FREIO ELETROMAGNÉTICO POR CORRENTE FOUCAULT
Jeferson Tadeu da Silva RA: B0727D-0 Cícero Coelho RA: B0350H-0 Renan Paulino Ramos RA: B0612F-9 Ricardo Barbosa RA: A7609B-9 Jeferson Tadeu da Silva Cícero Coelho Renan Paulino Ramos Ricardo Barbosa
FREIO ELETROMAGNÉTICO POR CORRENTE FOUCAULT
FREIO ELETROMAGNÉTICO POR CORRENTE FOUCAULT
Engenharia Ciclo Básico 4° Semestre - UNIP Limeira 24/11/2012
“Não conheço missão maior e mais nobre que a de dirigir as inteligências
jovens e preparar os homens do futuro.” D. Pedro II
Sumário
Lista de Ilustrações pág. 05 Capítulo 1 - Resumo e Introdução 1.1 - Resumo pág. 06 1.2 - Introdução pág. 07 Capítulo 2 - Desenvolvimento e pesquisas 2.1 - Freios Eletromagnéticos e suas aplicações pág. 08 2.2 - Imãs e Eletroímãs pág. 09 2.3 - Bobinas pág. 10
2.4 - Lei de Ampere pág. 11 2.5 - Força Magnética pág. 12 2.6 - Lei de Faraday pág. 13 2.7 - Lei de Lenz pág. 14 2.8 - Foucault pág. 15 Capítulo 3 - Métodos e Materiais 3.1 - Alternador pág. 16 3.2 - Montagem e Materiais pág. 18 Capítulo 4 - Resultados 4.1 - Funcionamento pág. 22 Capítulo 5 - Conclusão 5.1 - Conclusão Final pág. 23 Capítulo 6 - Referencias bibliográfica 6.1 - Sites de pesquisas pág. 25 Capítulo 7 - Anexo 7.1 - ANEXO 1 - Aplicações da força Magnética pág. 25
Lista de Ilustrações Capítulo 1 - Resumo e Introdução Fig. 1.01 - Experimento freio Foucault pág. 07 Capítulo 2 - Desenvolvimento e pesquisas Fig. 2.01 - Campo magnético gerado por corrente no condutor pág. 09 Fig. 2.02 - Eletroímã simples, feito com prego alimentado por pilha pág. 10 Fig. 2.03 - Exemplo de um Estator genérico bobinado pág. 10 Fig. 2.04 - Demonstração dos pólos Norte e Sul em eletroímã pág. 10 Fig. 2.05 - Exemplo de como utilizar regra da mão direita pág. 11 Fig. 2.06 - Exemplo de como utilizar regra da mão esquerda pág. 12 Fig. 2.07 - Resultado da variação de fluxo no tempo, corrente induzida pág. 13 Fig. 2.08 - Resultado da variação de fluxo, corrente induzida pág. 14 Fig. 2.09 - Lei de Ohm pág. 14 Fig. 2.10 - Representação da corrente de Foucault no disco pág. 15 Fig. 2.11 - Representação da corrente de Foucault na placa pág. 15 Capítulo 3 - Métodos e Materiais Fig. 3.01 - Alternador e suas peças pág. 17 Fig. 3.02 - Experimento Freio Foucault vista lateral esquerda pág. 18 Fig. 3.03 - Experimento Freio Foucault vista detalhe correia pág. 19 Fig. 3.04 - Experimento Freio Foucault vista lateral direita pág. 20
Fig. 3.05 - Experimento Freio Foucault vista superior pág. 21 Capítulo 4 - Resultados Fig. 4.01 - Esquema Elétrico de ligação experimento pág. 22 Capítulo 5 - Conclusão Fig. 5.01 - Experimento Freio Foucault Leds Aceso pág. 23 Fig. 5.02 - Experimento Freio Foucault Lâmpada Acesa pág. 24 Capítulo 7 - Anexo Fig. 7.01 - Serra Elétrica pág. 26 Fig. 7.02 - Forças num motor de carrinho de brinquedo pág. 26 Fig. 7.03 - Funcionamento de um galvanômetro pág. 27
Capítulo 1 - Resumo e Introdução
1.1 - Resumo Com nosso projeto pudemos demonstrar estudos de bases cientificas contido no campo da física e com uma pequena demonstração da enorme capacidade do freio eletromagnético.
Modificado das pesquisas comuns, a nossa se diferencia no fator visual do projeto sendo demonstrados a partir das peças de um alternador de automóveis, os efeitos que ocorrem para funcionamento do freio.
Quando o rotor bobinado do alternador esta em movimento gerado através da relação polia e correia atrelados ao motor elétrico, ao acionarmos o botão que servirá como “pedal” do nosso freio o rotor recebera corrente elétrica, e é
gerado um campo magnético girante que varia o fluxo do campo magnético com a velocidade do motor sobre as bobinas do estator o que permite a geração da f.e.m.
Com base no projeto em si, conseguiremos construir um protótipo com fundamentos básicos do eletromagnetismo para uso didático, assim como demonstraremos as forças que atuam sobre o mesmo.
1.2 - Introdução Nosso experimento consiste na construção de um Freio Foucault. No funcionamento do nosso experimento podemos citar algumas transformações de energia como: - Energia elétrica em mecânica ao alimentarmos um motor; - Energia elétrica em campo magnético quando uma corrente elétrica percorre por um condutor; - A geração de corrente elétrica (tensão induzida) ao variarmos o fluxo
magnético sobre um material de cobre ou alumínio, por exemplo, materiais que sofrem o efeito do campo magnético devido a seus elétrons livres; Para explicação das transformações acima foram citadas as teorias comprovadas em nosso experimento de Öersted “geração de campo magnético através da corrente elétrica”. Faraday “corrente elétrica gerada enquanto
ocorrer movimento relativo entre um fluxo magnético e um condutor”, Lenz “em que a f.e.m gerada é sempre contraria ao fluxo”.
Em nosso trabalho também será citadas às forças que podem ser encontradas quando temos em um mesmo equipamento corrente elétrica , f luxo ou campo magnético em movimento atuando sobre material condutor são essas as forças Foucault ou parasitas, f.e.m. força eletromotriz e força magnética.
Fig. 1.01
Capítulo 2 - Desenvolvimento e Pesquisas 2.1 - Freios eletromagnéticos e suas aplicações Após uma pesquisa sobre freios magnéticos, pode ser observado que eles têm uma grande capacidade de frenagem, pois tem uma capacidade magnética (também chamada de força de Lorentz) precisa, esse fator ajuda muito na segurança e a durabilidade, então será demonstrada o que ele exerce sobre qualquer objeto metálico em velocidade. Os Freios Magnéticos inicialmente foram utilizados para facilitar as frenagens em geral principalmente de trens sendo uma inovação tecnológica.
Após estudos sobre Lei de Faraday e Lenz, assim sendo formulados com bases de eletromagnetismo. O trabalho propunha uma melhor segurança e substituição de outros modelos de freios assim evitando vários acidentes.
Ao longo do tempo foram implantados também em carretilhas de pesca sendo
uma novidade com o menor peso, grande capacidade de tração e o grande melhoramento seria a enorme capacidade e desempenho no arremesso.
Também já foi utilizado na bicicleta ergométrica para exercícios físicos, nos grandes guindastes, e até criada uma patente onde o freio é utilizado em cadeiras de roda para deficientes terem melhor acesso, pois o mesmo possui um controle de torque preciso com rampas de aceleração e desaceleração suaves. O atrito nessas embreagens é muito baixo, evitando o aquecimento da embreagem e consequentemente aumentando sua vida útil.
2.2 - Imãs e Eletroímãs A magnetita é um imã natural - um minério com propriedades magnéticas.
Uma lenda conta que a palavra magnetismo vem do nome do pastor grego Magnes, que teria descoberto um tipo de pedra que atraía a ponta metálica de seu cajado. Em homenagem a ele, a pedra foi chamada de magnetita, de onde derivam as palavras: magnético e magnetismo.
Outra versão atribui o nome do mineral ao fato de ele existir em abundancia na região asiática da Magnésia. Sejam naturais ou artifi ciais, os ímãs são materiais capazes de se atraírem ou repelirem entre si, bem como de atrair ferro e outros metais magnéticos.
Quando os polos magnéticos de dois imãs se aproximam, as forças magnéticas dos mesmos reagem entre si. Se forem aproximados polos diferentes norte e sul, haverá uma atração entre os dois.Se os polos aproximados forem iguais norte e norte ou sul e sul, haverá uma repulsão entre os dois. Isso é baseado na lei da física que diz que forças diferentes se atraem e forças iguais se repelem.
Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian Öersted descobriu que a corrente elétrica que passa por um condutor gera um campo magnético, o princípio da indução eletromagnética é também a base de funcionamento dos eletroímãs, equipamentos que geram campos magnéticos apenas, enquanto uma corrente elétrica produz o efeito de indução. Uma vez desligados perdem suas propriedades, ao contrário dos imãs permanentes.
Fig. 2.01
2.3 - Bobinas Referente qualquer fio condutor elétrico enrolado em si mesmo, ou ainda em
volta de uma superfície também condutora. Tem como pr incipal aplicação de produzir campo magnético tornando-a um ímã elétrico ou eletroímã, como indutor, ou seja, um dispositivo elétrico passivo que tem como utilidade armazenar energia em forma de campo magnético. Quando a corrente elétrica percorre um enrolamento de f ios, gera-se um campo magnético e, inversamente, quando se interrompe um campo ou fluxo magnético, gera-se eletricidade em qualquer enrolamento de fio dentro das linhas do fluxo magnético. Devido ao fato de que o campo magnético ao redor de um fio ser circular e perpendicular a este, uma amplicafica-se o campo magnético produzido ao enrolarmos o fio como uma bobina. Sua potência depende ainda da espessura e da quantidade de fio utili zado em sua construção, também se consegue aumentar a potência da bobina ao colocar material ferroso como núcleo no interior da bobina.
Nos transformadores, máquinas que servem para transformar tensões aumentando ou diminuído seu valor, ou também para i solar eletricamente circuitos, encontramos em sua parte principal um conjunto de, pelo menos, duas bobinas. É fácil encontrarmos transformadores nos aparelhos eletrônicos domésticos (rádios, televisores e etc.).
Um simples eletroímã pode ser construído utilizando-se um parafuso, uma pilha e um fio isolado de cobre enrolado ao parafuso.
Fig. 2.02 Fig. 2.03
Fig. 2.04
2.4 - Lei de Ampere “Aponta a relação direta entre o campo magnético e a corrente elétrica em fios condutores”.
Em relação ao campo magnético gerado por uma corrente elétrica, é comum ser difícil em determinar a direção e o sentido do vetor indução B. De acordo com o Experimento de Oersted, ao se colocar uma bússola próxima a um fio percorrido por uma corrente elétrica, a agulha dessa bússola sofre um desvio. Com isso Oersted concluiu que, como os imãs, toda corrente elétrica ao percorrer um condutor gera, no espaço ao seu redor, um campo magnético. Para determina a direção e sentido é utilizado a regra da mão direita, conforme explicado no texto abaixo e pela figura::
Fig. 2.05
Tendo uma corrente elétrica passando por um fio (corrente elétrica: positivo para o negativo), ao envolver a mão direita, de modo a abraçá-lo com o polegar. Apontando o sentido da corrente, os demais dedos indicam sentido do campo magnético, que são as linhas concêntricas em torno deste fio.Em um determinado ponto do espaço, a direção do campo magnético é tangente a estas linhas concêntricas, e o sentido é o mesmo do indicado pelos dedos.
2.5 - Força Magnética
A direção da força magnética é perpendicular à direção da velocidade com que a carga é inserida no campo magnético e, também, ao próprio campo magnético. Para conseguirmos identificar melhor as forças e o sentido podemos usar a regra da mão esquerda, conforme explicado no texto abaixo e pela figura:
Fig. 2.06
O dedo polegar representa sentido da força magnética ([pic]), o dedo indicador deve representar o sentido para o campo magnético ([pic]), formando um ângulo de 90° com o polegar, e, por sua vez, o dedomédio representa o sentido da velocidade ([pic]), formando um ângulo de 90° com o
dedo polegar e com o indicador, ou seja, as três grandezas vetoriais são perpendiculares entre elas.
2.6 - Lei de Faraday “Uma corrente elétrica é criada no circuito enquanto ocorrer um movimento
relativo entre as linhas de fluxo m agnéticas e o condutor.” A corrente elétrica pode ser criada com o fluxo magnético variando no campo:
Sabe-se que fluxo magnético é:
Portanto variando qualquer uma das componentes da equação do fluxo aplicada na lei da Faraday temos a f.e.m.: B - Campo magnético unidades em Tesla [T] A - área do material que sofre variação do fluxo metros [m²] - é o ângulo formado entre o vetor [pic] e vetor área [pic]. Fig. 2.07
2.7 - Lei de Lenz Já citada a teoria da indução de uma f.e.m. por conta da variação do fluxo magnético no tempo a qual nos traz a equação de Faraday. Para compreendermos totalmente a equação de Faraday, devemos pensar sobre o sinal negativo, o qual atribuímos a Lei de Lenz tal explicação.
“a f.e.m. gerada é sempre oposta ao movimento do fluxo magnético”
a) Com o aumento do fluxo magnético, gera-se uma f.e.m. criando oposição magnética ligada a tal aumento. b) Com a diminuição do fluxo magnético, gera-se uma f.e.m., criando oposição magnética a tal diminuição.
Fig. 2.08
Com o aparecimento deste campo magnético é possível equacionar a f.e.m. induzida e também a força magnética neste condutor.
Fig. 2.09
2.8 - Foucault Corrente de Foucault ou corrente parasita é o nome dado à corrente induzida em um material condutor, quando o material sofre ação de um fluxo magnetico que varia no tempo. Em alguns casos a corrente de Foucault pode produzir resultados indesejáveis, como a dissipação por efeito Joule o que faz com que a temperatura do material aumente. Nos condutores há uma manifestação particular da corrente de Foucault, na qual a corrente elétrica tende a fluir na periferia de um condutor longo e retilíneo. Quando uma folha condutora entra em um campo, uma variação de fluxo ocorre que provoca uma força eletromotriz induzida na f olha que por sua vez provoca o movimento dos eletrons livres no metal em circuitos fechados de correntes. Conforme a Lei de Lenz a magnitude e sentido dessas correntes deve se opor à variação que as provoca, formando polos magneticos que geram forças que efetivamente se opõe ao movimento do metal dentro do campo magnético. Fig. 2.10
Fig. 2.11 Capítulo 3 - Métodos e Materiais 3.1 - Alternador O alternador é um componente acionado por correia, ligado ao motor dos automóveis, utilizado para recarregar a carga da bateria gasta na partida e gerar energia aos componentes elétricos quando o automovel está em funcionamento. Com a evolução dos veículos automotivos houve o aumento de componentes elétricos que aumentam a demanda de energia consumida. Composto por uma ponte retificadora, a base de diodos semicondutores de silício que permite a retificação da corrente alternada, de forma que o alternador forneça corrente contínua, sendo assim podemos denominar o alternador como: “gerador de corrente contínua”.
Regulador de tensão: sistema que controla a corrente de excitação do campo do alternador de forma a manter a tensão dentro dos limites especificados. seu funcionamento baseia-se no princípio de indução eletromagnética para gerar energia elétrica, que a partir de um condutor (um fio ou espira) é atravessado pelas linhas de um campo magnético, e uma voltagem é induzida neste condutor. Isto independe do movimento entre o campo magnético e o condutor. Imagine um condutor imóvel com um campo magnético em rotação. Se as
extremidades do conector estão conectadas a um voltímetro, será possível verificar que a voltagem tomará uma forma alternada, devida à variação da posição da espira em relação aos pólos. Se a rotação desta espira é constante, a curva de tensão por posição (ângulo de rotação) da espira será senoidal. O termo eletromagnetismo também inclui o fenômeno físico de que condutores submetidos a uma corrente elétrica são rodeados por um campo magnético. No caso de uma bobina, a força do campo magnético gerado depende do número de espiras e da magnitude da corrente que flui através dela (na prática, utilizase uma bobina com grande número de espiras, que também é conhecida como armadura). Este campo magnético pode ser ampliado com o uso de núcleos de ferros magnetizáveis. O uso destes princípios no alternador leva ao fato de que se pode aumentar ou reduzir a intensidade do campo magnético e, desta f orma, aumentar ou reduzir a voltagem induzida. No alternador há três bobinas idênticas (u, v, w), dispostas a 120º uma da outra. De acordo com o princípio da indução, à medida que o rotor gira são geradas três correntes alternadas de mesma freqüência e magnitude, porém defasadas em 120º. Estas três correntes são chamadas de corrente alternada trifásica. Normalmente, um alternador precisaria de seis fios para conduzir a corrente induzida nas três bobinas. No entanto, é possível reduzirmos o número de conexões para três, ligando as bobinas entre si. Há duas formas possíveis de se fazer esta ligação: em triângulo ou em estrela. Nos alternadores dos automóveis, foi provado que é mais vantajoso alojar este arranjo de bobinas na parte estacionária do equipamento, também chamada de estator. Os pólos do magneto, que é atravessado pela corrente de excitação, ficam na parte móvel do equipamento ou rotor`. Esta corrente de excitação é uma corrente contínua, pulsante, que gera um campo magnético na armadura do rotor, que por sua vez, induz uma corrente alternada trifásica no estator.
Fig. 3.01
3.2 Montagem e Materiais Para montagem do nosso experimento utilizamos um alternador de automóveis como peça principal. Com o alternador desmontado utilizamos suas principais peças: Rotor e estator bobinados, conjunto de escovas e os dois rolamentos, foram desnecessários a utilização da ponte retificadora e do regulador de voltagem. Em conjunto com algumas peças do alternador foram utilizados 3 leds de alto brilho, uma lâmpada incandescente de corrente continua 12 V e bocal E-27, 1 botão de pulso com contatos NA e NF. Foram utilizadas duas polias, colocando uma no rotor e outra em um motor elétrico de 12 V corrente continua, o qual era aclopado ao alternador por uma correia, e uma bateria de moto de 12 V para alimentar todo o sistema para seu funcionamento.
Fig. 3.02
Fig. 3.03
Fig. 3.04
Fig. 3.05
Capítulo 4 - Resultados 4.1 - Funcionamento Nosso sistema de freio tem alimentação 12 V, o mesmo que alimenta o motor elétrico que se acopla a polia do rotor por uma correia. Com o motor em funcionamento ao ligar o sistema à bateria, a lâmpada se acende, demonstrando que o sistema está em funcionamento. A lâmpada recebe alimentação do botão de pulso, sendo ligada em um dos contatos NF, para que a mesma se acenda sem que fosse necessário comutar o botão ou seja alimentado-se o motor a lâmpada também recebe alimentação. A bobina do rotor que irá gerar o campo recebe alimentação das escovas que serão alimentadas pelo botão de pulso. A escova está li gada no contato NA, sendo que quando acionado irá alimentar a bobina do rotor e apagará a lâmpada, a tensão que acendia a lâmpada agora será responsável por gerar o campo no rotor. O campo gerado no rotor, terá seu fluxo variado sobre a bobina do estator (a bobina do estator representa o disco nos freios e experimentos comuns). Com a variação do fluxo sobre o estator a tensão induzida começa a ser gerada e temos nesse momento o acendimento dos leds que estão ligados um a cada bobina do estator para demonstrar a corrente e tensão induzida geradas do fluxo variado sobre a bobina do estator.
Com a corrente percorrendo as bobinas do estator e gerado um novo campo magnético que é criado a partir da corrente induzida, nesse momento é realizado a frenagem do sistema por conta da força magnética do rotor e do estator que agem uma contra a outra resultando na frenagem do sistema.
Fig. 4.01
Capítulo 5 - Conclusão 5.1 - Conclusão Final Após todos os teste e experiências ficaram comprovados os conceitos físicos citados no trabalho. Pudemos compreender melhor os conceitos da geração da corrente elétrica através da variação do campo magnético ou fluxo magnético. A formação de campo magnético através da passagem de corrente elétrica, já que o eletromagnetismo é uma área tão complexa e com poucos estudos em livros didáticos. A parte das forças parasitas e tensão induzida, também pela difícil compreensão já que nada é visual, não se consegue ver a corrente elétrica nem o fluxo magnético, é preciso então entender e compreender as transformações sem poder velas. Foi comprovado também que com o aumento da variação do fluxo aumenta-se a tensão induzida gerada, durante os testes foram trocadas as correias do acoplamento e com uma correia que proporcionou maior velocidade ao rotor
tivemos o aumento da tensão induzida onde os leds comprovavam a existência de corrente elétrica.
Fig. 5.01
Fig. 5.02
Capítulo 6 - Referência Bibliográfica 6.1 - Sites de pesquisas http:/ pt.wikipedia.org/wiki/Fluxo_magn%C3%A9tico http://educacao.uol.com.br/fisica/eletromagnetismo-1-imas-e-inducaoeletromagnetica.jhtm/
http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/12613/05teoria_fr ame.htm/ http://elektron.no.sapo.pt/oqueebobina1.htm http://sistemasautomotivos.blogspot.com.br/2009/01/bobina.html http://ciencia.hsw.uol.com.br/eletroimas4.htm http://www.zazzle.com.br/ohm+adesivos http://mecanicaedicas.blogspot.com.br/2010/05/funcionamento-doalternador.html http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/eletromagnetismo-1-imas-ehttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Corrente_de_Foucault&oldid=3262439 2inducao-eletromagnetica.htm
http://www.brasilescola.com/fisica/aplicacoes-forca-magnetica-umcondutor.htm
Capítulo 7 - Anexo 7.1 - ANEXO 1 - Aplicações da força magnética Fig. 7.01
Serras elétricas utilizam motores elétricos para seu funcionamento Quando uma carga elétrica penetra em um campo magnético uniforme, verifica-se que essa carga fica sujeita a uma força magnética, também chamada de força de Lorentz. A origem dessa força pode ser explicada sabendo que uma carga elétrica em movimento gera campo magnético e este interage com o campo magnético da região onde a carga se move. A mesma força surge também quando um fio condutor de eletricidade, percorrido por uma corrente elétrica, é colocado em um campo magnético uniforme. A força magnética que age sobre o fio condutor, percorrido por uma corrente elétrica, quando imerso em uma região onde há um campo magnético, é usada em uma grande quantidade de aparelhos como, por exemplo, motores, amperímetros, voltímetros e galvanômetros. A força magnética usada nos motores elétricos A maioria dos motores elétricos que encontramos em diversos aparelhos elétricos funciona tendo por base o efeito de rotação das forças que agem sobre as espiras que são imersas em um campo magnético. Vejamos a figura abaixo onde temos um esquema geral de um motor de corrente contínua. Os motores que apresentam essa configuração são os motores de arranque dos carros ou os motores de carrinhos de brinquedo. Fig. 7.02
Basicamente, o princípio de funcionamento desses motores consiste em um condutor em forma de um retângulo, que pode girar em torno de um eixo e que é percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i e imerso em um campo magnético B. As forças magnéticas que atuam nos dois ramos do motor criam um binário de forças que tendem a fazer com que o condutor retangular gire em torno do eixo de rotação e. A força magnética aplicada nos galvanômetros Para que entendamos o que é e como funciona um galvanômetro, vejamos a ilustração abaixo. Fig. 7.03
Na figura acima podemos ver que há, imersa em um campo magnético uniforme de indução B, uma espira em forma de retângulo CDEG. Suponhamos que uma corrente elétrica i percorra a espira retangular com o sentido indicado. Podemos ver que após iniciar o fluxo da corrente elétrica os lados EG e DC, da espira retangular, ficarão sujeitos à ação de forças magnéticas cujos módulos são iguais e que provocarão torques na própria espira. Esse torque fará com que a espira comece a girar em torno do eixo OP, no sentido indicado. A fim de aumentar o efeito de rotação da espira, isto é, aumentar a sensibilidade do aparelho, são usadas diversas espiras, comumente enroladas em um cilindro. Por Domiciano Marques Graduado em Física
