutor produz corrente de indução em si mesmo quando percorrido por corrente variável. Agora, diremos que um condutor ou um enrolamento, quanto à sua auto-indução, é caracterizado por uma grandeza que chamamos de coeficiente de auto-indução ou simplesmente indutância. Os fatores que influem na indutância são: o número de espirais, a forma do enrolamento, o diâmetro das espiras, a permeabilidade do meio.

Indutores
Como chamamos de resistor (resistências como são chamadas nas lições anteriores) o corpo cuja propriedade elétrica predominante é a resistência e de capacitor o corpo cuja propriedade predominante é a capacitância, também chamaremos de indutor o corpo cuja propriedade elétrica principal seja a indutância. Tenha em mente que não existe um corpo que tenha, exclusivamente, resistência, capacitância ou indutância, pois todo corpo possui as três propriedades, mas ele será classificado de acordo com a propriedade predominante. Uma bobina, por exemplo, apresenta resistência, que é aquela do fio de que é feita; indutância, decorrente dos fatores que estudamos anteriormente e capacitância, resultante da diferença de potencial que existe entre as espiras. A unidade que mede a indutância é o Henry, em homenagem ao físico inglês que tinha esse nome. Henry é uma unidade grande, por isso usamos seus submúltiplos; Milihenry (mH) e Microhenry (μH). O indutor ou bobina é o terceiro elemento mais utilizado em circuitos eletrônicos, principalmente em receptores de rádio e televisão. Definido o indutor, este é um fio enrolado em espiras, cuja principal característica é a indutância. De notar que a indutância só aparece quando o indutor é percorrido por uma corrente variável.
Um indutor, quando ligado a uma fonte de corrente contínua, comporta-se, para a corrente, como se fosse um resistor puro, ou seja, somente a resistência ôhmica do fio limita o valor da corrente que passa pelo indutor. Quando atravessado por uma corrente continua, o indutor comporta-se, magneticamente, do mesmo modo que um imã natural.
Podemos tirar as seguintes conclusões: A resistência que uma bobina oferece à passagem da corrente alternada é maior que a oferecida à corrente contínua. Em corrente alternada, a bobina não se comporta como um imã, pois o objeto metálico é atraído e repelido de acordo com a pulsação da freqüência da rede. A saber, uma bobina oferece à corrente alternada uma resistência maior que em corrente contínua.
Para que não se faça confusão entre resistência à corrente continua e corrente alternada, esta última recebe o nome de reatância indutiva. Assim, define-se a reatância indutiva de uma bobina como sendo “a resistência que o indutor oferece à passagem da corrente alternada.”
Quando a bobina é ligada à corrente continua, só existe auto-indutância no instante em que a corrente é ligada ou desligada, a partir dai não há mais variação das linhas de força e, conseqüentemente, não existirá também força contra-eletromotriz induzida. Como conseqüência, a corrente mantém-se constante e igual à divisão da tensão pela resistência ôhmica do fio. Alimentando agora a bobina pela corrente alternada, sabemos que esta aumenta e diminui periodicamente, ou seja, no mesmo ritmo da freqüência. Por conseguinte, há constante expansão e contração das linhas de força, o que determina, a indução de uma força eletromotriz que se opõe à força eletromotriz (tensão) aplicada. Logo, se há uma tensão aplicada e outra induzida em sentido contrário, a resultante das duas dá uma tensão menor. Ora, diminuindo a tensão, e como a resistência ôhmica do fio variou, é claro que a corrente deve diminuir. Tudo se passa, então, como se a resistência do indutor tivesse aumentado. Por esse motivo, a reatância indutiva, é às vezes chamada de resistência aparente da bobina.

De que depende a reatância indutiva?
A reatância indutiva depende da freqüência da tensão alternada aplicada à bobina. Esta conclusão é imediata, pois, como a força contra-eletromotriz induzida aumenta, quando se aumenta a freqüência, a reatância indutiva também aumenta. Em resumo, a reatância depende da freqüência (f), indutância (L) e de um fator numérico constante (2π). Portanto se quisermos determinar a reatância indutiva numericamente podemos utilizar a formula XL = 2π x f x l. Onde XL representa a reatância indutiva.

As bobinas classificam-se
Na prática as bobinas são constituídas das seguintes partes: fôrma, enrolamento, núcleo e blindagem.
Quanto à geometria da forma: cilíndrica, plana e toroidal.
Quanto ao número de camadas: de uma camada e de mais de uma camada.
Quanto ao número de enrolamento: enrolamento único e vários enrolamentos.
Quanto ao tipo de suporte: com suporte, auto-suportadas e impressas.
Quanto ao tipo de fio usado: esmaltado, encapado, litz, estanhado, prateado, etc.
Quanto ao tipo de enrolamento: cilíndrico ou espiral, inclinado, secionado, ninho-de-abelha ou honcycomb, fundo-de-cesta, toroidal, espiral achatado, bilateral e bilateral progressivo.
Quanto ao núcleo: ar e metálico.
Quanto ao espaçamento: simples e múltiplo
Quanto ao fator de mérito: Vimos, na lição sobre resistores que era possível construir estes de vários tamanhos tendo a mesma resistência. Com os indutores acontece o mesmo. Podemos construir bobinas com os mais diferentes fios, formas e tipos de enrolamento, mas tendo todas a mesma indutância. Se assim é, quando necessitamos de um indutor, temos de ter uma especificação que nos permita escolher, dentre todos os que têm a mesma indutância, aquele que satisfaz as nossas necessidades. Essa especificação é conhecida como fator de mérito ou fator de qualidade que, nos meios técnicos é indicada por “Q” da bobina. Vejamos o que isso significa.
Quando um indutor é ligado a uma fonte de energia variável, por ele circula uma corrente que cria o campo eletromagnético. Então a energia elétrica é transformada em magnética. Por outro lado, o condutor da bobina tem resistência ôhmica; logo, a corrente que passa por ele também provoca seu aquecimento, ou seja, uma parte da energia que o indutor retira da fonte é transformada em energia térmica. Em resumo, a energia elétrica da fonte é transformada em energia magnética e em energia térmica (calor). Ora, nas aplicações dos indutores, o que interessa é a energia magnética e não térmica; por isso, terá melhor qualidade o indutor que produzir menos calor. Como o calor desprendido depende da resistência do fio, é fácil concluir que o indutor que tiver resistência ôhmica mais baixa terá melhor qualidade, isto é, ele cumprirá melhor sua finalidade, que é a de transformar a energia elétrica em magnética.
Para que se pudesse ter uma indicação pratica da qualidade do indutor, definiu-se o fator de mérito Q como sendo a relação (divisão) entre energia magnética armazenada pelo indutor e a energia térmica desprendida sob a forma de calor. Assim, o fator de mérito é indicado por um número e, quanto mais alto for esse número, melhor qualidade terá a bobina.
Como a energia magnética depende da indutância da bobina e, também, da freqüência da fonte, por transformações matemáticas da definição de Q, chega-se a uma fórmula bastante conhecida, que é: Q = 2π F L / R. Onde F é a freqüência em Hertz, L a indutância em Henrys e R a resistência em ohms. Este fator de mérito é muito importante na seletividade (qualidade de selecionar as emissoras) de um receptor de rádio. Se o Q for elevado, a seletividade é elevada. No entanto, o Q não pode ser o mais alto possível pois isto diminui a fidelidade ou qualidade do som recebido.
Bobinas da figura 2:
A – seletor de rádio com núcleo de ferrite
B – Freqüência intermédia – FI
C – de auto-falante
D – choque de filtro - também os transformadores são deste feitio
E – auto-suporte
F – núcleo de ferrite


Figura 2



José António Flor de Sousa


Última edição por joseflor em Sex 12 Dez 2008 - 9:10, editado 3 vez(es)

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Tabela para calculo das bobinas

Mensagem  joseflor em Qua 3 Dez 2008 - 9:25

Tem umas bobinas parecidas a resistências de ¼ ou ½ watt de cor verde e quatro anéis de cor (ver foto em baixo). Para saber o valor dessas bobinas, usa a mesma tabela de cores das resistências só que os valores são em μH (micro)H. Veja tabela em baixo.

Analisador e designer de indutores

Como medir indutores usando o ohmmeter
Se por ventura não tem um medidor de indutância, mas tem um bom multímetro digital básico, pode usar este para medir a indutância da seguinte forma:
Olhando nessa tabela em baixo dos indutores, pode ver que para cada indutor existe um valor ohmico aproximadamente com o valor ai descrito. Isso que dizer que podem usar o multímetro digital na escala ohmica baixa e comparar os valores medidos com a tabela. Isto é outra forma de ficar a saber o valor do indutor em μH se não souber como identificar de outra forma.

José António Flor de Sousa


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Curso de electrónica – Magnetismo

Mensagem  joseflor em Sex 12 Dez 2008 - 11:50

Índice do curso aqui
Votação sobre "Curso de Electrónica – por José Flor"

Autor desta matéria: Márcio Oliveira Ferreira

Magnetismo


Para falar de campo magnético, vou ter que interferir no material do José Flor um pouco, comentando brevemente alguns assuntos que já foram estudados, pois nesta seção pretendo colocar cálculos e algumas curiosidades de nível técnico interessantes e importantes para o mundo magnético.
O magnetismo quando controlado é importantíssimo para o homem e essa é uma função importante tanto para o eletricista como para o eletrônico industrial, pois motores, geradores, eletroímãs e até transformadores, não existiriam se não fosse o estudo em cima dos fatores magnéticos que foram encontrando em cada um. Esta tecnologia deve ser estudada com muita atenção, apesar de não me aprofundar muito, ela é uma área extremamente complexa e a mais difícil que conheço de lidar.

O que é Magnetismo?

Magnetismo é o fenômeno de atração exercido por certos matérias sobre outros. Os ímãs são exemplos perfeitos de materiais que representam a propriedade de atrair outros materiais e eles podem ser naturais ou artificiais.

Imãs naturais são materiais encontrados na natureza e que possuem propriedades magnéticas, um exemplo é a magnetita, um minério de ferro utilizado na construção de bussolas rudimentares, o globo terrestre é um outro exemplo de imã natural. Apesar dessa propriedade interessante, imãs naturais não são utilizados industrialmente devido a sua força de atração ser pouca.

Imãs artificiais é um avanço da tecnologia que os tornou possível fabricá-los. Esses ímãs são barras de aço magnetizadas por processos artificiais, fabricadas de diversas formas e tamanhos de acordo com a finalidade a que se destinam e sua principal característica é sua grande força de atração. Eles estão presentes em muitos equipamentos e dispositivos elétricos que são utilizados na vida diária, como as campainhas, os telefones, os motores elétricos, os alto-falantes, as HDs (Hard Disk), entre outros.

Pólos magnéticos

No geral um ímã possui dois pólos. Nos ímãs em forma de barra, por exemplo, os pólos localizam-se em suas extremidades. Quando um desses ímãs é suspenso pelo seu centro de gravidade, como no caso da agulha magnética da bússola, ele se alinha aproximadamente na direção norte-sul geográfico local e por convenção, a extremidade do ímã que se volta para o pólo norte geográfico é chamado pólo norte magnético.

Lei das ações magnéticas

Pólos magnéticos de mesmo nome se repelem e pólos magnéticos de nomes diferentes se atraem, com isso concluímos que, se o pólo norte magnético da agulha da bussola como exemplo, apontar para o pólo norte geográfico, é porque no pólo norte geográfico existe um pólo sul magnético.
Uma curiosidade é a forma em que os ímãs se multiplicam, pois ao tentarmos dividir qualquer ímã na verdade estamos multiplicando ele, pois as duas partes passarão a ter os pólos norte e sul, não conseguindo dividir um com norte e outro com sul, se pegarmos esses dois ímãs e dividirmos eles ao meio, passaremos a ter quatro ímãs e assim por diante.

Origem das propriedades magnéticas dos materiais

Eu não sou muito bom de química, mas sabemos que o modelo atômico clássico considera o átomo como sendo constituído de um núcleo central de carga positiva e ao redor desse núcleo giram órbitas circulares partículas de cargas negativa chamadas elétrons. Esse elétron circula em torno do núcleo criando o que é chamado de movimento orbital, como ocorre por exemplo com a lua em torno da terra, ou da terra em torno do sol, e nesse mesmo movimento orbital é percorrido pela corrente só que em sentido contrário ao do elétron e isso faz com que se apresentem pólos magnéticos se comportando como um ímã. Além do movimento orbital, cada elétron apresenta ainda um movimento de rotação denominado “spin”. Esse movimento também possui pólos magnéticos.
Os elétrons nos átomos apresentam uma grande tendência de se arranjarem dois a dois com seus “spins” opostos, anulando assim o campo magnético. Entretanto, nos átomos com número ímpar de elétrons, esse arranjo não é possível. Por isso, tais átomos dão contribuição magnética não nula ao átomo.
O magnetismo de um átomo pode ser produzido pelo movimento orbital dos elétrons, pelos seus “spins” ou por ambos.
Nos materiais sólidos a principal causa das propriedades magnéticas é o “spin”.

Imantação ou magnetização

Imantação ou magnetização é o processo de alinhamento de ímãs atômicos ou dipolos magnéticos de um material. Isso é obtido pela ação de um campo magnético externo. É possível classificar os materiais de acordo com a intensidade com que eles se imantam, isto é, o modo como ordenam seus ímãs atômicos sob a ação de um campo magnético. Assim, esses materiais podem ser classificados em:
1.Paramagnéticos;
2.Diamagnéticos;
3.Ferromagnéticos

Materiais Paramagnéticos

Quando se coloca um material no interior de uma bobina (ou indutor), verifica-se experimentalmente que há um aumento da oposição a qualquer variação na passagem da corrente através dessa mesma bobina.
São materiais paramagnéticos o ferro, o aço, o cobalto, o níquel, a platina, o estanho, o cromo e suas respectivas ligas, quando colocados no interior de uma bobina causam esse fenômeno que é chamado de indução.
Os materiais paramagnéticos são caracterizados por átomos que tem um campo magnético permanente, com isso, quando se aplica um campo magnético a esses materiais, o campo magnético orbital e o campo magnético devido aos “spins” dos seus átomos são maiores do que os campos magnéticos devidos à indução eletromagnética.
A intensidade da indutância magnética no interior do indutor é maior com materiais paramagnéticos do que quando há ar ou vácuo no seu interior.

Materiais diamagnéticos

São o ouro, a prata, o cobre, o zinco, o antimônio, o chumbo, o bismuto, a água, o mercúrio, ao serem introduzidos no interior de um indutor, provocam diminuição de sua indutância.
Esses materiais são caracterizados pelo fato de seus átomos não produzirem um campo magnético permanente, ou seja, o campo resultante de cada átomo é nulo. Aplicando-se um campo magnético a esses materiais, são produzidas pequenas correntes no interior do átomo, por indução. Essas correntes se opõem ao crescimento do campo externo, de modo que o magnetismo induzido nos átomos estará orientado em sentido oposto ao campo externo.
A intensidade da indutância magnética no interior do indutor é menor com materiais diamagnéticos do que quando há ar ou vácuo no seu interior.

Materiais Ferromagnéticos

Dentre os materiais paramagnéticos, o ferro, o aço, o cobalto, o níquel e suas ligas constituem uma classe especial.
Com efeito, esses materiais provocam no indutor que os tem como núcleo, um aumento de indutância muito maior que o aumento provocado pelos demais materiais paramagnéticos. Esses materiais são denominados ferromagnéticos.
Esses materiais, por serem paramagnéticos, apresentam campo magnético permanente, pois os campos magnéticos de seus átomos estão alinhados de tal forma que produzem um campo magnético mesmo na ausência de um campo externo.
Os materiais ferromagnéticos, por serem um caso particular dentre os materiais paramagnéticos, apresentam a intensidade da indutância magnética B, presente no interior do indutor, maior do que quando há ar ou vácuo no seu interior.
Embora os materiais ferromagnéticos possuam imantação mesmo na ausência de campo externo, o que os caracteriza como ímãs permanentes, a manutenção de suas propriedades magnéticas depende muito de sua temperatura. Quando aumenta a temperatura, as propriedades magnéticas se tornam menos intensas.

Campo magnético

Um ímã provoca o aparecimento de forças, especialmente em materiais ferromagnéticos, mesmo não estando em contato com eles. Por isso, dizemos que um ímã cria um campo de forças a sua volta. Esse campo é denominado “campo magnético” e é representado por um vetor chamado “vetor de indução magnética” e simbolizado por B.
O pólo norte cria um campo de afastamento e o pólo sul cria um campo de aproximação. Assim, se tivermos um ímã em forma de barra, o vetor de indução magnética será, em cada ponto, tangente às linhas que vão do pólo norte para o pólo sul. Nesse caso, as linhas são chamadas de “linhas de indução”.
Só pra explicar um pouco melhor a ação do campo magnético, quando uma agulha magnética é colocada num campo magnético, surge no pólo norte uma força F1 de mesma direção e sentido que o vetor B. No pólo sul, por sua vez, surge outra força F2 de mesma direção, mas no sentido oposto ao de B.

Campo magnético uniforme

No campo magnético uniforme, as linhas de indução são retas, paralelas, igualmente espaçadas e orientadas. É aquele em que o vetor de indução magnética B tem o mesmo módulo, a mesma direção e o mesmo sentido em todos os pontos do meio, suposto homogêneo.

Fluxo de indução magnética

Fluxo de indução magnética é a quantidade total de linhas de um ímã que constituem o campo magnético e é representado graficamente pela letra grega ø (phi).
O fluxo de indução magnética é uma grandeza e como tal pode ser medido. No SI (Sistema Internacional de Medidas) sua unidade de medida é o Weber (Wb).
No sistema CGS de Medidas, sua unidade é o Mxwell (Mx).
Para transformar weber em mxwell, usa-se a seguinte relação:

1 mx = 0,00000001 Wb

Densidade de fluxo ou indução magnética

É o número de linhas por centímetro quadrado de seção do campo magnético em linhas/cm².
A densidade de fluxo ou indução magnética é representada graficamente pela letra maiúscula B e sua unidade de medida no sistema SI é o Tesla (T) e no CGS é o Gauss (G).
Para transformar Gauss em tesla, usa-se a seguinte relação:

1 G = 0,0001 T

Conhecendo-se o valor da superfície (seção transversal A) em que estão concentradas as linhas de força e a densidade do fluxo magnético B, pode-se enunciar a fórmula do fluxo de indução magnética como o produto da densidade do fluxo B pela seção transversal A.
Assim, matematicamente temos:

Ø = B * A
Onde ø é o fluxo de indução magnética em Mx representado pela letra grega phi
B é a densidade de fluxo magnético em G
* é o fator representativo de multiplicação
A é a seção transversal em cm





Exemplo 1

Calcular o fluxo de indução magnética onde a densidade de fluxo é 6000G, concentrada em uma seção de 6cm². Aplicando-se a fórmula ø = B * A, temos:

Ø = 6000 * 6
Ø = 36000Mx

Transformando Mx em Wb.

36000Mx = 36000 * 0,00000001
36000Mx = 0,00036Wb

Exemplo 2

Calcular a densidade de fluxo em uma seção de 6cm, sabendo-se que o fluxo magnético é de 36000Mx ou linhas.

B = ø / A
B = 36000 / 6
B = 6000G

Transformando G em T.

6000G = 6000 * 0,0001
6000G = 0,6T


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