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FREIO MAGNÉTICO PENDULAR
Jorge Roberto Pimentel+ ([email protected])
Vitor Hélio Zumpano+
Paulo Yamamura++
+
Departamento de Física – IGCE - UNESP - Campus de Rio Claro
++
FATEC-SP
1. Introdução
Um método macroscópico muito utilizado para se determinar se um
material é ferromagnético consiste em observar se ocorre atração, quando se
coloca o material em contato com um imã permanente.
O alumínio e o cobre, por exemplo, não são materiais ferromagnéticos (o
alumínio é classificado como paramagnético enquanto que o cobre
diamagnético) e, portanto, seus átomos não possuem momento magnético
permanente. Normalmente quando são colocados na presença de um imã
permanente, não se observa qualquer efeito macroscópico entre eles. Isso pode
ser mostrado tentando-se elevar, com auxílio de um imã, um pedaço de alumínio
ou de cobre. Verifica-se que nada acontece.
Embora esses materiais não exibam efeitos magnéticos macroscópicos
quando interagem estaticamente com um imã, se houver movimento relativo
entre eles, o resultado pode ser surpreendente. Duas formas de se visualizar
resultados inesperados dessas interações são observar o movimento de um
pêndulo imerso num campo magnético e o deslizamento de um imã num plano
inclinado.
2. Pêndulo imerso num campo magnético
Para obter o campo magnético necessário ao funcionamento do pêndulo,
devem-se utilizar duas metades da armadura (polaridades magnéticas N e S), não
sendo necessário descolarem-se os imãs. Elas devem ser presas frente a frente
num suporte que dê estabilidade mecânica ao conjunto todo. Para prendê-las,
pode-se usar pequenos suportes no formato de “L” e que permitam ajustar o
espaçamento entre os imãs, conforme mostrado na figura 4.1.
A separação entre os imãs N e S foi ajustada em 1 cm, distância suficiente
para que o núcleo do pêndulo passe por entre eles sem colidir.
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Fig. 4.1- Disposição das placas com imãs de NIB na base do pêndulo
O núcleo do pêndulo deve ser feito com material metálico não magnético
tal como alumínio, latão ou cobre. Sua haste preferencialmente deve ser feita
de um material leve e não ferromagnético A haste deve ser fixada num suporte
que permita sua livre movimentação pendular e seu comprimento ser ajustado
para que o núcleo oscile na região interior ao campo magnético. A figura 4.2
mostra, na esquerda, um suporte retirado do HD com duas pastilhas de imãs NIB
coladas. Na direita da figura, vê-se a massa do pêndulo que foi obtida a partir da
sucata de um dissipador de alumínio para transistores. Essa solução possibilita
verificar a influência da área superficial da massa do pêndulo, na interação com
o campo magnético. Para possibilitar que a massa do pêndulo pudesse ser
facilmente substituída durante a demonstração, fixamos com massa epóxi no
eixo do pêndulo a sucata de um conector de placas de computador.
Fig 4.2 Suporte com duas pastilhas de imãs NIB (esquerda); massa do pêndulo, feita
com um dissipador de alumínio para transistores, metade sólida e metade denteada (direita).
A figura 4.3 mostra o detalhe da fixação do pivot da haste do pêndulo. Ele
foi feito embutindo-se dois pequenos rolamentos, retirados da cabeça de
leitura/gravação, num tubo de alumínio. Com essa técnica o atrito é
sensivelmente diminuído, além da haste ficar isenta de movimento lateral.
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Um parafuso de diâmetro adequado possibilitou prender o conjunto em
duas barras laterais, fixadas numa sólida base que propiciou boa estabilidade
mecânica à montagem, permitindo sua confortável manipulação.
Fig. 4.3 Detalhe da fixação do pivot do eixo, que utilizou pequenos rolamentos
retirados da cabeça de leitura/gravação do HD
A figuras 4.4 mostra as duas possíveis maneiras de montar a massa do
pêndulo: com a superfície da placa denteada ou sólida pronta para “cortar” as
linhas de campo dos imãs.
Fig. 4.4 - O pêndulo sendo lançado com a superfície da massa denteada ou sólida
Para verificar o efeito de frenagem do movimento pendular, deve-se
afastar o pêndulo da sua posição de equilíbrio e soltá-lo. Ele inicia o movimento
oscilatório, porém ao cortar as linhas do campo magnético gerado pelos imãs
esse movimento é alterado, em função da interação da área superficial da massa
com o campo magnético. O pêndulo diminui visivelmente a amplitude de
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oscilação e pode até mesmo ser bruscamente freado, dependendo da massa
apresentar a superfície denteada ou não.
3. Porque o pêndulo é freado e pára
De uma maneira simplificada, o que ocorre pode ser explicado em termos
das leis de Farady e de Lenz, assuntos esses que podem ser verificados, com
mais detalhes, em bons livros de Física destinados ao ensino médio.
A lei de Faraday estabelece que a variação do fluxo magnético (devido ao
movimento relativo dos imãs) na área da superfície condutora de cobre (que é
perpendicular ao fluxo e cujo contorno é fechado), provoca o surgimento de
forças eletromotrizes induzidas. Isso faz com que circulem correntes elétricas
induzidas, na área que está instantaneamente sob ação do campo magnético.
Em conformidade com a lei de Lenz, o sentido de circulação dessas
correntes é tal que elas tendem a anular o efeito que as produziu. No caso, o
efeito que produz tais correntes é a passagem da placa de alumínio através das
linhas de campo do imã. As correntes aparecem, então, em cada face da placa,
num sentido tal que provocam, localmente, o surgimento de um campo
magnético cuja polaridade magnética é contraria à do imã que está à sua frente
(N ou S). Em conseqüência, ocorrerá atração entre as superfícies da placa e
cada um dos dois imãs, o que faz com que o pêndulo deixe de oscilar.
Se as correntes induzidas nas faces do pêndulo não forem suficientemente
intensas, de modo que a componente da força peso na direção do movimento
seja anulada (ou bastante diminuída) pela força magnética atrativa, o efeito
pode não ser percebido. Com a redução da área superficial, o efeito da
frenagem diminui drasticamente e pode mesmo deixar de ser percebido,
passando o pêndulo a oscilar quase livremente.