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Levitador magnético
Objetivo: Mostrar como é possível levitar objetos ferromagnéticos usando o magnetismo, 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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Levitador magnético - Procedimento Experimental
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 componentes eletrônicos estão
estanhados à placa de
fenolite. Os cabos necessários também estão devidamente fixados.
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Levitador magnético - Procedimento Experimental
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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Levitador magnético - Procedimento Experimental
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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Levitador magnético - Conteúdo
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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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 .
Procedimento Experimental:
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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O olho que tudo inverte - Procedimento Experimental
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).
Questões para discussão:
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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O olho que tudo inverte - Conteúdo
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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O olho que tudo inverte - Conteúdo
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- Dificuldade de enxergar de perto. O olho é pequeno e a imagem se forma
metropia: depois da retina.
Solução: Usar convexas positivas, que fazem os raios convergirem à frente.
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Astigma- Um defeito na córnea – raios de curvatura irregulares - ocasiona uma visão
tismo: 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.
Ilustração representando os principais problemas
visuais: miopia, astigmatismo e 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]
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O olho que tudo inverte - Referências
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-miopiahipermetropia-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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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.
Procedimento Experimental:
1. Abra o monitor de computador, com o auxílio de uma chave de fenda, e retire
a placa principal;
Imagem
da
placa eletrônica presente no interior do
monitor
2. Observando a placa do monitor, identifique os seguintes componentes:
Flyback:
Geralmente se encontra no canto esResistores de 22 Ohms e
querdo da placa.
Existe um único 220 Ohms. Eles se encontram
componente
com espalhados pela placa.
este aspecto.
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Roda de Hamilton – Procedimento Experimental
Transistor de potência. Geralmente
se encontra disposto próximo ao
Flyback, cada monitor possui
somente uma unidade. A numeração pode ser diferente, mas isto é
indiferente.
Fios. É possível encontrar diversos
dentro do monitor. Separe os mais
longos e espessos possíveis.
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;
Enrolamentos sobre
a peça de ferrite
que atravessa o
núcleo do flyback.
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Roda de Hamilton – Procedimento Experimental
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.
Ilustração: fonte
de alta tensão.
Tenha cuidado! A alta tensão pode causar sérios danos a saúde. Certifiquese de que o terminal de alta tensão do flyback não esteja tocando seu corpo.
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:
Fotografia de um transformador chopper.
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Roda de Hamilton – Procedimento Experimental
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;
Ilustração representando
o aspecto da roda depois
de agrupados os seus
componentes.
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 bico
14. 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.
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Roda de Hamilton – O que observar
Questões para discussão
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.
Questões para discussão:
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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Roda de Hamilton – Conteúdo
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 400V
Aparelho de solda e estanho.
Fios condutores.
Procedimento Experimental:
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:
Fotografia de uma bobina
de indução já preparada.
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 .
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Forno de indução – Procedimento Experimental
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;
Esquema do circuito para
ser acoplado ao forno de
indução.
4. Confira as ligações e ligue o circuito a fonte de alimentação;
5. Coloque um prego metálico no interior da bobina e observe;
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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Forno de indução – O que observar
Questões para discussão
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.
Questões para discussão:
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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Forno de indução – Conteúdo
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.
Ilustração representando as
correntes induzidas no material
devido a exposição ao campo
magnético alternado.
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.
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Forno de indução – Conteúdo
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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Forno de indução – Referências
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.htm
Acessado em 22 de outubro de 2014
[2] http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/549-como-funciona-ofogao-oupanela-de-inducao-art035
Acessado em 22 de outubro de 2014
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