freio eletromagnÉtico por corrente foucault

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

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


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


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


Fig. 4.01 - Esquema Elétrico de ligação experimento pág. 22


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


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 , fluxo 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 artificiais, 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 principal 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 fios, 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 utilizado 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 isolar 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 magnéticas 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 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 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


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, utiliza-

se 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 forma, 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


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 ligada 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


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-inducao-

eletromagnetica.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-do-

alternador.html

http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/eletromagnetismo-1-imas-e-

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?

title=Corrente_de_Foucault&oldid=32624392inducao-eletromagnetica.htm

http://www.brasilescola.com/fisica/aplicacoes-forca-magnetica-um-condutor.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

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APA

(2013, 03). Freio Foucault. TrabalhosFeitos.com. Retirado 03, 2013, de

http://www.trabalhosfeitos.com/ensaios/Freio-Foucault/694394.html

freio eletromagnÉtico por corrente foucault

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