Eletromagnetos

As leis da indução eletromagnética afirmam que, passando uma corrente por um fio reto longo, gera-se um campo magnético em torno desse fio, sendo a potência da indução magnética proporcional à quantidade de corrente que passa através do fio, dada pela equação 3-1:

I

k

B

=

⋅

Para a geração de altos campos, uma propriedade importante utilizada é a passagem de corrente elétrica por dois fios retos paralelos em direções opostas, gerando dois campos de indução magnética que tendem a se cancelar mutuamente na região situada entre os dois fios. Quando as correntes elétricas fluem na mesma direção nos dois fios, os campos de indução magnética formados tendem a se somar (WESTBROOK, 2000).

3.1.2.1. Eletromagnetos Solenóides

Segundo LUFKIN (1999) e WESTBROOK (2000), ao invés de utilizar vários fios em paralelo, pode-se enrolar um fio formando muitas voltas, como uma mola. Esses rolos formam uma bobina e agem como se fossem fios retos paralelos, baseados no modelo teórico ideal para um eletromagneto, necessário para a produção de um campo perfeitamente uniforme (Figura 3.3). Isso é denominado “eletromagneto solenóide” e, já que as voltas do fio parecem uniformemente espaçadas, o campo magnético formado é consideravelmente uniforme, em virtude de gerar potência de campo semelhante de uma a outra extremidade. A potência da indução magnética resultante é dada pela equação 3-2.

R

I

N

k

2

B

=

π⋅

⋅

⋅

Esta é a base dos modelos de magnetos de resistência e também dos supercondutores, que serão vistos a seguir.

3.1.2.2. Magnetos de Resistência com Núcleo de Ar

Estes magnetos são construídos tipicamente de quatro bobinas coaxiais de cobre ou alumínio associadas com camisas resfriadoras à água. Isso porque, à medida que tem de manter a corrente na bobina para gerar o campo, este tipo de magneto precisa de força elétrica bastante significativa (por exemplo, 20 kW a 0.12 T) e, ainda, produz calor por resistência, necessitando de resfriamento hídrico (LUFKIN, 1999).

Para LUFKIN (1999) e WESTBROOK (2000), esses fatores elevam os custos operacionais do magneto, além de determinar o limite superior da potência do campo possível, já que a energia a

ser dissipada aumenta com o quadrado da corrente. Por essa razão, a potência máxima do campo num sistema desse tipo é inferior a 0,3 T.

Figura 3-3. Modelos de eletromagneto. A. Eletromagneto ideal com fios condutores que formam uma esfera, o que limita o acesso do paciente ao campo. B. Aproximação prática da esfera por meio de bobinas, sendo possível o acesso do paciente e mantendo, ainda, uma boa uniformidade espacial (LUFKIN, 1999).

Muitos destes magnetos são orientados de forma que o paciente fique ao longo do orifício tubular do magneto, com um campo principal de eixo horizontal (Figura 3-4). Gera, assim, campos marginais significativos, que se estendem por uma distância apreciável em torno do magneto, sendo potencial fonte de aceleração de objetos metálicos (efeito de míssil). No entanto, o campo pode ser desligado instantaneamente apertando-se um interruptor.

Figura 3-4. Magneto de resistência com núcleo de ar (LUFKIN, 1999).

3.1.2.3. Magnetos de Resistência com Núcleo de Ferro (Híbridos)

Segundo LUFKIN (1999), este tipo de magneto reúne as características dos sistemas magnéticos permanentes e de resistência com núcleo de ar. Construtivamente, formam-se blocos de ferro ou outros materiais mais exóticos em grandes placas terminais magnéticas, montadas em

hastes metálicas, como o magneto permanente, e adicionando-se bobinas a cada placa terminal, como nos magnetos de resistência com núcleo de ar (Figura 3-5).

As necessidades de força e resfriamento são menores que num modelo com núcleo de ar com potência do campo parecida, em virtude do componente de resistência do núcleo de ferro, acarretando menores custos operacionais.

O grande componente de ferro atua como escudo e via de fluxo de retorno intrínseco, de tal forma que os campos magnéticos marginais são reduzidos a um mínimo, como nos magnetos permanentes e com orientação do eixo do campo principal, em sua maioria, na vertical, o que possibilita o uso de bobinas de RF do modelo solenóide, as quais mais eficientes. Essa orientação do campo principal reduz os campos marginais, diminuindo o efeito míssil dos objetos metálicos ao redor e criando melhores condições de segurança para se trabalhar próximo ao magneto. Este magneto chega a potências superiores ao que é possível conseguir com aqueles modelos dos quais é derivado, como é mostrado na Tabela 3-1.

Figura 3-5. Magneto de resistência com núcleo de ferro. Assim como no magneto permanente, o campo vertical é produzido entre as placas terminais do magneto (LUFKIN, 1999).

3.1.2.4. Magnetos Supercondutores

Conforme LUFKIN (1999) e o NATIONAL RESEARCH COUNCIL (1996), os magnetos supercondutores são eletromagnetos solenóides que exploram o fato de que a resistência elétrica dos metais se altera com a temperatura. Consegue-se reduzir acentuadamente a resistência resfriando as bobinas próximo ao zero absoluto (-2700_{C) com hélio líquido, para se manter um}

estado supercondutor.

Na prática, isso é implementado num grande criostato a vácuo ou dewar (semelhante a uma garrafa térmica), que contém as bobinas supercondutoras. Os cabos desses magnetos são ligas de nióbio e titânio, ou similares, que são supercondutores entre 10 a 20 Kelvin (K).

Muitos magnetos supercondutores são enrolados em torno de cilindros de alumínio ou fibra de vidro, com a condição esférica ideal simulada pelo número variável de voltas dos fios (Figura 3- 6).

Inicialmente, a corrente circula pelos rolos de fio e gera um campo magnético ou eleva o campo até a potência (elevação por rampa). Os fios são, então, super-resfriados por substâncias com propriedades criogênicas (na maioria hélio (He) líquido) para eliminar a resistência, processo que é denominado de “banho criogênico” (WESTBROOK, 2000; NATIONAL RESEARCH COUNCIL, 1996; CLARE, 1997). O hélio líquido, por ser caro, tem sua ebulição reduzida por uma camada isolante de nitrogênio líquido mais barato. Dispõe-se de sistemas fechados de refrigeração para capturar e recondensar o hélio, reduzindo consideravelmente as necessidades de manutenção.

Figura 3-6. O eletromagneto esférico ideal é simulado pelo espaçamento variado das bobinas magnéticas. Como ocorre com outros eletromagnetos solenóides, é produzido um campo horizontal (LUFKIN, 1999).

Pode ocorrer a falha deste sistema, caso ocorra um apagamento (quench), ou seja, o magneto passe de supercondutor a resistivo. Esse apagamento ocorre pelo colapso rápido do campo magnético, da liberação de calor e da evaporação súbita dos criogênios, que pode causar um problema de segurança para o paciente, em virtude do rápido deslocamento do oxigênio respirável, sendo necessários grandes espaços sobre o magneto para a coleta do gás (LUFKIN, 1999).

O magneto supercondutor produz campos de indução magnéticas de potência elevada, que ultrapassam o valor de 1 Tesla, com pequeno gasto de energia (depois da partida inicial em rampa do campo magnético), visto que não é necessária uma fonte de energia adicional para manter elevada a potência do campo magnético, resultando em um custo operacional relativamente baixo (WESTBROOK, 2000).

O eixo do campo principal tem direção horizontal e, por essa razão, campos marginais significativos estão presentes nos magnetos supercondutores (LUFKIN, 1999).