Apostila _levitadorolho_roda_de_hamilton__forno_de_inducao

Levitador magnético

Objetivo: Mostrar como é possível levitar objetos ferromagnéticos usando o magne-tismo, mesmo que sua força seja somente atrativa nestes materiais.

Materiais: 2 barras de alumínio com 30cm de comprimento;

1 JCR4558 (4558 ou equivalente);1 IRF540N;1 par fotodiodo/fototransistor;2 resistores 1/4W 22k (vermelho, vermelho, laranja);1 resistor 180 R 1W (preto, branco, marrom);1 resistor 1/4W 5k6 (verde, azul, laranja);1 resistor 4k7 1/4W (violeta, amarelo, vermelho);1 diodo BA159 (ou equivalente);1 Capacitor eletrolítico 4u7 50V;1 Capacitor eletrolítico 1000u 16V;Adaptador 12V 3A para notebooks;1 relé de automóvel (qualquer);Adesivo de contato instantâneo;Aparelho de solda e estanho.

Procedimento Experimental:

1. Separe os componentes e ligue o aparelho de solda;2. Desmonte o relé de automóvel, e retire a bobina contida no seu interior;

Fotografia de um relé de automóvel. A bobina de fio de cobre esmaltado é de fácil visualização.

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3. Aloque os componentes em um protoboard, ou solde-os em uma placa de fenolite segundo o esquema abaixo:

4. Acondicione o circuito em uma caixa qualquer ;

Circuito inserido em pote metálico. Os compo-nentes eletrônicos estão estanhados à placa de fenolite. Os cabos necessá-rios também estão devi-damente fixados.

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5. Prenda as barras de alumínio em um paralelogramo com 10cm de largura por 30 cm de comprimento. Encaixe a bobina na parte superior, e prenda o fotodiodo e o fototransistor 1cm abaixo da bobina, conforme ilustra a figura abaixo:

6. Confira as ligações e o circuito. Ligue a fonte e ponha um prego nas proximidades da bobina. Observe o prego levitar.

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Dicas:

Se o prego não levitar: Ajuste a distância do fotodiodo até que consiga a posição correta.Para melhorar: A estabilidade do levitador, coloque o sensor em um tubo de caneta

para focar os raios infravermelhos do LED.

O que observar?

O prego irá flutuar nas proximidades da bobina. Usando um eletroímã caseiro com pregos, é possível mostrar que este sempre atrai os objetos metálicos, então, como é possível que o prego flutue nessas condições?

Questões para discussão:

1. Por que o prego flutua? 2. Se colocássemos um prego de alumínio próximo da bobina, ele flutuaria

também? Explique.3. Tente desenhar um esquema que explique como o circuito contido na caixa

atua sobre a bobina.

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Conteúdo

O levitador magnético (ou posicionador eletromagnético ativo) atua sobre materiais

ferromagnéticos em consequência de campos eletromagnéticos. As intensidades dos campos

podem ser controladas por meio de um circuito eletrônico que reage a informação da posição

relativa do corpo a ser posicionado. Assim o sistema é reorganizado, apresentando forças

capazes de reposicionar e manter o corpo em sua devida posição.

O princípio de levitação magnética ativa é utilizado em sistemas de suspensão

magnética [1]. Nesses sistemas há um sensor que coleta dados da posição de um objeto de

referência, essa informação é analisada por um controlador eletrônico, o qual gera o sinal de

correção. O sinal originado pelo controlador é amplificado e segue à bobina, assim a

intensidade do campo eletromagnético pode ser regulada.

Para o experimento aqui proposto, um eletroímã é responsável pela levitação do

corpo e um sensor de posição é utilizado para a verificação da distância desse corpo até o

eletroímã. A informação coletada pelo sensor serve como parâmetro de entrada para o

circuito controlador, o qual emite o sinal necessário ao reposicionamento do objeto flutuante.

Quando o prego – corpo sugerido nesse projeto – impede que a luz infravermelha emitida

pelo LED atinja o sensor , o circuito controlador desliga a bobina, como consequência o

prego cai sob ação da gravidade. Em contrapartida, quando o sensor é iluminado, o eletroímã

é acionado e novamente o prego é atraído em direção à bobina, contra a ação da gravidade. A

velocidade de resposta do circuito faz com que, aparentemente, o prego esteja levitando.

A ideia do funcionamento do circuito pode ser explorada da seguinte forma:

Coloque uma agulha paralela a bobina, de forma que toque a mesma e deixe o sensor

exposto ao LED. A agulha será atraída até a bobina e ficará unida a esta até que se cubra o

sensor - com os dedos, por exemplo. Então a agulha cairá.

Referências:

[1] http://stanleyprojects.com/projects/electronics/levitator/levitator.html Acessado em 22 de outubro de 2014

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http://stanleyprojects.com/projects/electronics/levitator/levitator.html

O olho que tudo inverte

Objetivo: Relacionar o experimento “O olho que tudo inverte” com o funcionamento do globo ocular e os defeitos de visão.

Materiais: Bola de isopor (oca) com 15,00 cm de diâmetro;

Lente de uma lupa de aproximadamente 4,00 cm de diâmetro; Copo plástico (do tipo chá matte, de fundo branco/ preto); Papel vegetal; Cola quente e cola branca; Estilete e tesoura; Canetas coloridas (preto, vermelho, azul, verde, marrom);Lápis;Compasso;Tampa de garrafa PET; Lixa .


1. Com o auxílio de uma tampa de garrafa PET, desenhar um círculo de 3,00 cm numa metade da bola de isopor. Na outra metade da bola, utilize o compasso para auxiliar no desenho de outro círculo com 6,50 cm. Esse tamanho pode variar de acordo com o copo que será encaixado no isopor;

2. Com os dois círculos desenhados, utilize o estilete para cortar o isopor. Em seguida, lixe os dois orifícios;

3. Com a tesoura corte o fundo do copo plástico.;4. Utilizando a cola branca, cole o papel vegetal na parte com a abertura maior

do copo de plástico, no mesmo formato. Espere secar.;

Fotografia de um “olho que tudo inverte”. A cor para a íris foi escolhida arbitrariamente e não apresenta relação com o funcionamento do experimento.

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5. Retire a lente da lupa. No orifício menor, cole a lente com a cola quente;6. Encaixe o copo plástico no orifício maior de modo que a abertura maior do

copo fique para o lado de fora. Ajuste o copo até que se se obtenha uma imagem nítida;

7. Personalize o olho com as canetas coloridas.

Dicas:

Outros materiais: O copo plástico pode ser substituído por um rolo de costura ou qualquer outro material em formato cônico e que se encaixe no orifício do isopor.

Experimento pronto: Tente ajustar o copo em posições diferentes, de forma a possibilitar a observação dos problemas de visão (miopia e hipermetropia). Caso seja necessário, aumente o tamanho do diâmetro da bola de isopor.

O ideal: É que esse experimento seja aplicado durante o dia, de preferência em uma área externa.

O que observar?

A partir das observações e concepções sobre o aparato experimental, será possível realizar uma simulação para o funcionamento do olho humano, relacionando a lente convergente do experimento com a lente convergente do globo ocular, o cristalino. Também, será possível relacionar a formação de imagem do movimento do copo no experimento com os principais problemas de visão (miopia, hipermetropia, astigmatismo, presbiopia).


1. O que você observou ao mexer o copo?2. Porque a imagem está invertida? 3. Qual a relação do experimento com o olho humano? 4. Como podemos associar esse conceito com os defeitos da visão?

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Conteúdo

Por que vemos a imagem invertida? Qual a relação com o olho humano?

A lente de nosso olho, chamada de cristalino, é convergente. As imagens que essa

lente forma sobre a retina são invertidas em relação aos objetos vistos. O cérebro se

encarrega de fazer a interpretação normal dessa imagem e não percebemos a inversão.

Ilustrações representando o olho humano com suas estruturas interna (esquerda) e externa (direita). As regiões principais estão nomeadas.

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Portanto, se uma imagem não invertida se formar sobre a retina, o cérebro vai

interpretá-la como invertida. É o que acontece com o que vemos com o nosso experimento

“olho que tudo inverte”. A luz incide na córnea e converge até a retina, formando as

imagens. Para esta formação de imagem, acontecem vários fenômenos fisiológicos, no

entanto, para o estudo da óptica podemos considerar o olho como uma lente convergente,

com distância focal variável.

Os olhos são praticamente esféricos e por isso recebem o nome de globos e estão

alojados e protegidos dentro das cavidades orbitais da face. A estrutura do globo ocular é

constituída de diversos elementos, mas veremos os principais para o nosso estudo: Córnea: membrana transparente que está na parte da frente do olho, onde vemos o

branco do olho e a íris. Íris: círculo que determina a cor de cada olho.

Pupila: abertura central da íris, por onde a luz entra, e seu diâmetro varia conforme a intensidade da luz que recebe.

Cristalino: estrutura com formato de uma lente convergente, que focaliza toda a luz que entra no olho, formando as imagens na retina.

Retina: Retina: Local onde a imagem é formada, composta por células sensíveis, que transformam a energia luminosa em sinais nervosos, os quais são enviados ao cérebro através do nervo óptico.

Como podemos associar esse conceito com os defeitos da visão?

A diferença entre esses três problemas que atrapalham a visão está no lugar do olho

em que os raios de luz convergem para formar a imagem: "Em uma pessoa normal, os raios

de luz passam pela córnea, que é a primeira lente do nosso olho, e quando chegam à outra

lente, a retina, eles convergem - ou seja, se juntam em um mesmo ponto para formar a

imagem"[6].

Os principais problemas visuais relacionados com a formação da imagem são:Miopia: Dificuldade de enxergar de longe. O olho do míope é longo e a imagem se

forma antes da retina. Solução: Usar lentes côncavas negativas, que fazem os raios convergirem mais para trás, sobre a retina.

Hiper-metropia:

Dificuldade de enxergar de perto. O olho é pequeno e a imagem se forma depois da retina. Solução: Usar convexas positivas, que fazem os raios convergirem à frente.

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Astigma-tismo:

Um defeito na córnea – raios de curvatura irregulares - ocasiona uma visão embaçada/manchada dos objetos. Solução: Usar lentes cilíndricas, essas fazem os raios convergirem no mesmo ponto.

Presbiopia: Endurecimento da lente do olho, e consequentea perda da capacidade de acomodação visual. É popularmente conhecida como “vista cansada”. Solução: Uso de lentes convergentes, como na hipermetropia.

Calculando o Grau dos óculos

Popularmente, chama-se de "grau" o poder de óculos e lentes de mudar o ponto de

convergência dos raios de luz. Para os míopes, a conta é simples: grau = 1 / d, onde "d" é a

distância em metros até onde a pessoa tem visão nítida. Alguém que só enxerga bem até 0,5

metro, por exemplo, precisa usar óculos de dois graus (1 / 0,5 = 2). Para a hipermetropia e o

astigmatismo, o grau depende da capacidade do olho de se ajustar ao problema ou do plano

que se enxerga com mais nitidez.[6]

Ilustração representando os principais problemas visuais: miopia, astigmatismo e hipermetropia.

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Referências:

[1] http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php?midia=pmd&cod=_pmd2005_i3201 Acessado em 11/07/2013.

[2] http://www.searadaciencia.ufc.br/sugestoes/fisica/oti3.htm Acessado em 11/07/2013.

[3] http://www.sofisica.com.br/conteudos/Otica/Instrumentosoticos/olhohumano.php Acessado em 11/07/2013.

[4] http://www.ensinodefisica.net/2_Atividades/flu-ilusao_de_optica.pdf Acessado em 11/07/2013.

[5] http://mundoestranho.abril.com.br/materia/qual-e-a-diferenca-entre-miopia-hipermetropia-e- astigmatismo Acessado em 11/07/2013.

[6] FUKE, Luiz Felipe. YAMAMOTO, Kazuhito. Física para o Ensino Médio, volume 2 – 1 ed. – São Paulo: Saraiva 2010.

[7] http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/corpo-humano-olho-humano Acessado em 11/07/2013.

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http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php?midia=pmd&cod=_pmd2005

Roda de Hamilton

Objetivo: Demonstrar o efeito de Biefel-Brow

Materiais: 1 monitor de computador do tipo TRC em desuso;

1 bandeja de isopor;adesivo de contato instantâneo;aparelho de solda;agulha;1 bico metálico de bombas para bolas de futebol;1 adaptador 12V 3A para notebook.


1. Abra o monitor de computador, com o auxílio de uma chave de fenda, e retire a placa principal;

2. Observando a placa do monitor, identifique os seguintes componentes:

Imagem da placa eletrônica pre- sente no interior do monitor

Resistores de 22 Ohms e 220 Ohms. Eles se encontram espalhados pela placa.

Flyback: Geralmente se en-contra no canto es-querdo da placa. Existe um único componente com este aspecto.

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3. Ligue o aparelho de solda e retire os componentes citados acima da placa, com cuidado;

4. Descasque as pontas de dois fios longos. Faça dois enrolamentos sobre o ferrite (peça que atravessa o núcleo do flyback. Para identificar, aproxime um ímã e este será atraído pelo ferrite) do flyback conforme a figura abaixo;

Transistor de potência. Geralmente se encontra disposto próximo ao Flyback, cada monitor possui somente uma unidade. A nume-ração pode ser diferente, mas isto é indiferente.

Fios. É possível encontrar diversos dentro do monitor. Separe os mais longos e espessos possíveis.

Enrolamentos sobre a peça de ferrite que atravessa o núcleo do flyback.

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5. Ligue os fios e os componentes conforme o esquema abaixo. Use o aparelho de solda para fixar os componentes. O fio vermelho que sai do flyback é o terminal positivo de alta tensão (60kV), o terminal negativo pode ser qualquer pino da parte inferior do flyback, escolha aquele que seja mais fácil para estanhar um fio.

6. Conecte os terminais do carregador ao circuito e a fonte de alta tensão estará pronta.

7. Construção do anel de Hamilton: desenhe e corte um disco de isopor com aproximadamente10cm de raio (o raio é arbitrário, porém tamanhos menores são mais indicados).

8. Identifique na placa do monitor, o transformador chopper:

Ilustração: fonte de alta tensão.

Tenha cuidado! A alta tensão pode causar sérios danos a saúde. Certifique-se de que o terminal de alta tensão do flyback não esteja tocando seu corpo.

Fotografia de um transformador chopper.

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9. Quebre o transformador chopper (jogue-o com força ao chão). Você deve encontrar o núcleo do transformador, que é formado por vários fios de cobre esmaltados;

10. Corte os fios de cobre e cole-os sobre o disco de isopor. Não é necessário remover o esmalte dos fios;

11. Cole um fio perpendicular ao centro do disco, na parte oposta aos fios. Este fio formará o eixo do disco. Não é necessário o contato físico com os outros fios;

12. Solde o fio de alta tensão do flyback ao bico metálico de bomba para bolas de futebol.

13. Encaixe o eixo do disco no canudo metálico do bico14. Verifique se o disco gira livremente. Reveja as conexões dos fios e se é seguro

ligar a fonte( fios de alta tensão do flyback estão longe do seu corpo). Ligue a fonte de alta tensão e observe o disco.

Dicas:

É aconselhável: Acondicionar a fonte de alta tensão em uma caixa plástica. Use cola quente para isso.

Evite: Evite deixar a fonte ligada por um período de tempo maior que 1h. A ausência de dissipador de calor do transistor de potência restringe seu uso continuado. Deixar ligada a fonte de alta tensão pode incorrer ao usuário o acidente de tocar os pinos de alta tensão no equívoco que a fonte esta desligada, causando acidentes.

Ilustração representando o aspecto da roda depois de agrupados os seus componentes.

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O que observar?

O disco começa a girar quando a fonte de alta tensão é ligada, mesmo que o conector negativo da fonte esteja afastado do mesmo. Além disto, no escuro, é possível observar que as bordas dos fios no disco se tornam luminescentes.


1. Por que o disco gira?2. O que poderia acontecer se os fios estivessem dispostos no disco de maneira

diferente? 3. Se o experimento fosse realizado no vácuo, o que aconteceria?

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Conteúdo

O experimento procura instigar os alunos do ensino médio a se perguntarem o

motivo do disco girar sem nenhum aparato eletro-mecânico convencional, tendo apenas um

fio conectado a uma fonte de alta tensão. A investigação culminará com a descoberta do

efeito de ionização causado pela eletricidade, o qual é responsável pela rotação do disco. A

ionização de moléculas de ar, (captura de elétrons no ânodo), um fluxo de cátions se origina

que colidem com cátodo, transferindo momento ao disco [1]. O princípio de funcionamento

do disco também é conhecido como motor iônico.A NASA já usa o princípio motores iônicos para posicionar satélites em órbitas ou

ainda fazer alterações em trajetórias. No entanto, as pesquisas prometem elevar a potência

desses motores a ponto deles poderem ser utilizados em astronaves maiores, que possam

explorar regiões para além do sistema solar.

Referências:

[1] Knoll, Glenn F. “Radiation Detection and measurement” – apresenta de forma clara conceitos de ionização de moléculas de gás em contadores Geiger-Müeller.

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Forno de indução

Objetivo: Abordar o conceito de indução magnética valendo-se de um aparato experimental.

Materiais: Fio de cobre rígido nº 14;

Fonte de computador 12V 10 A;2 IRF540N ou equivalente;2 IN5819;2 resistores 1/4W 220 Ohm (vermelho, vermelho, marrom);6 capacitores de poliéster 470nF 400VAparelho de solda e estanho.Fios condutores.


1. Construa a bobina de indução. Esta consiste em 4 voltas de fio rígido com espaçamento uniforme e com diâmetro de 2 cm. A bobina contém uma derivação central, conforme a figura abaixo:

2. Solde os capacitores de 470nF nos terminais extremos da bobina, formando o circuito ressonante LC conforme a figura abaixo:

Bobina de indução com os capacitores estanhados .

Fotografia de uma bobina de indução já preparada.

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3. Com o auxílio do aparelho de solda, construa o circuito abaixo. Não é necessário adicionar a bobina de filtragem ao se usar uma fonte de computador ATX para alimentar o circuito;

4. Confira as ligações e ligue o circuito a fonte de alimentação;5. Coloque um prego metálico no interior da bobina e observe;

Esquema do circuito para ser acoplado ao forno de indução.

Forno de indução em funcionamento. Ao centro da bobina há um prego sendo aquecido. Repara que há uma peça de cerâmica sendo usada como suporte para o metal aquecido.

Este circuito gera grandes quantidades de calor! Seja cuidadoso ao manuseá-lo!.

Evite ligar o circuito por longos períodos de tempo, para fins práticos, ele deve ser ligado por um período curto de no máximo 2 minutos. A ausência de dissipadores de calor do circuito ressonante impede o uso contínuo.

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O que observar?

Qualquer objeto metálico é aquecido no interior da bobina, desde que seja condutor de corrente elétrica. Folhas de papel alumínio de tamanho reduzido flutuam no interior da bobina. Se aproximarmos uma lâmpada pequena com algumas espiras de fio enroladas nos seus terminais esta acende, devido a corrente induzida. Lâmpadas fluorescentes, chaves de teste e lâmpadas de xénon acendem ao serem aproximadas da bobina. Materiais não condutores não são aquecidos pela bobina do indutor.


1. Porque objetos metálicos são aquecidos pela bobina, enquanto isolantes não são aquecidos?

2. Por que pedações papel alumínio flutuam?3. Por que as lâmpadas de gases a baixa pressão acendem?

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Conteúdo

Um produto bastante comum no oriente que já aparece com certa frequência nas

nossas lojas é a panela ou fogão de indução. Neles, a corrente que aquece a panela circula

diretamente pelo metal, produzindo um aquecimento uniforme que, segundo os orientais, é

inigualável para produzir o tradicional arroz que eles consomem. Existem diversas

tecnologias modernas para o cozimento de alimentos, como as que fazem uso de

microondas, que encontramos nos fornos que se popularizaram em nossos lares. No entanto,

uma tecnologia bastante popular no oriente e que só agora começa a aparecerem alguns lares

é a que faz uso do aquecimento indutivo, encontrada nos fogões ou panelas de indução. Quando um campo magnético produzido por uma corrente alternada atua sobre um

material ferroso, conforme mostra a figura abaixo, são induzidas correntes em domínios

fechados cuja intensidade depende da intensidade do campo.

Estas correntes de turbilhão (Eddy) encontrando a resistência do material em que

circulam produzem calor. Nos transformadores, estas correntes causariam perdas e

aquecimento, devendo ser reduzidas, daí o uso de chapas laminadas ou ainda de materiais

em pó, (ferrites) para que os domínios das correntes sejam reduzidos e assim o efeito não

tenha intensidade capaz de afetar o desempenho do dispositivo. No entanto, estas correntes

podem ser utilizadas na prática para aquecer um material ferroso, por exemplo, uma panela

de ferro. Veja que panelas de outros materiais como o cobre ou o alumínio não funcionam

neste caso. Assim, basta colocar esta panela sobre bobinas que gerem um campo alternado.

Ilustração representando as correntes induzidas no material devido a exposição ao campo magnético alternado.

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Estas correntes de turbilhão (Eddy) encontrando a resistência do material em que

circulam produzem calor. Nos transformadores, estas correntes causariam perdas e

aquecimento, devendo ser reduzidas, daí o uso de chapas laminadas ou ainda de materiais

em pó, (ferrites) para que os domínios das correntes sejam reduzidos e assim o efeito não

tenha intensidade capaz de afetar o desempenho do dispositivo. No entanto, estas correntes

podem ser utilizadas na prática para aquecer um material ferroso, por exemplo, uma panela

de ferro. Veja que panelas de outros materiais como o cobre ou o alumínio não funcionam

neste caso. Assim, basta colocar esta panela sobre bobinas que gerem um campo alternado

intenso para que as correntes induzidas aqueçam diretamente seu material, cozinhando o

alimento no seu interior, conforme mostra a figura:

Na verdade, o conceito de forno, fogão ou panela de indução é bastante antigo,

tendo sido proposto em 1900. Mas foi somente em 1970 que sua primeira utilização prática

na cozinha começou a partir da Westinghouse. O primeiro produto doméstico operava em

25kHz e utiliza transistores de potência, do tipo encontrado em sistemas de ignição de

automóveis. A partir de então foram lançados diversos produtos e ele se popularizou

principalmente pelo consumo no Japão, Tailândia e outros países em que o consumo do

arroz como alimento é elevado. As grandes vantagens deste tipo de fogão ou panela está no

uso limpo da energia, não são lançados poluentes na atmosfera como ocorre no caso do gás.

A eficiência na transferência de energia para a panela na forma de campo magnético que é

convertida em calor chega aos 90% enquanto que em outros tipos de tecnologias o máximo

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que se consegue pouco passa dos 70%, com apenas 27% no caso do gás de cozinha. Temos

ainda o fator segurança, bem maior do que no caso do gás, já que o circuito tem recursos

para desligar sozinho e não existe o perigo de vazamentos.

Referências:

[1] http://www.rmcybernetics.com/projects/DIY_Devices/diy-induction-heater.htmAcessado em 22 de outubro de 2014

[2] http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/549-como-funciona-o-fogao-oupanela-de-inducao-art035Acessado em 22 de outubro de 2014

25

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/549-como-funciona-o-fogao-oupanela-de-inducao-art035

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/549-como-funciona-o-fogao-oupanela-de-inducao-art035

http://www.rmcybernetics.com/projects/DIY_Devices/diy-induction-heater.htm

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