Uma corrente elétrica que flui em um fio cria um campo magnético em torno do fio, devido a lei de Ampère (ver desenho abaixo)., Para concentrar o campo magnético, em um eletroíman o fio é enrolado em uma bobina com muitas voltas de fio deitado lado a lado. O campo magnético de todas as voltas de fio passa pelo centro da bobina, criando um forte campo magnético lá. Uma bobina formando a forma de um tubo reto (uma hélice) é chamada de solenóide.

a direção do campo magnético através de uma bobina de fio pode ser encontrada a partir de uma forma da regra da mão direita., Se os dedos da mão direita são enrolados em torno da bobina na direção do fluxo de corrente (corrente convencional, fluxo de carga positiva) através dos enrolamentos, o polegar aponta na direção do campo dentro da bobina. O lado do íman do qual as linhas de campo emergem é definido como sendo o Pólo Norte.campos magnéticos muito mais fortes podem ser produzidos se um” núcleo magnético ” de um material ferromagnético macio (ou ferrimagnético), como ferro, for colocado dentro da bobina., Um núcleo pode aumentar o campo magnético para milhares de vezes a força do campo da bobina sozinho, devido à elevada permeabilidade magnética μ do material. Isto é chamado de núcleo ferromagnético ou eletromagneto de ferro. No entanto, nem todos os eletroímanes usam núcleos, e os eletroímanes mais fortes, como supercondutores e os eletroímanes de corrente muito alta, não podem usá-los devido à saturação.

lavedit de Ampere

para definições das variáveis abaixo, ver caixa no final do artigo.,

O campo magnético de eletroímãs, no caso geral é dada pela Lei de Ampère:

∫ J ⋅ d = ∮ H ⋅ d l {\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d\mathbf {l} }

que diz que a integral do campo de magnetização H em torno de qualquer loop fechado do campo é igual à soma da corrente que flui através do loop. Outra equação usada, que dá o campo magnético devido a cada pequeno segmento de corrente, é a lei Biot–Savart. Computar o campo magnético e a força exercida por materiais ferromagnéticos é difícil por duas razões., Em primeiro lugar, porque a força do campo varia de ponto para ponto de uma forma complicada, particularmente fora do núcleo e em aberturas de ar, onde campos de fricção e fluxo de vazamento devem ser considerados. Em segundo lugar, porque o campo magnético B e força são funções não-lineares da corrente, dependendo da relação não-linear entre B E H para o material do núcleo particular utilizado. Para cálculos precisos, programas de computador que podem produzir um modelo do campo magnético usando o método do elemento finito são empregados.,

núcleo magnético

o material de um núcleo magnético (muitas vezes feito de ferro ou aço) é composto de pequenas regiões chamadas domínios magnéticos que agem como minúsculos ímãs (ver ferromagnetismo). Antes que a corrente no eletroíman seja ativada, os domínios no ponto do núcleo de ferro em direções aleatórias, de modo que seus minúsculos campos magnéticos cancelam um ao outro, e o ferro não tem um campo magnético em grande escala., Quando uma corrente é passada através do fio enrolado em torno de ferro, o seu campo magnético penetra o ferro, e faz com que os domínios a sua vez, alinhamento paralelo ao campo magnético, de modo que seus minúsculos campos magnéticos adicionar ao fio do campo, criando um grande campo magnético que se estende para o espaço em torno do ímã. O efeito do núcleo é concentrar o campo, e o campo magnético passa através do núcleo mais facilmente do que através do ar.quanto maior for a corrente que passa pela bobina do fio, mais os domínios se alinham, e mais forte é o campo magnético., Finalmente, todos os domínios são alinhados, e aumentos adicionais na corrente apenas causam ligeiros aumentos no campo magnético: este fenômeno é chamado de saturação.

Quando a corrente na bobina é desligada, nos materiais magneticamente macios que são quase sempre usados como núcleos, a maioria dos domínios perdem alinhamento e retornam a um estado Aleatório e o campo desaparece. No entanto, alguns dos alinhamentos persistem, porque os domínios têm dificuldade em virar sua direção de magnetização, deixando o núcleo um fraco íman permanente., Este fenômeno é chamado de histerese e o campo magnético restante é chamado de magnetismo remanente. A magnetização residual do núcleo pode ser removida por desmagnetização. Em eletromagnetos de corrente alternada, tais como são usados em motores, a magnetização do núcleo é constantemente revertida, e a remanência contribui para as perdas do motor.

circuito Magnético – o constante B do campo approximationEdit

em muitas aplicações práticas de eletromagnetos, tais como motores, geradores, transformadores, ímanes de Elevação e altifalantes, o núcleo de ferro está na forma de um laço ou circuito magnético, possivelmente quebrado por algumas aberturas de ar estreitas. Isto é porque as linhas de campo magnético estão na forma de loops fechados. O ferro apresenta muito menos “resistência” (relutância) ao campo magnético do que o ar, de modo que um campo mais forte pode ser obtido se a maior parte do Caminho do campo magnético está dentro do núcleo.,

Uma vez que a maior parte do campo magnético está confinada dentro dos contornos do laço do núcleo, isto permite uma simplificação da análise matemática. Vê o desenho à direita. Uma suposição comum de simplificação satisfeita por muitos eletromagnetos, que serão usados nesta seção, é que a força do campo magnético B é constante em torno do circuito magnético (dentro do núcleo e aberturas de ar) e zero fora dele. A maior parte do campo magnético será concentrada no material do núcleo (C)., Dentro do núcleo, o campo magnético (B) será aproximadamente uniforme em qualquer seção transversal, então se, além disso, o núcleo tem uma área aproximadamente constante ao longo de seu comprimento, o campo no núcleo será constante. Isto apenas deixa as aberturas de ar (G), Se houver, entre as seções centrais. Nas aberturas, as linhas de campo magnético não são mais confinadas pelo núcleo, então elas “protelam” para fora dos contornos do núcleo antes de curvar para trás para entrar na próxima peça de material do núcleo, reduzindo a força do campo na abertura. As protuberâncias (BF) são chamadas campos de fricção., No entanto, enquanto o comprimento da abertura for menor que as dimensões da seção transversal do núcleo, o campo na abertura será aproximadamente o mesmo que no núcleo. Além disso, algumas das linhas de campo magnético (BL) tomarão “atalhos” e não passarão por todo o circuito Central, e assim não contribuirão para a força exercida pelo íman. Isto inclui também linhas de campo que rodeiam os enrolamentos de fios, mas não entram no núcleo. Isto é chamado fluxo de vazamento., Portanto, as equações desta seção são válidas para eletroímãs para que:

1. o circuito magnético é um ciclo único de material do núcleo, possivelmente quebrado por algumas lacunas de ar
2. o núcleo tem aproximadamente a mesma área de seção transversal ao longo de sua extensão.as aberturas de ar entre secções do material principal não são grandes em comparação com as dimensões transversais do núcleo.a principal característica não linear dos materiais ferromagnéticos é que o campo B satura a um determinado valor, que é de cerca de 1.,6 a 2 teslas (T) para os aços principais de alta permeabilidade. O campo B aumenta rapidamente com o aumento da corrente até esse valor, mas acima desse valor os níveis de campo fora e torna-se quase constante, independentemente de quanta corrente é enviada através dos enrolamentos. Assim, a força máxima do campo magnético possível a partir de um eletroíman do núcleo de ferro é limitada a cerca de 1,6 a 2 T.,
   

   campo Magnético criado por um currentEdit

   O campo magnético criado por um eletroímã é proporcional tanto o número de voltas no enrolamento, N, e a corrente no fio, eu, daí este produto, NI, em ampères-voltas, é dado o nome de magnetomotive força.,agnetic circuito, do qual o comprimento Lcore do campo magnético caminho é o material do núcleo e o comprimento Lgap está no ar lacunas, Lei de Ampère reduz para:

   N I = H c o r e L c o r e + H g um p L o g i a p {\displaystyle NI=H_{\mathrm {core} }L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {lacuna} }L_{\mathrm {lacuna} }\,} N I = B ( L c o r e m + L o g i a p μ 0 ) ( 1 ) {\displaystyle NI=B\left({\frac {L_{\mathrm {core} }}{\mu }}+{\frac {L_{\mathrm {lacuna} }}{\mu _{0}}}\right)\qquad \qquad \qquad \qquad (1)\,} onde µ = B / H {\displaystyle \mu =B/H,\,} é a permeabilidade magnética do material do núcleo, em especial, os B de campo utilizado., μ 0 = 4 π ( 10 − 7 ) N ⋅ − 2 {\displaystyle \mu _{0}=4\pi (10^{-7})\ \mathrm {N} \cdot \mathrm {A} ^{-2}} é a permeabilidade do espaço livre (ou ar); observação de que Um {\displaystyle \mathrm {A} } nesta definição é amperes.

   Esta é uma equação não-linear, porque a permeabilidade do núcleo, μ, varia com o campo magnético B. Para uma solução exata, o valor de μ no valor B utilizado deve ser obtido a partir da curva de histerese do material Central. Se B é desconhecido, a equação deve ser resolvida por métodos numéricos., No entanto, se a força magnetomotora estiver bem acima da saturação, então o material do núcleo está em saturação, o campo magnético será aproximadamente o valor de saturação Bsat para o material, e não vai variar muito com mudanças em NI. Para um circuito magnético fechado (sem espaço aéreo), a maioria dos materiais nucleares saturam-se a uma força de magnetomotricidade de cerca de 800 amperes-voltas por metro de fluxo.

   para a maioria dos materiais nucleares, μ r = μ / μ 0 ≈ 2000 − 6000 {\displaystyle \mu _{R} = \mu / \ mu _{0} \ approx 2000-6000\,} . Assim, na equação (1) acima, o segundo termo domina., Portanto, em circuitos magnéticos com uma abertura de ar, a força do campo magnético B depende fortemente do comprimento da abertura de ar, e o comprimento do Caminho do fluxo no núcleo não importa muito. Dada uma lacuna de ar de 1mm, uma força de magnetomotive de cerca de 796 Ampere-turns é necessária para produzir um campo magnético de 1T.,

   Força exercida pelo magnética fieldEdit

   A força exercida por um eletroímã em uma seção de material do núcleo é:

   F = B 2-A 2 μ 0 ( 2 ) {\displaystyle F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (2)\,}

   onde Uma {\displaystyle A} é a área da seção transversal do núcleo. A equação da força pode ser derivada da energia armazenada em um campo magnético. Energia é força vezes distância. Reorganizar Termos produz a equação acima.1.,6 T limite no campo acima mencionado estabelece um limite máximo para a força por unidade de área núcleo, magnéticos ou de pressão, um ferro-núcleo do eletroímã pode exercer; cerca de:

   F A = B s a t 2 2 μ 0 ≈ 1000 k P a = 10 6 N / m 2 = 145 l b f ⋅ i n − 2 {\displaystyle {\frac {F}, {A}}={\frac {B_{sat}^{2}}{2\mu _{0}}}\approx 1000\ \mathrm {kPa} =10^{6}\mathrm {N/m^{2}} =145\ \mathrm {m} \cdot \mathrm {em} ^{-2}\,}

   No mais intuitiva unidades, é útil lembrar que em 1 T o magnético pressão é aproximadamente de 4 atmosferas, ou kg/cm2.,o campo B necessário para uma dada força pode ser calculado a partir de (2); se ele sair para muito mais de 1,6 T, um núcleo maior deve ser usado.

   circuito magnético fechado

   secção transversal do electroíman de elevação como a da fotografia acima, mostrando construção cilíndrica. Os enrolamentos (C) são tiras de cobre planas para suportar a força de Lorentz do campo magnético. O núcleo é formado pela espessa caixa de ferro (D) que envolve em torno dos enrolamentos.,circuito ci (sem folga), como poderia ser encontrada em um eletroímã para levantar um pedaço de ferro ponte entre os seus pólos, a equação (1) torna-se: B = N I μ L ( 3 ) {\displaystyle B={\frac {NI\mu }{L}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (3)\,}

   Substituindo em (2), a força é:

   F = μ 2 N 2 I 2 2 μ 0 L 2 ( 4 ) {\displaystyle F={\frac {\mu ^{2}N^{2}I^{2}A}{2\mu _{0}L^{2}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (4)\,}

   pode ser visto que, para maximizar a força, um núcleo com um curto caminho de fluxo L e uma ampla área da seção transversal de Um é preferencial (isto também se aplica aos ímãs com um espaço de ar)., Para isso, em aplicações como ímãs de elevação (ver foto acima) e altifalantes, um design cilíndrico plano é frequentemente usado. O enrolamento é enrolado em torno de um núcleo cilíndrico curto e largo que forma um polo, e uma espessa caixa de metal que envolve o exterior dos enrolamentos forma a outra parte do circuito magnético, trazendo o campo magnético para a frente para formar o outro polo.,

   força entre electroímansedit

   os métodos acima são aplicáveis aos electroímanes com circuito magnético e não se aplicam quando uma grande parte da trajetória do campo magnético está fora do núcleo. Um exemplo seria um íman com um núcleo cilíndrico recto como o mostrado no topo deste artigo., Para eletroímãs (ou ímãs permanentes) com bem definiu como “pólos”, onde as linhas de campo emergem do núcleo, a força entre dois eletroímãs podem ser encontrados usando o ‘Gilbert modelo”, o que pressupõe que o campo magnético é produzido por fictício “magnético encargos” na superfície dos pólos, com a pole força m e unidades de Ampere-ligar o medidor., O pólo magnético de força de eletroímãs pode ser encontrado a partir de:

   m = N I A L {\displaystyle m={\frac {NIA}{L}}}

   A força entre dois pólos é:

   F = µ 0 m 1 m 2 4 π r 2 {\displaystyle F={\frac {\mu _{0}m_{1}m_{2}}{4\pi r^{2}}}}

   Este modelo não dar o correto campo magnético no interior do núcleo e, portanto, fornece resultados incorretos se o pólo de um ímã fica muito perto de outro ímã.