ANEL VOADOR

FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA
Projeto de Pesquisa da Primeira Série
Série: Primeira
Curso: Eletrotécnica
Turma: 2112
Sala: 234
Início: 02 de junho de 2009
Entrega: 17 de julho de 2009
Aluno: Aline Bernardes da Costa (01) Aluno: Gabriela Garcia (13)
Aluno: Kristoffer Monteiro (20)
Aluno: Wylliam T. G. Schwarz (32)
Orientador: Prof. Joni Matzenbacher
ANEL VOADOR
1
INTRODUÇÃO
Neste trabalho, o nosso objetivo é reconstituir um dos projetos escolhidos pelo grupo
em um passeio organizado pelo professor da matéria de Projetos, Luiz André Mützenberg, da
Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha, ao Museu de Ciências
Tecnológicas da PUC.
Nosso trabalho consiste na escolha de um dos três projetos que o grupo preparou, para
aprofundarmos nossas pesquisas e conseguir concluí-lo com eficiência. A experiência
escolhida foi um Anel Voador, onde, dele, nós arquitetamos uma pesquisa mais clara, e
detalhada, que virá a seguir.
1.1
Tema
O tema escolhido para este projeto é o campo magnético, corrente elétrica. Esta
experiência foi escolhida por que aborda algumas leis interessantes de sistemas de indução,
repulsão. Para realização deste experimento devemos organizar este trabalho para no final
conseguirmos pô-lo em prática. Para a construção do projeto, iremos pesquisar mais
detalhadamente sobre como obter os equipamentos; com custos mais baixos, facilitando assim
a realização do mesmo pelo nosso grupo.
1.2
Justificativa(s)
Devido à dificuldade dos alunos a aprenderem algumas leis da eletricidade e da falta
de interesse por algumas áreas importantes do ensino como a do magnetismo, o Anel de
Thompson proporciona um incentivo ao aprendizado, sendo uma pratica de laboratório
simples, onde ocorre a levitação magnética do anel.
Por exemplo, alguns autores apresentam explicações como às seguintes: “a polaridade
do campo magnético gerado pela argola é idêntica à polaridade do campo gerado na bobina do
primário, resultando então uma força de repulsão entre ambos” (Araújo e Müller, 2002;
p.118) ou “o campo magnético dessa corrente induzida (corrente induzida na argola) se opõe
ao campo magnético da bobina” (Walker, 1990; p. 470). Ou seja, o que precisa ser explicado
é como ocorre a repulsão ou atração da bobina secundária.
1.3
Delineamento
Nossa experiência consiste em aprofundar em pesquisas nas leis que geram o
movimento do anel de Thompson, para se possível achar respostas de como se gera o
movimento da bobina secundária, através de que o campo elétrico faz a indução para que haja
corrente elétrica no anel que o faz saltar, se as forças de atração e repulsão são geradas por
causa da corrente elétrica através do magnetismo.
Nesta pesquisa também, procuramos saber em que momento as forças magnéticas
estão sendo atraído ou repulsivo, procurar detalhadamente sobre as formulas usadas para
calcular as mesmas, procurar saber os custos dos equipamentos, para mais tarde podermos
colocá-lo em pratica.
Logo após os resultados, pretendemos nos informar sobre outros meios de
equipamentos como materiais recicláveis, procurando montá-lo de uma forma diferente e com
baixo custo.
1.4
Problema
Porque a corrente induzida provoca o movimento da bobina secundária (Anel de
Thompson)?
1.5
Hipótese(s)
1.6
No estudo da Física, afirmado pela Lei de Newton diz-se que, para toda a ação existe
uma reação. Assim como na Física, na Eletricidade não é diferente. Como confirma na Lei de
Lenz, ao acionarmos a chave, a tensão gera um campo elétrico em volta da bobina que acaba
por criar uma corrente elétrica induzida com força de atração ou repulsão em volta do Anel de
Thompson, fazendo com que o mesmo, tenha este movimento. Esta Lei diz que, ao ligar a
fonte de tensão, irá gera um campo em volta do anel, o mesmo, com a ação concebida, irá ter
uma reação, movimentando-se então, para cima.
Uma bobina e uma espira próximas uma da outra podem interagir atrativa ou
repulsivamente quando percorridas por correntes elétricas. Desta forma, uma explicação
satisfatória para a levitação, deverá reconhecer a possibilidade da existência desses dois
efeitos.
1.7
Objetivo(s)
Construir um transformador de núcleo aberto, com uma bobina primaria de 250 a 300
espiras de fios grossos que movimentarão uma única bobina secundária, aplicando a Lei de
Lenz.
1.7.1
Critérios do projeto
- A argola é posicionada ao redor de um longo núcleo de ferro-doce, instalado em uma
bobina que é alimentada com tensão alternada.
- Essa demonstração é conhecida como “anel saltante” ou “anel de Thompson”, em
homenagem ao físico norte-americano Elihu Thompson, que a inventou no século XIX.
- A bobina primária é constituída por 250 a 300 espiras, alimentada em 127 V e 60 Hz.
- A bobina secundária consiste em uma argola de alumínio que levita em função de
correntes elétricas induzidas nessa argola.
- O núcleo é de ferro, e foi montado empilhando três núcleos convencionais.
2
CONTEXTUALIZAÇÃO DA PESQUISA
2.1
Contextualização teórica
Uma fascinante demonstração sobre eletromagnetismo é “o anel voador” feito de uma
argola de alumínio. A argola é posicionada ao redor de um longo núcleo de ferro-doce,
instalado em uma bobina que é alimentada por tensão alternada. Essa demonstração é
conhecida como “anel de Thompson”, em homenagem ao físico norte-americano Elihu
Thompson, que a inventou no século XIX.
Quando a bobina está conectada à rede elétrica, a corrente induzida na bobina
secundária é muito intensa e gera um forte campo magnético em seu interior. A lei de Lenz
aplicada ao sentido dessa corrente justifica a concordância das polaridades desses dois
campos (o indutor e o induzido) e a conseqüente força de repulsão que surge no anel, fazendoo saltar. Obviamente no sistema indutor (núcleo e bobina primária) aparece a reação dessa
força de repulsão, comprimindo o sistema contra a mesa.
Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804 – 1865) foi um Físico Russo que formulou a lei
de Lenz, em 1833. Esta lei especifica a direção da f.e.m (força eletromagnética) induzida
devido a um campo magnético variante. A Lei de Lenz estabelece que a corrente induzida
numa bobina condutora circular fechada, devido a uma variação do Campo Magnético através
dessa bobina circular fechada, tem um sentido tal que o Campo gerado pela Corrente Induzida
tende a contrabalançar a variação do campo magnético que induz a corrente.
A Lei de Lenz pode ser ilustrada com uma bobina ligada a uma fonte de alimentação e um
anel colocado no topo, Figura 1.
Figura 1 Demonstração do anel voador com uma argola (1a) e com duas (1b).
Quando a fonte é ligada instantaneamente, uma forte corrente elétrica passageira flui
através da bobina, que se encontra por baixo do anel. Esta corrente passageira, na bobina, gera
um campo magnético com sentido para cima, cuja grandeza aumenta rapidamente, e que é
perpendicular ao plano do anel voador. Na base, uma forte corrente elétrica induzida começa
a circular no anel. Esta oposição cria uma repulsão (como dois pólos iguais colocados frente a
frente) e o anel salta para cima.
3
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Para conseguirmos realizar esta pesquisa, foi preciso estudar detalhadamente cada
assunto que envolvia nosso trabalho (anel de Thompson). Alguns dos recursos usados para a
prática do projeto serão:
3.1
Lei de Faraday
Faraday, baseando-se nos trabalhos de Oersted (1777-1851) e Ampère, em meados de
1831, começou a investigar o efeito inverso do fenômeno por eles estudado, onde campos
magnéticos produziam correntes elétricas em circuitos. Faraday descobriu que um campo
magnético estacionário próximo a uma bobina, também estacionária e ligada a um
galvanômetro, não acusa a passagem de corrente elétrica. Observou, porém, que uma corrente
elétrica temporária era registrada no galvanômetro quando o campo magnético sofria uma
variação. Este efeito de produção de uma corrente em um circuito, causado pela presença de
um campo magnético, é chamado de indução eletromagnética e a corrente elétrica que aparece
é denominada de corrente induzida.
3.2
Lei de Lenz
Energia cinética é a energia de movimento. A Lei de Lenz consiste na lei proposta
pelo russo Heinrich Lenz, que diz que, a corrente induzida tem sentido oposto ao sentido da
variação do fluxo magnético que a produziu. Sua lei é expressa assim:
Quando o fluxo indutor está aumentando, o fluxo induzido tem sentido oposto; quando
o fluxo indutor está diminuindo, o fluxo induzido tem o mesmo sentido que o fluxo indutor.
3.3
Indução eletromagnética
Indução eletromagnética consiste na transformação de energia mecânica em energia
elétrica. Esta energia foi criada para a geração de energia elétrica, que alimentaria as grandes
indústrias. O transformador é um exemplo de aparelho que produz indução eletromagnética.
3.4
Transformadores
Um transformador é um dispositivo destinado a transmitir energia elétrica ou potência
elétrica de um circuito à outro, transformando tensões, correntes e ou modificando um
circuito elétrico. Trata-se de um dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos
princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz.
O transformador consiste de duas ou mais bobinas e um circuito magnético, que
"acopla" essas bobinas. Há uma variedade de transformadores com diferentes tipos de
circuito, mas todos operam sobre o mesmo princípio de indução eletromagnética.
4
METODOLOGIA
Para saber por que a corrente induzida provoca o movimento da bobina secundária
será preciso uma pesquisa detalhada sobre corrente induzida e quais seus efeitos.
4.1
Proposta de solução
Para construir este projeto, serão necessários materiais como Um anel de alumínio,
uma bobina secundária de 250 a 300 espiras, um núcleo de ferro, um pedaço de ferro doce,
uma chave gangorra e alguns pedaços de fios com pinos banana. No processo de montagem, a
bobina deve ser fixada em um tripé, ou em uma mesa. Dentro desta é colocado o núcleo de
ferro e o ferro doce. São conectados à bobina, fios longos com pinos banana, e a estes pinos
uma chave gangorra, ou um botão de liga/desliga para poder acionar quando necessário. Para
fazer o anel de alumínio “voar”, é necessário colocar o ferro doce dentro do anel e acionar o
botão. Na prática é fácil, mais existe uma explicação detalhada de como acontece. Segundo a
lei de Lenz, o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que a deu
origem. Havendo diminuição do fluxo magnético, a corrente criada gerará um campo
magnético de mesmo sentido do fluxo magnético da fonte. Havendo aumento, a corrente
criada gerará um campo magnético oposto ao sentido do fluxo magnético da fonte.
Figura 2: exemplo do Anel de Thompson na prática.
4.2
Orçamento
Para a construção do projeto, serão usados muitos materiais doados, mas alguns terão
de ser comprados pelo grupo.
Tabela 1.Orçamento dos materiais necessários para a experiência.
Orçamentos
Material
Melhor
Custo
Tornearia
Mercado
Eletrobiz
Preço
Femax
Livre
Doação
Anel de Alumínio
R$ 128,00/
Bobina Secundária
R$ 76,00
R$ 76,00 R$ 76,00
de 250/300 espiras
Doação
Doação
Ferro Doce
Chave Gangorra
4.3
R$ 173,00
-
-
Total
R$ 76,00
Cronograma
Tabela 2.Previsão de prazos para execução das atividades do projeto.
Tabela 3.Cronograma para execução do projeto
Abr.
Jun.
Jul.
Ago.
Set.
Dez.
16 a 31
01 a 15
x
16 a 30
x
Nov.
01 a 15
x
16 a 31
16 a 30
x
Out.
01 a 15
01 a 15
16 a 31
01 a 15
16 a 31
01 a 15
16 a 30
01 a 15
16 a 31
01 a 15
16 a 30
01 a 15
Atividades
Escolha do projeto
Pesquisa detalhada do
Mai.
x
x x x X x
Projeto
Compra dos materiais
necessários
Montagem
do projeto
x
x x
REFERÊNCIAS
ARAÚJO, M. S. T. e MÜLLER, P. “Levitação magnética”: uma aplicação do
eletromagnetismo. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis, v.19, n.1: p.
115-120, 2002.
FORD, P. J. e SULLIVAN, R. A. L. The jumping ring experiment revisited. Physics
Education, UK, v.26, p. 380-382, 1991.
HALL, J. Forces on the jumping ring. The Physics Teacher, vol.35, p. 80-83, 1997.
LALANDE, A. Vocabulário técnico e crítico da filosofia. São Paulo: Martins Fontes, 1993.
NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física Básica 3  Eletromagnetismo. São Paulo: Edgar
Blücher, 1997.
QUINTON, A R. The ac repulsion demonstration of Elihu Thomson. The Physics Teacher,
v.17, p. 40-42, 1972.
SUMNER, D. J. E THAKKAR, A. K. Experiments with a ‘jumping ring’ apparatus.
Physics Education, UK, v.7, n. 4, p. 238-242, 1972.
WALKER, J. O grande circo da Física. Lisboa: Gradiva, 1990.