FREIO ELETROMAGNTICO POR CORRENTE FOUCAULT

Jeferson Tadeu da Silva

RA: B0727D-0

Ccero Manoel

RA: B0350H-0

Renan Paulino Ramos

RA: B0612F-9

Ricardo Barbosa

RA: A7609B-9Jeferson Tadeu da SilvaCcero ManoelRenan Paulino RamosRicardo Barbosa

FREIO ELETROMAGNTICO POR CORRENTE FOUCAULT

Engenharia Ciclo Bsico 4 Semestre - UNIP Limeira 24/11/2012

No conheo misso maior e mais nobre que a de dirigir as inteligncias jovens e preparar os homens do futuro.D. Pedro II

Sumrio

Lista de Ilustraes

pg. 05

Captulo 1 - Resumo e Introduo

1.1 - Resumo

pg. 06

1.2 - Introduo

pg. 07

Captulo 2 - Desenvolvimento e pesquisas

2.1 - Freios Eletromagnticos e suas aplicaes

pg. 08

2.2 - Ims e Eletroms

pg. 09

2.3 - Bobinas

pg. 10

2.4 - Lei de Ampere

pg. 11

2.5 - Fora Magntica

pg. 12

2.6 - Lei de Faraday

pg. 13

2.7 - Lei de Lenz

pg. 14

2.8 - Foucault

pg. 15

Captulo 3 - Mtodos e Materiais

3.1 - Alternador

pg. 16

3.2 - Montagem e Materiais

pg. 18Captulo 4 - Resultados

4.1 - Funcionamento

pg. 22Captulo 5 - Concluso

5.1 - Concluso Final

pg. 23

Captulo 6 - Referencias bibliogrfica

6.1 - Sites de pesquisas

pg. 25

Captulo 7 - Anexo

7.1 - ANEXO 1 - Aplicaes da fora Magntica

pg. 26

Lista de Ilustraes

Captulo 1 - Resumo e Introduo

Fig. 1.01 - Experimento freio Foucault

pg. 07

Captulo 2 - Desenvolvimento e pesquisas

Fig. 2.01 - Campo magntico gerado por corrente no condutor

pg. 09Fig. 2.02 - Eletrom simples, feito com prego alimentado por pilha

pg. 10Fig. 2.03 - Exemplo de um Estator genrico bobinado

pg. 10Fig. 2.04 - Demonstrao dos plos Norte e Sul em eletrom

pg. 10Fig. 2.05 - Exemplo de como utilizar regra da mo direita

pg. 11Fig. 2.06 - Exemplo de como utilizar regra da mo esquerda

pg. 12

Fig. 2.07 - Resultado da variao de fluxo no tempo, corrente induzidapg. 13Fig. 2.08 - Resultado da variao de fluxo, corrente induzida

pg. 14

Fig. 2.09 - Lei de Ohm

pg. 14Fig. 2.10 - Representao da corrente de Foucault no disco

pg. 15

Fig. 2.11 - Representao da corrente de Foucault na placa

pg. 15

Captulo 3 - Mtodos e MateriaisFig. 3.01 - Alternador e suas peas

pg. 17Fig. 3.02 - Experimento Freio Foucault vista lateral esquerda

pg. 18

Fig. 3.03 - Experimento Freio Foucault vista detalhe correia

pg. 19

Fig. 3.04 - Experimento Freio Foucault vista lateral direita

pg. 20Fig. 3.05 - Experimento Freio Foucault vista superior

pg. 21Captulo 4 - ResultadosFig. 4.01 - Esquema Eltrico de ligao experimento

pg. 22

Captulo 5 - ConclusoFig. 5.01 - Experimento Freio Foucault Leds Aceso

pg. 23Fig. 5.02 - Experimento Freio Foucault Lmpada Acesa

pg. 24Captulo 7 - AnexoFig. 7.01 - Serra Eltrica

pg. 26

Fig. 7.02 - Foras num motor de carrinho de brinquedo

pg. 26Fig. 7.03 - Funcionamento de um galvanmetro

pg. 27Captulo 1 - Resumo e Introduo

1.1 - ResumoCom nosso projeto pudemos demonstrar estudos de bases cientificas contido no campo da fsica e com uma pequena demonstrao da enorme capacidade do freio eletromagntico.Modificado das pesquisas comuns, a nossa se diferencia no fator visual do projeto sendo demonstrados a partir das peas de um alternador de automveis, os efeitos que ocorrem para funcionamento do freio.

Quando o rotor bobinado do alternador esta em movimento gerado atravs da relao polia e correia atrelados ao motor eltrico, ao acionarmos o boto que servir como pedal do nosso freio o rotor recebera corrente eltrica, e gerado um campo magntico girante que varia o fluxo do campo magntico com a velocidade do motor sobre as bobinas do estator o que permite a gerao da f.e.m.

Com base no projeto em si, conseguiremos construir um prottipo com fundamentos bsicos do eletromagnetismo para uso didtico, assim como demonstraremos as foras que atuam sobre o mesmo.

1.2 - IntroduoNosso experimento consiste na construo de um Freio Foucault. No funcionamento do nosso experimento podemos citar algumas transformaes de energia como:

- Energia eltrica em mecnica ao alimentarmos um motor;

- Energia eltrica em campo magntico quando uma corrente eltrica percorre por um condutor;

- A gerao de corrente eltrica (tenso induzida) ao variarmos o fluxo magntico sobre um material de cobre ou alumnio, por exemplo, materiais que sofrem o efeito do campo magntico devido a seus eltrons livres;Para explicao das transformaes acima foram citadas as teorias comprovadas em nosso experimento de ersted gerao de campo magntico atravs da corrente eltrica. Faraday corrente eltrica gerada enquanto ocorrer movimento relativo entre um fluxo magntico e um condutor, Lenz em que a f.e.m gerada sempre contraria ao fluxo.Em nosso trabalho tambm ser citadas s foras que podem ser encontradas quando temos em um mesmo equipamento corrente eltrica , fluxo ou campo magntico em movimento atuando sobre material condutor so essas as foras Foucault ou parasitas, f.e.m. fora eletromotriz e fora magntica.

Fig. 1.01

Captulo 2 - Desenvolvimento e Pesquisas2.1 - Freios eletromagnticos e suas aplicaesAps uma pesquisa sobre freios magnticos, pode ser observado que eles tm uma grande capacidade de frenagem, pois tem uma capacidade magntica (tambm chamada de fora de Lorentz) precisa, esse fator ajuda muito na segurana e a durabilidade, ento ser demonstrada o que ele exerce sobre qualquer objeto metlico em velocidade.

Os Freios Magnticos inicialmente foram utilizados para facilitar as frenagens em geral principalmente de trens sendo uma inovao tecnolgica.

Aps estudos sobre Lei de Faraday e Lenz, assim sendo formulados com bases de eletromagnetismo. O trabalho propunha uma melhor segurana e substituio de outros modelos de freios assim evitando vrios acidentes. Ao longo do tempo foram implantados tambm em carretilhas de pesca sendo uma novidade com o menor peso, grande capacidade de trao e o grande melhoramento seria a enorme capacidade e desempenho no arremesso.

Tambm j foi utilizado na bicicleta ergomtrica para exerccios fsicos, nos grandes guindastes, e at criada uma patente onde o freio utilizado em cadeiras de roda para deficientes terem melhor acesso, pois o mesmo possui um controle de torque preciso com rampas de acelerao e desacelerao suaves. O atrito nessas embreagens muito baixo, evitando o aquecimento da embreagem e consequentemente aumentando sua vida til.2.2 - Ims e Eletroms

A magnetita um im natural - um minrio com propriedades magnticas.

Uma lenda conta que a palavra magnetismo vem do nome do pastor grego Magnes, que teria descoberto um tipo de pedra que atraa a ponta metlica de seu cajado. Em homenagem a ele, a pedra foi chamada de magnetita, de onde derivam as palavras: magntico e magnetismo.

Outra verso atribui o nome do mineral ao fato de ele existir em abundancia na regio asitica da Magnsia. Sejam naturais ou artificiais, os ms so materiais capazes de se atrarem ou repelirem entre si, bem como de atrair ferro e outros metais magnticos. Quando os polos magnticos de dois ims se aproximam, as foras magnticas dos mesmos reagem entre si. Se forem aproximados polos diferentes norte e sul, haver uma atrao entre os dois.Se os polos aproximados forem iguais norte e norte ou sul e sul, haver uma repulso entre os dois. Isso baseado na lei da fsica que diz que foras diferentes se atraem e foras iguais se repelem.Em 1820, o fsico dinamarqus Hans Christian ersted descobriu que a corrente eltrica que passa por um condutor gera um campo magntico, o princpio da induo eletromagntica tambm a base de funcionamento dos eletroms, equipamentos que geram campos magnticos apenas, enquanto uma corrente eltrica produz o efeito de induo. Uma vez desligados perdem suas propriedades, ao contrrio dos ims permanentes.

Fig. 2.01

2.3 - BobinasReferente qualquer fio condutor eltrico enrolado em si mesmo, ou ainda em volta de uma superfcie tambm condutora. Tem como principal aplicao de produzir campo magntico tornando-a um m eltrico ou eletrom, como indutor, ou seja, um dispositivo eltrico passivo que tem como utilidade armazenar energia em forma de campo magntico.Quando a corrente eltrica percorre um enrolamento de fios, gera-se um campo magntico e, inversamente, quando se interrompe um campo ou fluxo magntico, gera-se eletricidade em qualquer enrolamento de fio dentro das linhas do fluxo magntico. Devido ao fato de que o campo magntico ao redor de um fio ser circular e perpendicular a este, uma amplicafica-se o campo magntico produzido ao enrolarmos o fio como uma bobina.

Sua potncia depende ainda da espessura e da quantidade de fio utilizado em sua construo, tambm se consegue aumentar a potncia da bobina ao colocar material ferroso como ncleo no interior da bobina.Nos transformadores, mquinas que servem para transformar tenses aumentando ou diminudo seu valor, ou tambm para isolar eletricamente circuitos, encontramos em sua parte principal um conjunto de, pelo menos, duas bobinas. fcil encontrarmos transformadores nos aparelhos eletrnicos domsticos (rdios, televisores e etc.).Um simples eletrom pode ser construdo utilizando-se um parafuso, uma pilha e um fio isolado de cobre enrolado ao parafuso.

Fig. 2.02Fig. 2.03

Fig. 2.04

2.4 - Lei de Ampere

Aponta a relao direta entre o campo magntico e a corrente eltrica em fios condutores.

Em relao ao campo magntico gerado por uma correnteeltrica, comum ser difcil em determinar a direo e o sentido do vetorinduo B.

De acordo com o Experimento de Oersted, ao se colocar umabssola prxima a um fio percorrido por uma correnteeltrica, a agulha dessa bssola sofre um desvio.Com isso Oersted concluiu que, como os ims,toda corrente eltrica ao percorrer um condutor gera, no espao ao seu redor,um campo magntico.

Para determina a direo esentido utilizado a regra da mo direita, conforme explicado no texto abaixo e pela figura::

Fig. 2.05

Tendo uma corrente eltrica passando por um fio(corrente eltrica: positivo para o negativo), aoenvolver a mo direita, de modo a abra-lo com o polegar.

Apontando o sentido da corrente, os demais dedos indicam sentido do campo magntico, que so as linhas concntricasem torno deste fio.Em um determinado ponto do espao, a direo do campomagntico tangente a estas linhas concntricas, e o sentido o mesmo do indicado pelos dedos.

2.5 - Fora MagnticaA direo da fora magntica perpendicular direo da velocidade com que a carga inserida no campo magntico e, tambm, ao prprio campo magntico.Para conseguirmos identificar melhor as foras e o sentido podemos usar a regra da mo esquerda, conforme explicado no texto abaixo e pela figura:

Fig. 2.06

O dedo polegar representa sentido da fora magntica ( INCLUDEPICTURE "http://n.i.uol.com.br/licaodecasa/ensmedio/fisica/fm.gif" \* MERGEFORMATINET

), o dedo indicadordeve representar o sentido para o campo magntico (),formandoum ngulo de 90 com o polegar, e,por sua vez,o dedomdio representa o sentido davelocidade(), formando um ngulo de 90 com o dedopolegar e com o indicador, ou seja, as trs grandezasvetoriais so perpendiculares entre elas.

2.6 - Lei de FaradayUma corrente eltrica criada no circuito enquanto ocorrer um movimento relativo entre as linhas de fluxo magnticas e o condutor.

A corrente eltrica pode ser criada com o fluxo magntico variando no campo:

Sabe-se que fluxo magntico :

Portanto variando qualquer uma das componentes da equao do fluxo aplicada na lei da Faraday temos a f.e.m.:

B - Campo magntico unidades em Tesla [T]

A - rea do material que sofre variao do fluxo metros [m]

- o ngulo formado entre o vetor e vetor rea .

Fig. 2.07

2.7 - Lei de Lenz

J citada a teoria da induo de uma f.e.m. por conta da variao do fluxo magntico no tempo a qual nos traz a equao de Faraday.

Para compreendermos totalmente a equao de Faraday, devemos pensar sobre o sinal negativo, o qual atribumos a Lei de Lenz tal explicao.

a f.e.m. gerada sempre oposta ao movimento do fluxo magntico a) Com o aumento do fluxo magntico, gera-se uma f.e.m. criando oposio magntica ligada a tal aumento.

b) Com a diminuio do fluxo magntico, gera-se uma f.e.m., criando oposio magntica a tal diminuio.

Fig. 2.08

Com o aparecimento deste campo magntico possvel equacionar a f.e.m. induzida e tambm a fora magntica neste condutor.

Fig. 2.09

2.8 - Foucault

Corrente de Foucault ou corrente parasita o nome dado corrente induzida em um material condutor, quando o material sofre ao de um fluxo magnetico que varia no tempo.

Em alguns casos a corrente de Foucault pode produzir resultados indesejveis, como a dissipao por efeito Joule o que faz com que a temperatura do material aumente.

Nos condutores h uma manifestao particular da corrente de Foucault, na qual a corrente eltrica tende a fluir na periferia de um condutor longo e retilneo.

Quando uma folha condutora entra em um campo, uma variao de fluxo ocorre que provoca uma fora eletromotriz induzida na folha 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 variao que as provoca, formando polos magneticos que geram foras que efetivamente se ope ao movimento do metal dentro do campo magntico.

Fig. 2.10

Fig. 2.11Captulo 3 - Mtodos e Materiais3.1 - Alternador O alternador um componente acionado por correia, ligado ao motor dos automveis, utilizado para recarregar a carga da bateria gasta na partida e gerar energia aos componentes eltricos quando o automovel est em funcionamento.

Com a evoluo dos veculos automotivos houve o aumento de componentes eltricos que aumentam a demanda de energia consumida.

Composto por uma ponte retificadora, a base de diodos semicondutores de silcio que permite a retificao da corrente alternada, de forma que o alternador fornea corrente contnua, sendo assim podemos denominar o alternador como: gerador de corrente contnua.

Regulador de tenso: sistema que controla a corrente de excitao do campo do alternador de forma a manter a tenso dentro dos limites especificados.

seu funcionamento baseia-se no princpio de induo eletromagntica para gerar energia eltrica, que a partir de um condutor (um fio ou espira) atravessado pelas linhas de um campo magntico, e uma voltagem induzida neste condutor. Isto independe do movimento entre o campo magntico e o condutor.

Imagine um condutor imvel com um campo magntico em rotao. Se as extremidades do conector esto conectadas a um voltmetro, ser possvel verificar que a voltagem tomar uma forma alternada, devida variao da posio da espira em relao aos plos.

Se a rotao desta espira constante, a curva de tenso por posio (ngulo de rotao) da espira ser senoidal.

O termo eletromagnetismo tambm inclui o fenmeno fsico de que condutores submetidos a uma corrente eltrica so rodeados por um campo magntico. No caso de uma bobina, a fora do campo magntico gerado depende do nmero de espiras e da magnitude da corrente que flui atravs dela (na prtica, utiliza-se uma bobina com grande nmero de espiras, que tambm conhecida como armadura). Este campo magntico pode ser ampliado com o uso de ncleos de ferros magnetizveis.

O uso destes princpios no alternador leva ao fato de que se pode aumentar ou reduzir a intensidade do campo magntico e, desta forma, aumentar ou reduzir a voltagem induzida.

No alternador h trs bobinas idnticas (u, v, w), dispostas a 120 uma da outra. De acordo com o princpio da induo, medida que o rotor gira so geradas trs correntes alternadas de mesma freqncia e magnitude, porm defasadas em 120. Estas trs correntes so chamadas de corrente alternada trifsica.

Normalmente, um alternador precisaria de seis fios para conduzir a corrente induzida nas trs bobinas. No entanto, possvel reduzirmos o nmero de conexes para trs, ligando as bobinas entre si. H duas formas possveis de se fazer esta ligao: em tringulo ou em estrela.Nos alternadores dos automveis, foi provado que mais vantajoso alojar este arranjo de bobinas na parte estacionria do equipamento, tambm chamada de estator.

Os plos do magneto, que atravessado pela corrente de excitao, ficam na parte mvel do equipamento ou rotor`. Esta corrente de excitao uma corrente contnua, pulsante, que gera um campo magntico na armadura do rotor, que por sua vez, induz uma corrente alternada trifsica no estator.

Fig. 3.013.2 Montagem e Materiais

Para montagem do nosso experimento utilizamos um alternador de automveis como pea principal. Com o alternador desmontado utilizamos suas principais peas: Rotor e estator bobinados, conjunto de escovas e os dois rolamentos, foram desnecessrios a utilizao da ponte retificadora e do regulador de voltagem.

Em conjunto com algumas peas do alternador foram utilizados 3 leds de alto brilho, uma lmpada incandescente de corrente continua 12 V e bocal E-27, 1 boto de pulso com contatos NA e NF.

Foram utilizadas duas polias, colocando uma no rotor e outra em um motor eltrico 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. 3.05Captulo 4 - Resultados

4.1 - Funcionamento

Nosso sistema de freio tem alimentao 12 V, o mesmo que alimenta o motor eltrico que se acopla a polia do rotor por uma correia. Com o motor em funcionamento ao ligar o sistema bateria, a lmpada se acende, demonstrando que o sistema est em funcionamento.

A lmpada recebe alimentao do boto de pulso, sendo ligada em um dos contatos NF, para que a mesma se acenda sem que fosse necessrio comutar o boto ou seja alimentado-se o motor a lmpada tambm recebe alimentao.

A bobina do rotor que ir gerar o campo recebe alimentao das escovas que sero alimentadas pelo boto de pulso. A escova est ligada no contato NA, sendo que quando acionado ir alimentar a bobina do rotor e apagar a lmpada, a tenso que acendia a lmpada agora ser responsvel por gerar o campo no rotor.

O campo gerado no rotor, ter seu fluxo variado sobre a bobina do estator (a bobina do estator representa o disco nos freios e experimentos comuns). Com a variao do fluxo sobre o estator a tenso induzida comea a ser gerada e temos nesse momento o acendimento dos leds que esto ligados um a cada bobina do estator para demonstrar a corrente e tenso induzida geradas do fluxo variado sobre a bobina do estator.

Com a corrente percorrendo as bobinas do estator e gerado um novo campo magntico que criado a partir da corrente induzida, nesse momento realizado a frenagem do sistema por conta da fora magntica do rotor e do estator que agem uma contra a outra resultando na frenagem do sistema.

Fig. 4.01

Captulo 5 - Concluso5.1 - Concluso Final

Aps todos os teste e experincias ficaram comprovados os conceitos fsicos citados no trabalho.

Pudemos compreender melhor os conceitos da gerao da corrente eltrica atravs da variao do campo magntico ou fluxo magntico. A formao de campo magntico atravs da passagem de corrente eltrica, j que o eletromagnetismo uma rea to complexa e com poucos estudos em livros didticos. A parte das foras parasitas e tenso induzida, tambm pela difcil compreenso j que nada visual, no se consegue ver a corrente eltrica nem o fluxo magntico, preciso ento entender e compreender as transformaes sem poder velas.

Foi comprovado tambm que com o aumento da variao do fluxo aumenta-se a tenso 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 tenso induzida onde os leds comprovavam a existncia de corrente eltrica.

Fig. 5.01

Fig. 5.02Captulo 6 - Referncia Bibliogrfica6.1 - Sites de pesquisashttp:/ pt.wikipedia.org/wiki/Fluxo_magn%C3%A9ticohttp://educacao.uol.com.br/fisica/eletromagnetismo-1-imas-e-inducao-eletromagnetica.jhtm/http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/12613/05teoria_frame.htm/http://elektron.no.sapo.pt/oqueebobina1.htmhttp://sistemasautomotivos.blogspot.com.br/2009/01/bobina.htmlhttp://ciencia.hsw.uol.com.br/eletroimas4.htmhttp://www.zazzle.com.br/ohm+adesivos

http://mecanicaedicas.blogspot.com.br/2010/05/funcionamento-do-alternador.htmlhttp://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/eletromagnetismo-1-imas-e-http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Corrente_de_Foucault&oldid=32624392inducao-eletromagnetica.htmhttp://www.brasilescola.com/fisica/aplicacoes-forca-magnetica-um-condutor.htmCaptulo 7 - Anexo7.1 - ANEXO 1 - Aplicaes da fora magntica

Fig. 7.01Serras eltricas utilizam motores eltricos para seu funcionamento

Quando uma carga eltrica penetra em um campo magntico uniforme, verifica-se que essa carga fica sujeita a uma fora magntica, tambm chamada de fora de Lorentz. A origem dessa fora pode ser explicada sabendo que uma carga eltrica em movimento gera campo magntico e este interage com o campo magntico da regio onde a carga se move. A mesma fora surge tambm quando um fio condutor de eletricidade, percorrido por uma corrente eltrica, colocado em um campo magntico uniforme.

A fora magntica que age sobre o fio condutor, percorrido por uma corrente eltrica, quando imerso em uma regio onde h um campo magntico, usada em uma grande quantidade de aparelhos como, por exemplo, motores, ampermetros, voltmetros e galvanmetros.

A fora magntica usada nos motores eltricos

A maioria dos motores eltricos que encontramos em diversos aparelhos eltricos funciona tendo por base o efeito de rotao das foras que agem sobre as espiras que so imersas em um campo magntico. Vejamos a figura abaixo onde temos um esquema geral de um motor de corrente contnua. Os motores que apresentam essa configurao so os motores de arranque dos carros ou os motores de carrinhos de brinquedo.

Fig. 7.02

Basicamente, o princpio de funcionamento desses motores consiste em um condutor em forma de um retngulo, que pode girar em torno de um eixo e que percorrido por uma corrente eltrica de intensidade i e imerso em um campo magntico B. As foras magnticas que atuam nos dois ramos do motor criam um binrio de foras que tendem a fazer com que o condutor retangular gire em torno do eixo de rotao e.

A fora magntica aplicada nos galvanmetros Para que entendamos o que e como funciona um galvanmetro, vejamos a ilustrao abaixo.

Fig. 7.03

Na figura acima podemos ver que h, imersa em um campo magntico uniforme de induo B, uma espira em forma de retngulo CDEG. Suponhamos que uma corrente eltrica i percorra a espira retangular com o sentido indicado. Podemos ver que aps iniciar o fluxo da corrente eltrica os lados EG e DC, da espira retangular, ficaro sujeitos ao de foras magnticas cujos mdulos so iguais e que provocaro torques na prpria espira. Esse torque far com que a espira comece a girar em torno do eixo OP, no sentido indicado.

A fim de aumentar o efeito de rotao da espira, isto , aumentar a sensibilidade do aparelho, so usadas diversas espiras, comumente enroladas em um cilindro.

Por Domiciano MarquesGraduado em Fsica

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