Um eletroímã, chamado de eletroíman no português europeu e grafado electroíman na ortografia anterior ao Acordo Ortográfico de 1990, é um tipo de ímã no qual o campo magnético é produzido por uma corrente elétrica. Os eletroímãs geralmente consistem em fio de cobre enrolado em uma bobina. A corrente no fio cria um campo magnético que se concentra no interior da bobina. Quando a corrente cessa, desaparece o campo produzido pelo enrolamento, embora o núcleo possa conservar uma magnetização residual. As espiras costumam ser enroladas em torno de um núcleo magnético feito de material ferromagnético, como o ferro, ou ferrimagnético. O núcleo concentra o fluxo magnético e aumenta o campo produzido para uma mesma corrente.
A principal vantagem de um eletroímã em relação a um ímã permanente é a possibilidade de alterar o campo magnético por meio do controle da corrente elétrica no enrolamento. A inversão do sentido da corrente também permite inverter seus polos magnéticos. Um ímã permanente não requer alimentação elétrica, enquanto um eletroímã precisa de corrente para manter o campo produzido pela bobina. Nos eletroímãs resistivos, essa corrente exige alimentação contínua, pois parte da energia elétrica é dissipada como calor.
Eletroímãs são usados como componentes de dispositivos elétricos, entre eles motores, geradores, solenoides eletromecânicos, relés, alto-falantes, discos rígidos, aparelhos de imagem por ressonância magnética, instrumentos científicos e equipamentos de separação magnética. Também são empregados na indústria para erguer e mover objetos pesados de ferro, como sucata de ferro e aço.
História
miniatura|Um eletroímã simples formado por uma bobina de fio enrolada em torno de um núcleo de ferro. O núcleo ferromagnético aumenta o campo produzido pela bobina. A proporcionalidade entre campo e corrente é uma aproximação válida quando a resposta magnética do núcleo é aproximadamente linear. O cientista dinamarquês Hans Christian Ørsted descobriu em 1820 que uma corrente elétrica produz efeitos magnéticos. Ainda em 1820, François Arago verificou que a corrente podia magnetizar ferro e aço. Após discussões com André-Marie Ampère, foram feitos experimentos nos quais uma agulha de aço era colocada dentro de um fio enrolado em hélice e se tornava magnetizada quando a corrente circulava.
Em 1825, o cientista britânico William Sturgeon apresentou um dos primeiros eletroímãs com núcleo de ferro. Citado em . O dispositivo era uma peça de ferro em forma de ferradura, envolvida por cerca de 18 espiras de fio de cobre nu. Como o fio isolado para uso elétrico ainda não estava disponível comercialmente, Sturgeon revestiu o ferro com verniz e manteve as espiras separadas para evitar curtos-circuitos. Quando uma corrente passava pela bobina, o ferro ficava magnetizado e atraía outras peças de ferro. Ao interromper a corrente, a atração diminuía. O aparelho, com massa de cerca de 200 g, conseguia erguer aproximadamente 4 kg quando alimentado por uma única célula elétrica. O uso de fio nu limitava o enrolamento a uma camada de espiras espaçadas.
Entre o fim da década de 1820 e o início da seguinte, o cientista norte-americano Joseph Henry aperfeiçoou sistematicamente a construção dos eletroímãs. Usando fio isolado com seda e inspirado pelo emprego de espiras por Schweigger na construção de um galvanômetro, Henry conseguiu enrolar camadas sobrepostas de fio sobre os núcleos e construir ímãs potentes com milhares de espiras. Um deles, construído para o Yale College em 1831, sustentava cerca de 936 kg. Os sinalizadores telegráficos estiveram entre as primeiras aplicações dos eletroímãs em larga escala.
A teoria dos domínios magnéticos foi proposta por Pierre-Ernest Weiss em 1907. A interpretação quântica do ferromagnetismo foi desenvolvida a partir do fim da década de 1920, com trabalhos de Werner Heisenberg e Felix Bloch. Na década de 1930, Lev Landau e Evgeny Lifshitz também desenvolveram uma teoria para a dinâmica da magnetização.
Aplicações dos eletroímãs miniatura|Eletroímã industrial erguendo sucata de ferro, 1914
Eletroímãs são usados em dispositivos elétricos e eletromecânicos, entre eles: motores e geradores Transformadores Relés Campainhas e buzinas elétricas alto-falantes e fones de ouvido Atuadores, como válvulas equipamentos de gravação magnética e armazenamento de dados, como gravadores de fita, videocassetes e discos rígidos aparelhos de imagem por ressonância magnética equipamentos científicos, como espectrômetros de massa aceleradores de partículas fechaduras magnéticas equipamentos de separação magnética, usados para separar materiais magnéticos dos não magnéticos, por exemplo, para retirar metais ferrosos da sucata eletroímãs industriais de elevação levitação magnética, usada em trens maglev aquecimento por indução para cozinhar, fabricar produtos e realizar terapia por hipertermia
Um eletroímã de retenção é projetado para manter um material no lugar. Um eletroímã de elevação é um exemplo. Um eletroímã de tração aplica uma força que desloca uma peça móvel.
Solenoide simples
miniatura|upright=1.5|Campo magnético produzido por um solenoide. O desenho mostra um corte pelo eixo da bobina. As cruzes representam fios nos quais a corrente entra no plano da página, e os pontos representam fios nos quais a corrente sai desse plano.
Um eletroímã de tração comum é formado por um solenoide com enrolamento uniforme e um êmbolo. O solenoide é uma bobina de fio, e o êmbolo é feito de um material como ferro doce. A passagem de corrente pelo solenoide exerce uma força sobre o êmbolo e pode fazê-lo se mover. Uma posição de equilíbrio ocorre quando a força magnética é equilibrada pelas demais forças que atuam sobre a peça. Em uma montagem simétrica, sem batente magnético nem outras forças axiais, o êmbolo pode ficar em equilíbrio quando está centralizado no solenoide.
Para solenoides longos e esbeltos com êmbolo de ferro, uma aproximação empírica para a força de tração, na configuração em que uma extremidade do êmbolo está próxima ao centro da bobina, é
(1)
em que é uma constante empírica, é a área da seção transversal do êmbolo, é o número de espiras, é o módulo da corrente e é o comprimento do solenoide. Com força em newtons, área em metros quadrados, comprimento em metros e corrente em amperes, os coeficientes fornecidos para essa aproximação correspondem a valores de entre cerca de 1,58 e 1,75 T. Um exemplo do manual apresenta uma bobina de aproximadamente 0,305 m de comprimento, com êmbolo longo de seção transversal de 6,45 cm² e 11.200 ampere-espiras, que desenvolvia uma força máxima de cerca de 38,9 N. Esses valores correspondem a . Tabela 25.
A inserção de um batente magnético aumenta a força de tração quando o êmbolo se aproxima dele. O batente se magnetiza e atrai o êmbolo. Seu efeito é pequeno quando a separação é grande e cresce à medida que o entreferro diminui. Uma aproximação empírica para a força nessa configuração é
Aqui, é a distância entre as extremidades do batente e do êmbolo. Com as grandezas expressas nas unidades do SI usadas acima, o coeficiente corresponde a aproximadamente . O primeiro termo estima a atração entre o batente e o êmbolo. O segundo é a aproximação para o solenoide sem batente, dada pela equação (1). Essas expressões dependem da geometria e das condições para as quais os coeficientes foram obtidos e não constituem leis gerais para qualquer solenoide.
Em um modelo magnético linear, uma expressão mais geral para a força axial é
em que é a indutância em função da posição do êmbolo. Essa expressão resulta da variação da coenergia magnética com a posição, mantendo a corrente constante.
O projeto básico admite aperfeiçoamentos. As extremidades do batente e do êmbolo podem ser cônicas, com uma ponta que se encaixa em um rebaixo correspondente. A escolha desse perfil permite alterar a relação entre força e deslocamento e, em certos projetos, tornar a tração mais uniforme. Outro aperfeiçoamento consiste em acrescentar um caminho de retorno magnético ao redor da parte externa do solenoide, formando um "solenoide revestido de ferro". Assim como o batente, esse caminho de retorno tem maior efeito quando o entreferro é pequeno.
Física miniatura|A corrente em um fio produz um campo magnético . A orientação do campo segue a regra da mão direita. miniatura|As linhas do campo magnético de uma espira percorrida por corrente passam pelo centro da espira, concentrando o campo nessa região. miniatura|Campo magnético gerado pela passagem de corrente em uma bobina
Uma corrente elétrica que percorre um fio cria um campo magnético ao redor dele. Para concentrar esse campo em um eletroímã, o fio é enrolado em uma bobina com espiras dispostas lado a lado. Os campos produzidos pelas espiras se somam no interior da bobina. Uma bobina em forma de hélice ao redor de um eixo reto recebe o nome de solenoide.
A direção do campo magnético através de uma bobina pode ser determinada pela regra da mão direita. Se os dedos da mão direita forem curvados ao redor da bobina no sentido da corrente convencional, isto é, do movimento de cargas positivas, o polegar apontará no sentido do campo dentro da bobina. A extremidade da qual emergem as linhas de campo é o polo norte. A inversão da corrente inverte a direção do campo produzido pelo enrolamento.
Núcleo magnético As variáveis usadas nas equações são definidas na tabela ao fim do artigo.
Campos magnéticos mais fortes podem ser produzidos quando um núcleo magnético feito de material magnético macio é colocado dentro da bobina. Esses materiais podem ser ferromagnéticos, como o ferro, ou ferrimagnéticos, como certas ferritas. A elevada permeabilidade magnética permite que o campo seja muito maior que o produzido pela bobina sem núcleo. Em condições favoráveis, o aumento pode chegar a milhares de vezes, embora dependa da geometria e do estado de magnetização do material. Nem todo eletroímã usa núcleo. Quando ele existe, o dispositivo pode ser chamado de eletroímã de núcleo ferromagnético ou eletroímã de núcleo de ferro.
Um material ferromagnético contém pequenas regiões chamadas domínios magnéticos, nas quais os momentos magnéticos atômicos estão alinhados. Em um núcleo inicialmente desmagnetizado, as orientações dos domínios se compensam, deixando pequena magnetização resultante. A aplicação de um campo faz crescer os domínios orientados favoravelmente, por deslocamento de suas paredes, e também pode girar a direção da magnetização. Esses processos aumentam o campo no material. O núcleo oferece um caminho de menor relutância magnética que o ar e concentra o fluxo magnético.
O aumento da corrente geralmente aumenta a magnetização do núcleo, mas essa resposta não é linear em toda a faixa de operação. Quando a magnetização se aproxima de seu valor máximo, o material entra em saturação. No SI, a relação entre a densidade de fluxo , o campo magnetizante e a magnetização é
.
A saturação limita principalmente , não o valor total de . Depois que praticamente deixa de aumentar, ainda cresce com , mas o ganho adicional proporcionado pelo núcleo se torna muito menor.
Em muitos aços usados em núcleos, a saturação torna-se relevante para o projeto quando a densidade de fluxo está na faixa aproximada de 1,6 a 2 T, dependendo do material e do critério adotado. A polarização magnética de saturação de um aço elétrico de grão orientado, por exemplo, pode ser de aproximadamente 2,03 T. Esses valores não são um teto absoluto para o campo magnético. Nos eletroímãs de campo muito intenso, a geração do campo depende sobretudo da corrente nos enrolamentos, sem o grande fator de amplificação que um núcleo oferece antes da saturação.