Técnico em Mecatrônica GERADOR MAGNÉTICO DE ENERGIA
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Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO ETEC JORGE STREET DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO (DTCC) Técnico em Mecatrônica GERADOR MAGNÉTICO DE ENERGIA Autores: Daniela Eugenio Jean Rocha Filipe Urbinati Patrick Andrade Vitor Coppen Orientador: Professor Ivo São Caetano do Sul/ SP 2013 Gerador Magnético de Energia Elétrica O Gerador Magnético de Energia, como o próprio nome já diz, é um gerador de energia elétrica por meio da utilização de ímãs e seus campos magnéticos. Vocês podem ouvir falar também de Gerador de energia infinita, isso porque ela pode gerar energia por muito tempo, sem interrupção, de acordo com a durabilidade magnética dos ímãs utilizados. ETEC Jorge Street – 2013 Agradecimentos Primeiramente, queremos agradecer aos nossos familiares e amigos, que nos apoiaram desde o início do projeto dando conselhos e sugestões; Agradecer também aos Professores Francisco Chagas e Ivo, que foram, respectivamente, nossos professores orientadores do projeto no segundo semestre de 2012 e no primeiro semestre de 2013; Ao coordenador Arci, que nos disponibilizou a oficina mecânica no período da tarde das quintas-feiras; E, finalmente, agradecer á ajuda de Dante Bianchi e Alexandre Mazini, que mesmo sabendo da complicação do projeto, nos ajudaram com alguns fatores do projeto. Resumo O Gerador funciona do seguinte esquema: Um anel com ímãs espalhados uniformemente na sua parte interna com todos os magnetos virados com o mesmo polo. E um disco, com raio menor do que o raio interno do anel, com ímãs na parte exterior, também distribuídos uniformemente com os polos dos magnetos iguais aos polos dos magnetos do anel. Ao juntar essas duas peças a repulsão dos polos dos ímãs faz com que o disco comece a girar e, junto a ele, um eixo. Nesse eixo, há um disco com movimento de rotação excêntrica. Esse disco transmite movimento a um eixo na posição radial do mesmo, que na extremidade desse eixo contém uma barra de ímã que entra e sai de uma bobina. O movimento que a barra de ímã faz, com o campo magnético dos mesmos, gerar corrente elétrica na bobina. Com essa corrente pode-se alimentar receptores elétricos. Palavras-chaves: eletromagnetismo. Energia autossustentável, Gerador elétrico, ímã, Sumário Introdução ................................................................................................................... 7 1. Fundamentos Teóricos ......................................................................................... 10 1.1 Gerador Elétrico ........................................................................................... 10 1.1.1 Características ...................................................................................... 10 1.1.2 Tipos de geradores elétricos ................................................................ 11 1.2 Ímãs e Magnetos .......................................................................................... 11 1.2.1 Propriedades dos ímãs ......................................................................... 12 1.2.2 Campo magnético ................................................................................. 14 1.3 Ímã de Neodímio .......................................................................................... 16 1.3.1 Propriedades e utilização ..................................................................... 16 1.3.2 Cuidados ............................................................................................... 17 1.4 Bobina .......................................................................................................... 17 1.4.1 Funcionamento ..................................................................................... 18 1.4.2 Emprego ............................................................................................... 18 1.5 Lei de Faraday-Neumann-Lenz ................................................................... 19 1.6 Lei de Ampère .............................................................................................. 20 1.6.1 Motivação histórica ............................................................................... 21 1.6.2 Determinação do campo magnético B .................................................. 22 1.6.3 Aplicações da Lei de Ampère ............................................................... 22 1.7 Polipropileno ................................................................................................ 23 1.7.1 Principais propriedades ........................................................................ 23 1.7.2 Aplicações ............................................................................................. 24 2. Planejamento ........................................................................................................ 25 2.1 Escolha do projeto ....................................................................................... 25 2.2 Escopo do projeto ........................................................................................ 25 2.2.1 Parte mecânica ..................................................................................... 25 2.2.1.1 Base .............................................................................................. 25 2.2.1.2 Cabeceiras .................................................................................... 26 2.2.1.3 Anéis .............................................................................................. 26 2.2.1.4 Discos ............................................................................................ 26 2.2.1.5 Eixos .............................................................................................. 26 2.2.1.6 Rolamentos ................................................................................... 26 2.2.1.7 Tampa de Proteção ....................................................................... 27 2.2.1.8 Ímãs de neodímio .......................................................................... 27 2.2.2 Parte elétrica ......................................................................................... 27 2.2.2.1 Bobina ........................................................................................... 27 2.3 Fluxograma .................................................................................................. 27 2.4 Planilha de custos ........................................................................................ 28 3. Desenvolvimento .................................................................................................. 29 3.1 Materiais .................................................................................................. 29 3.2 Usinagem dos materiais .......................................................................... 29 3.3 Montagem ................................................................................................ 31 3.3.1 Montagem da parte mecânica .............................................................. 31 3.3.2 Montagem da parte elétrica .................................................................. 32 3.4 Finalização ............................................................................................... 32 3.5 Vistas ........................................................................................................... 33 4. Resultados Obtidos .............................................................................................. 35 5. Conclusão ............................................................................................................. 36 6. Referências .......................................................................................................... 37 7 Introdução No mundo moderno de hoje, o maior problema que a humanidade debate é o do aquecimento global. A utilização da energia não renovável no mundo é altíssima e traz muitas consequências ruins ao nosso planeta, por exemplo: Poluição da atmosfera, da água, das florestas, redução da produtividade agrícola, deterioração da camada de ozônio, chuva ácida, degelo, entre outros. Também chamada de energias convencionais, são elas o petróleo, o carvão mineral, gás natural e elementos radioativos (figura 1). Todos fontes de energia limitadas, ou seja, que em um tempo não será mais encontrado. 1 4 2 3 Fig. 1 Exemplos: 1 - Petróleo, 2 - Carvão mineral, 3 - Gás natural, 4 - Elementos radioativos. As alternativas encontradas e já utilizáveis são a energia solar, energia eólica, hidrelétrica, biocombustível, biomassa e geotérmica, como mostra a figura a seguir: 8 1 3 2 4 Fig. 2 Exemplos: 1 - Solar, 2 - eólica, 3 - biomassa, 4 - geotérmica. Essas fontes são chamadas de energia renovável, porém são muito caras e também podem provocar alguns danos à fauna e à flora. Mas, mesmo assim, não podemos descarta-las de jeito nenhum. Neste projeto, o objetivo é mostrar às pessoas que todo problema possui uma solução, não importa o grau de dificuldade. O projeto mostra uma alternativa de solução de um dos principais problemas no mundo todo. Este protótipo consegue gerar energia limpa sem combustão de matérias ou extração de elementos, apenas com a força magnética da Terra e a sua influência com os metais magnéticos. O motivo da escolha desse projeto é estimular a divulgação dessa energia, que pode ser a solução do problema do aquecimento global, para que nacionais e multinacionais possam adotar essa fonte de energia e comercializá-la. Com a utilização do gerador magnético de energia, os carros poderão ser movidos por motores magnéticos, não com a utilização desse gerador, mas com o mesmo princípio, e não precisaremos usar combustíveis fósseis para gerar energia. Por esse motivo, infelizmente ela não é divulgado, pois sem a utilização dos combustíveis fósseis, que são os mais utilizados hoje, várias empresas iriam falir 9 com a instalação dessa fonte energética. Com isso, as indústrias de combustível não renovável acabam inibindo a imagem de tais alternativas ou encarecendo o produto. Para a realização desse projeto vamos utilizar os métodos da engenharia. Tanto de Eletromagnetismo quanto da Mecânica. No eletromagnetismo, vamos utilizar uma bobina de ignição com fundamento nas leis de Ampère e Faraday. Na mecânica, vamos utilizar soldagem, usinagem e toda a estrutura do projeto que será de PP (Polipropileno). O Gerador funciona do seguinte esquema: É um anel com ímãs espalhados uniformemente na sua parte interna com todos os magnetos virados com o mesmo polo. E um disco, com raio menor do que o raio do furo do anel, com ímãs na parte exterior, também distribuídos uniformemente com os polos dos magnetos iguais aos polos dos magnetos do anel, como ilustrado na figura abaixo. Figura 3: Esquema de funcionamento da rotação do disco pela repulsão magnética dos polos dos ímãs. Ao juntar essas duas peças a repulsão dos polos dos ímãs faz com que o disco comece a girar, e junto a ele, um eixo. Nesse eixo, um disco excêntrico transmite um movimento para outro eixo posicionado na radial desse disco. Na extremidade desse eixo tem um ímã em forma de barra que irá entrar e sair de uma bobina. A movimentação desse ímã faz, com o campo magnético dos mesmos, gerar corrente elétrica na bobina. Com essa corrente pode-se alimentar receptores elétricos. 10 1. Fundamentos teóricos 1.1 Gerador elétrico Gerador elétrico é um dispositivo utilizado para a conversão da energia mecânica, química ou outra forma de energia em energia elétrica. O gerador elétrico foi inventado em 1879 (figura 4) por Werner von Siemens, co-fundadora Siemens AG. Figura 4: Primeiro gerador elétrico em 1879. Inventado por Werner von Siemens, co-fundadora Siemens AG. 1.1.1 Características O tipo mais comum de gerador elétrico, o dínamo (gerador de corrente contínua) de uma bicicleta, depende da indução eletromagnética para converter energia mecânica em energia elétrica, a lei básica de indução eletromagnética é baseada na Lei de Faraday de indução combinada com a Lei de Ampère. No caso de um gerador que fornece uma corrente contínua, um interruptor mecânico ou anel comutador alterna o sentido da corrente de forma que a mesma permaneça unidirecional independente do sentido da posição da força eletromotriz induzida pelo campo. Os grandes geradores das usinas geradoras de energia elétrica fornecem hidráulicas e geradores síncronos. corrente alternada e utilizam turbinas 11 1.1.2 Tipos de geradores elétricos Há muitos outros tipos de geradores elétricos. Geradores eletrostáticos como a máquina de Wimshurst, e em uma escala maior, os geradores de van de Graaff, são principalmente utilizados em trabalhos especializados que exigem tensões muito altas, mas com uma baixa corrente e potências não muito elevadas. Tipos de geradores que convertem energia mecânica em elétrica: Gerador Síncrono Gerador de indução ou Gerador Assíncrono Gerador de Corrente contínua Motores elétricos desempenham a função inversa, ou seja, convertem energia elétrica em energia mecânica e construtivamente são semelhantes aos geradores, pois se baseiam no mesmo princípio de conversão. Tipos de motores elétricos que convertem energia elétrica em energia mecânica: Motor Síncrono Motor de indução ou Motor Assíncrono Motor de corrente contínua Motor de corrente contínua Tipo de gerador que converte energia química em elétrica: Geradores de célula à combustível ou célula de combustível Pilhas Tipo de gerador que converte diretamente a energia luminosa do Sol em elétrica: Geradores fotovoltaicos 1.2 Imãs e magnetos Um imã é definido como um objeto capaz de provocar um campo magnético à sua volta e pode ser natural ou artificial. Um imã natural é feito de minerais com substâncias magnéticas, como por exemplo, a magnetita. O artificial é feito de um material sem propriedades magnéticas, mas que pode adquirir permanente ou instantaneamente características 12 de um natural. Os imãs artificiais também são subdivididos em: permanentes, temporais ou eletroímãs. O permanente é feito de material capaz de manter as propriedades magnéticas mesmo após cessar o processo de imantação, esses materiais são chamados ferromagnéticos. O imã temporal tem propriedades magnéticas apenas enquanto se encontra sob a ação de outro campo magnético, os materiais que possibilitam esse tipo de processo são chamados paramagnéticos. O eletroímã é um dispositivo composto de um condutor por onde circula corrente elétrica e um núcleo, normalmente de ferro. Suas características dependem da passagem de corrente pelo condutor; ao cessar a passagem de corrente cessa também a existência do campo magnético. 1.2.1 Propriedades dos Imãs Uma das propriedades dos imãs são seus polos magnéticos são as regiões onde se intensificam as ações magnéticas. Um imã é composto por dois polos magnéticos, norte e sul, normalmente localizados em suas extremidades, exceto quando estas não existirem, como em um magneto em forma de disco, por exemplo. Por esta razão são chamados dipolos magnéticos. Para que sejam determinados esses polos, se deve suspender o imã pelo centro de massa e ele se alinhará aproximadamente ao polo norte e sul geográfico recebendo nomenclatura equivalente. Desta forma, o polo norte magnético deve apontar para o polo norte geográfico e o polo sul magnético para o polo sul geográfico (figura 5). 13 Figura 5: Ilustração do norte magnético/sul geográfico e norte geográfico/sul magnético. Ao manusear dois imãs percebemos claramente que existem duas formas de colocá-los para que estes sejam repelidos e duas formas para que sejam atraídos. Isto se deve ao fato de que polos com mesmo nome se repelem, mas polos com nomes diferentes se atraem, como mostra a figura abaixo: Figura 6: Polos iguais há repulsão e polos diferentes há atração. 14 Esta propriedade nos leva a concluir que os polos norte e sul geográficos não coincidem com os polos norte e sul magnéticos. Na verdade eles se encontram em pontos praticamente opostos. A inclinação dos eixos magnéticos em relação aos eixos geográficos é de aproximadamente 191°, fazendo com os seus polos sejam praticamente invertidos em relação aos polos geográficos. Dois polos se atraem ou se repelem, dependendo de suas características, à razão inversa do quadrado da distância entre eles. Ou seja, se uma força de interação F é estabelecida a uma distância d, ao dobrarmos esta distância a força observada será igual a uma quarta parte da anterior F/4, e assim sucessivamente. É impossível separar os polos magnéticos de um imã, já que toda vez que este for dividido serão obtidos novos polos, então se diz que qualquer novo pedaço continuará sendo um dipolo magnético. 1.2.2 Campo Magnético O campo magnético é a região próxima a um imã que influencia outros imãs ou materiais ferromagnéticos e paramagnéticos, como cobalto e ferro. Comparando campo magnético com campo gravitacional ou campo elétrico e verá que todos estes têm as características equivalentes. Também é possível definir um vetor que descreva este campo, chamado vetor indução magnética e simbolizado por B. Se pudermos traçar todos os pontos onde há um vetor indução magnética associado veremos linhas que são chamadas linhas de indução do campo magnético (figura 7). Estas são orientadas do polo norte em direção ao sul, e em cada ponto o vetor B tangencia estas linhas. As linhas de indução existem também no interior do imã, portanto são linhas fechadas e sua orientação interna é do polo sul ao polo norte. Assim como as linhas de força, as linhas de indução não podem se cruzar e são mais densas onde o campo é mais intenso. 15 Figura 7: Campo magnético e seu sentido, do polo norte ao polo sul. Como os elétrons e prótons possuem características magnéticas, ao serem expostos a campos magnéticos, interagem com o mesmo sendo submetidos a uma força magnética . Portanto: campos magnéticos estacionários, ou seja, o vetor campo magnético B em cada ponto não varia com o tempo; partículas possuem uma velocidade inicial V no momento da interação; e o vetor campo magnético no referencial adotado é B; Um campo magnético estacionário não interage com cargas em repouso. Tendo um imã posto sobre um referencial arbitrário, se uma partícula com carga q for abandonada em sua vizinhança com velocidade nula não será observado o surgimento de força magnética sobre esta partícula, sendo ela positiva, negativa ou neutra. Um campo magnético estacionário não interage com cargas que tem velocidade não nula na mesma direção do campo magnético. Sempre que uma carga se movimenta na mesma direção do campo magnético, sendo no seu sentido ou contrário, não há aparecimento de força eletromagnética que atue sobre ela. Um exemplo deste movimento é uma carga que se movimenta entre os polos de um imã. A validade desta afirmação é assegurada independentemente do sinal da carga estudada. 16 1.3 Ímã de neodímio Um ímã de neodímio é um poderoso imã feito a partir de uma combinação de neodímio, ferro e boro — Nd2Fe14B (Figura 8). Esses imãs são muito poderosos em comparação a sua massa, mas também são mecanicamente frágeis e perdem seu magnetismo de modo irreversível em temperaturas acima de 120 °C. Sua intensidade pode ser medida pelo seu produto energético máximo, em megagaussoersteds (MGOe) (1 MG·Oe = 7,957 kJ/m³). Essa intensidade varia de 12 a 15, nos ímãs aglomerados de neodímio (bonded magnets) e de 24 a 54 nos ímãs sintetizados. Para alcançar a mesma força do imã de neodímio usando imãs de cerâmica é necessário um volume 18 vezes maior do material comparado ao de neodímio. Figura 8: Ímã de neodímio utilizado no projeto. Raio de 5mm e espessura de 4mm. 1.3.1 Propriedades e Utilização Usados em muitos tipos de motores elétricos e discos rígidos, os ímãs de Nd2Fe14B são também muito populares como curiosos. Um pequeno imã pode possuir propriedades incríveis - ao se aproximar de um material não magnético condutor de eletricidade, ele exibe uma "frenagem" graças a correntes elétricas que são induzidas no condutor. Uma excelente demonstração desse efeito pode ser realizada ao se deixar cair um imã de neodímio no interior de um cano de cobre. O imã irá cair através do cano muito mais devagar do que seria o normal. Um imã médio interage forte o suficiente com o campo magnético terrestre para que ele se alinhe aos polos magnéticos, como uma bússola. Imãs cilíndricos e em formato de disco em especial reagem ainda melhor. Eles são encontrados em quase todos os fones de ouvido produzidos. 17 1.3.2 Cuidados Cuidados devem ser tomados quando se usa um imã de neodímio. Mesmo um pequeno imã é capaz de destruir o conteúdo de um Disco Rígido (HD), de um disquete, ou de discos CDS, dentre outras mídias magnéticas, de modo que as informações fiquem irrecuperáveis. Esses imãs são normalmente fortes o suficiente não apenas para magnetizar as cores de televisores e monitores a base de CRT, mas também para deformar fisicamente partes do monitor. Esse tipo de dano é tipicamente irreparável desmagnetizando-o apenas via sua configuração. Esses imãs devem sempre ser manipulados cuidadosamente. Alguns imãs que são ligeiramente maiores que uma moeda de 25 centavos (antiga) são fortes o suficiente para sustentar mais de 10 kg. Eles são perigosos, sendo capazes de prensar a pele ou dedos quando atraídos por um objeto magnético. Por serem feitos de "pós" e folheações, os imãs são muito frágeis e podem quebrar em temperaturas superiores a 80 °C (ao passar de 80°C ele é sujeito a perder sua força magnética), ou se sujeitos a impactos com outro imã. Imãs desse tipo devem ser mantidos longe de aplicações elétricas, cartões magnéticos e monitores, pois o dano nesses pode ser irreparável. 1.4 Bobina A palavra bobina tem diversos significados, mas em eletrônica, é a palavra utilizada para se referir a qualquer fio condutor elétrico enrolado em si mesmo, ou ainda em volta de uma superfície também condutora (Figura 9). Este simples rolo de fios encontra diversos desdobramentos. usos na eletrônica, desde o seus mais antigos 18 Figura 9: Bobina utilizada no projeto, a bobina toroidal. A sua aplicação mais evidente é a de produzir magnetismo, tornando-se a bobina num ímã elétrico ou eletroímã. Bobinas são empregadas como indutor, ou seja, um dispositivo elétrico passivo que tem como utilidade armazenar energia em forma de um campo magnético. 1.4.1 Funcionamento Seu funcionamento parte do principio de que, quando a corrente elétrica passa num enrolamento de fios, gera-se um campo magnético e, inversamente, quando se interrompe um campo magnético, gera-se eletricidade em qualquer enrolamento de fio dentro das linhas de força do campo magnético. Devido ao fato de que o campo magnético ao redor de um fio ser circular e perpendicular a este, uma maneira fácil de amplificar o campo magnético produzido é enrolar o fio como uma bobina. Sua potência depende ainda da espessura e da quantidade de fio utilizado em sua composição. Em fios de maior espessura, a corrente elétrica fluirá melhor, o mesmo ocorrendo em um conjunto de fio mais extenso, isso é claro, dependendo da potência que se deseja conseguir. No entanto, para as pequenas correntes usadas nos casos habituais, o magnetismo produzido pode ser muito fraco. A solução mais comum para reforçar a potência da bobina é introduzir uma peça de ferro macio em seu interior. 1.4.2 Emprego Há diversos empregos para a bobina na indústria, atualmente. Como exemplo, é possível citar o interior dos bulbos de vidro das lâmpadas fluorescentes, onde a bobina é imprescindível para o funcionamento destas. Na grande maioria dos alto-falantes encontramos como elemento central um eletroímã. Também nos automóveis a gasolina se usa uma bobina de ignição para produzir uma faísca que incendeia a gasolina e permite o funcionamento do motor. Nos transformadores, máquinas que servem para transformar uma tensão alternada noutra com outro valor (mais alto ou mais baixo), encontramos em sua 19 parte principal um conjunto de, pelo menos, duas bobinas. Todos os aparelhos eletrônicos domésticos (rádios, televisores, aparelhos de vídeo, etc.) têm um transformador. É um fator importante para aumentar o peso dos aparelhos, pois os transformadores têm um núcleo de ferro. Um simples eletroímã pode ser construído utilizando-se um parafuso, uma pilha e um fio metálico (por ser melhor condutor que outro tipo de fio qualquer) enrolado ao parafuso, em um exemplo simples de aplicação de uma bobina. 1.5 Lei de Faraday-Neumann-Lenz A lei de Faraday-Neumann-Lenz, ou lei da indução eletromagnética, é uma lei da física que quantifica a indução eletromagnética, que é o efeito da produção de corrente elétrica em um circuito colocado sob o efeito de um campo magnético variável ou por um circuito em movimento em um campo magnético constante. É a base do funcionamento dos alternadores, dínamos, transformadores e também do projeto. Tal lei é derivada da união de diversos princípios. A lei da indução de Faraday, elaborada por Michael Faraday em 1831, afirma que a corrente elétrica induzida em um circuito fechado por um campo magnético, é proporcional ao número de linhas do fluxo que atravessa a área envolvida do circuito, na unidade de tempo. Sendo E o campo elétrico induzido, ds é um elemento infinitesimal do circuito e dB/dt é a variação do fluxo magnético. Uma maneira alternativa de se representar é na forma da derivada da função do campo magnético B: 20 Portanto: ( ) Onde, E = Força eletromotriz, em Volts; = variação do fluxo magnético; = tempo que o ímã leva para entrar e sair da bobina, em segundos; B = fluxo magnético; A = número de espiras; = ângulo do movimento do ímã em relação à Normal da bobina. Como não há variação de fluxo magnético e o ângulo do movimento do ímã em relação à Normal é igual a 0°, concluímos que: E a lei, expressa matematicamente na forma elaborada por Franz Ernst Neumann em 1845 em termos da força eletromotriz, é: A lei de Faraday-Lenz enuncia que a força eletromotriz que é induzida em um circuito elétrico ( ) é igual à variação do fluxo magnético no circuito. A contribuição fundamental de Heinrich Lenz foi a direção da força eletromotriz (o sinal negativo na fórmula). A corrente induzida no circuito é de fato gerada por um campo magnético, e a lei de Lenz afirma que o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que a gera. 1.6 Lei de Ampère No eletromagnetismo clássico, a lei de Ampère permite calcular o campo magnético a partir de uma distribuição de densidade de corrente elétrica J ou de 21 uma corrente elétrica I, ambas estacionárias (independentes do tempo). A partir da Lei de Biot-Savart é possível calcular o campo magnético associado a uma distribuição estacionária de corrente somando-se as contribuições ao campo de todos os elementos infinitesimais de corrente ao longo do circuito em questão. O nome da lei é um reconhecimento ao físico francês André-Marie Ampère que a descobriu em 1826. 1.6.1 Motivação Histórica Em 1819, o físico Dinamarquês Hans Christian Oersted, estudando a ação de uma corrente elétrica sobre um imã, colocou uma bússola (agulha imantada) perpendicular ao fio retilíneo por onde passava corrente, não observando qualquer efeito. Todavia, descobriu que quando colocada paralelamente ao fio a bússola sofria uma deflexão, acabando por orientar-se perpendicularmente a ela. Por conseguinte, uma corrente produz um campo magnético (Figura 10). Os resultados de Oersted foram usados pelo jovem físico André Marie Ampère para formular a Lei de Ampère. No caso de um fio retilíneo muito longo transportando corrente, as linhas de campo magnético são círculos em planos perpendiculares ao fio, e a orientação de tais linhas pode ser obtida por meio da regra da mão direita. Figura 10: Experimento de Oersted. A geração de eletricidade pela influência do campo magnético de um ímã. 22 1.6.2 Determinação do campo magnético B Analogamente ao caso de um sistema elétrico com elevado grau de liberdade em que a utilização da Lei de Gauss simplifica enormemente a determinação do campo elétrico, a lei de Ampère pode ser usada para determinar B num sistema de correntes estacionárias com alguma simetria. O resultado da experiência de Ampère diz que a circulação de B ao longo de uma curva C é proporcional à intensidade de corrente I que atravessa a curva (também denominada circuito amperiano). É importante destacar que isso só vale para correntes estacionárias. A lei de Ampère pode ser escrita como: onde é a permeabilidade magnética no vácuo com um valor no Sistema Internacional de Unidades (SI): e, B = Fluxo matgnético; R = Raio do fio condutor; i = Corrente elétrica. 1.6.3 Aplicações da Lei de Ampère Quando a simetria do problema permite, é possível extrair o campo magnético B para fora da integral de linha , permitindo sua determinação via Lei de Ampère. Nas circunstâncias em que ela funciona, é de longe o método mais rápido; caso contrário, deve-se recorrer à Lei de Biot-Savart. As configurações de corrente nas quais a Lei de Amperè pode ser aplicada são: Linhas retas infinitas; Planos infinitos; 23 Solenóides infinitos; Toróides; 1.7 Polipropileno Polipropileno (PP) ou polipropeno é um polímero ou plástico, derivado do propeno ou propileno e reciclável (Figura 11). Ele pode ser identificado em materiais através do símbolo triangular de reciclável, com um número "5" por dentro e as letras "PP" por baixo. A sua forma molecular é (C3H6)x. O polipropileno é um tipo de plástico que pode ser moldado usando apenas aquecimento, ou seja, é um termoplástico. Possui propriedades muito semelhantes às do polietileno (PE), mas com ponto de amolecimento mais elevado. Figura 11: Peças feitas de Polipropileno. 1.7.1 Principais propriedades Baixo custo; Elevada resistência química e a solventes; Fácil moldagem; Fácil coloração; Alta resistência à fratura por flexão ou fadiga; Boa resistência ao impacto acima de 15 °C; Boa estabilidade térmica; 24 Maior sensibilidade à luz UV e agentes de oxidação, sofrendo degradação com maior facilidade. 1.7.2 Aplicações Brinquedos; Bumerangues; Copos Plásticos; Recipientes para alimentos, remédios, produtos químicos; Calças para eletrodomésticos; Fibras; Saca-rolhas; Filmes orientados; Tubos para cargas de canetas esferográficas; Carpetes; Seringas de injeção; Material hospitalar esterilizável; Como Invólucro para materiais altoclavaveis; Autopeças (pára-choques, pedais, carcaças de baterias,interior de estofos, lanternas, ventoinhas, ventiladores, peças diversas no habitáculo). Peças para máquinas de lavar. Material aquático(pranchas de bodyboard). Cabos para ferramentas manuais. Atualmente há uma tendência no sentido de se utilizar exclusivamente o PP no interior dos automóveis. Isso facilitaria a reciclagem do material por ocasião do sucateamento do veículo, pois se saberia com qual material se estaria lidando. 25 2. Planejamento 2.1 Escolha do projeto O grupo estava gostaria de ter um projeto que surgiria como uma solução de um grave problema no Brasil ou no mundo e que chamaria a atenção dos visitantes da apresentação dos TCCs. Inicialmente houve muita dificuldade para encontrar um grande projeto. Surgiram três ideias: A pulseira que bloqueava sinal; o compactador de lixo; e posteriormente o gerador magnético de energia. A pulseira bloqueadora de sinal tinha a função de cortar o sinal do celular que os presidiários usam para fazer ligações para as pessoas de fora da prisão. Foi uma boa ideia, mas foram procuradas alternativas para a superação dessa. A segunda ideia foi a do compactador de lixo. Como o próprio nome já diz, seria uma lixeira que ao chegar certo nível de lixo compactaria o mesmo a força com um sistema pneumático ou hidráulico. Porém esse projeto não iria dar resultado nas residências das pessoas, talvez em alguma indústria de reciclagem, apenas. Depois de muitas pesquisas, a ideia de fazer um gerador magnético de energia foi a escolhida. O gerador era exatamente o que era procurado, algo que chamasse a atenção do público e que solucionaria algum problema do meio ambiente. O planejamento do projeto foi organizado de acordo com a especialidade, capacidade e responsabilidade dos integrantes do grupo. Mesmo tendo alguns imprevistos de entrada de novos integrantes no grupo, as tarefas foram divididas com serenidade. A cada semana, com o acompanhamento do cronograma, cada atividade era entregue de acordo com a disponibilidade dos integrantes. 2.2 Escopo do projeto 2.2.1 Parte Mecânica 2.2.1.1 Base A base, como o próprio nome já diz, vai ser o ―chão‖ do projeto. Suas dimensões são: 350 mm de comprimento, 250 mm de largura e 15 mm de espessura, no espaço que sobrará com a cabeceira, terá um afinamento para o comprimento de 180 mm. A base será de Polipropileno (PP), pois possui baixo e custo e alta resistência. 26 2.2.1.2 Cabeceiras As cabeceiras tem a função de apoio dos eixos, e consequentemente de toda estrutura. Suas dimensões são: 160 mm de comprimento, 160 mm de largura e 15 mm espessura. As cabeceiras também são feitas de polipropileno, pois esse material pode ser soldado, portentos irá se soldar com a base. 2.2.1.3 Anéis Os anéis são os suportes dos ímãs. Os magnetos são colocados em furos passantes feitos no anel. Esses, com o campo magnético do ímã, faz girar os discos. Suas dimensões são: 133 mm de diâmetro externo, 94 mm de diâmetro interno e 20 mm de espessura. Seu material é feito de nylon. 2.2.1.4 Discos Os discos são responsáveis pela maior parte do projeto, girar o eixo central e, consequentemente, gerar eletricidade. Nesses discos os ímãs são colocados nos furos não passantes feitos no lado externo e pela influência dos outros imãs dos anéis fazem o eixo girar. O material será de polipropileno. Suas dimensões são: 80 mm de diâmetro e 20 mm de espessura. 2.2.1.5 Eixos No projeto há cinco eixos, um central, três formando um triangulo e um posicionado radialmente num disco excêntrico. O central serve para sustentar o disco e quando girar transmitir movimento para o outro eixo que produz eletricidade pelo ímã posto em sua extremidade. Os outros três eixos servem para dar sustentação ao anel, os quais deslizam no mesmo. As dimensões do eixo central são: 440 mm de comprimento e 8 mm de diâmetro. E as dimensões dos eixos do anel são: 350 mm de comprimento e 8 mm diâmetro. 2.2.1.6 Rolamentos Com a finalidade de que o eixo não fique preso nas cabeceiras, é preciso utilizar rolamentos. Como são duas cabeceira, serão 2 rolamentos, com dimensões de: 22 mm de diâmetro e 7 mm espessura. 27 2.2.1.7 Tampa de Proteção Nesse projeto o material da tampa é feito de acrílico. Deve-se pegar uma placa de 570 x 350 mm e 5 mm de espessura e dividi-la em três partes iguais. Essas três partes são conectadas por cantoneiras e dobradiças. 2.2.1.8 Ímãs de neodímio Os ímãs de neodímio formam a parte mais importante do projeto. Sem eles o projeto não teriam significado. Com a repulsão magnética dos ímãs acontece a rotação de discos, eixos e os ímãs dos eixos. 2.2.2 Parte elétrica 2.2.2.1 Bobina A bobina tem uma das principais funções do projeto, que é gerar eletricidade. Ela feita de fios de cobre enroladas em forma de espiras formando uma solenoide. Quanto maior a quantidade de espiras e a espessura do fio de cobre a corrente fluirá melhor. Os terminais dos fios de cobre da bobina serão ligadas à leds. A bobina terá 66 espiram com e um diâmetro 0,1 mm. 2.3 Fluxograma INÍCIO FECHA DISCO E ANEL GERA CORRENTE NA BOBINA IMPULSO INICIAL GIRA EIXO CENTRAL LIGA LEDS FIM 28 2.4 Planilha de custos Descrição Placa de PP Tubo de Nylon Tarugo PP Eixo de alumínio Tampa de proteção de acrílico Ímã de neodímio CUSTO DO MATERIAL Valor Dimensão unidade 410x350x15 R$ 75,00 mm 130x80x75 R$ 50,00 mm R$ 25,00 90x75 mm 3 8" x1000 R$ 15,00 mm Quantidade Total 1 R$ 75,00 1 R$ 50,00 1 R$ 25,00 2 R$ 30,00 570x350x5 mm R$ 60,00 1 R$ 60,00 10x4 mm R$ 1,00 30 R$ 30,00 R$ 270,00 29 3 Desenvolvimento 3.1 Materiais 1 (uma) placa de 410 x 350 x 15 mm de Polipropileno para fazer a estrutura do projeto; 1 (um) tudo de 130 x 80 x 75 mm de Nylon para fazer os anéis; 1 (um) tarugo de 90 x 75 mm de Polipropileno para fazer os discos; 1 (uma) placa de 570 x 350 x 5 mm de Acrílico para fazer a tampa de proteção de projeto; 2 (dois) eixos de 3 8" x 1000 mm; 27 (trinta e dois) ímãs de neodímio de 10 x 4 mm; 2 (dois) rolamentos; 2 (dois) metros de fio de cobre nu; 3.2 Usinagem dos materiais Para a estrutura do projeto, começamos cortando a base. Pegamos a placa de PP, cortamos na medida de 350 x 250 mm e fizemos o corte triangular, onde uma lateral terá forma trapezoidal (figura 12). Todos os cortes da base foram feitos com o manuseio de makita. Figura 12: Ilustração da base. Com a mesma makita, cortamos o que restou do corte da base para originar as cabeceiras do projeto. Feito esses cortes, usinamos na fresa para chegarem à forma quadrada de 160 mm de lado e fizemos três furos de diâmetro de 8 mm nas 30 duas placas de forma que, ligando os furos, formasse um triangulo equilátero e que o centro dele seria o centro da cabeceira. E, por ultimo, furamos o centro da placa para encaixar o rolamento de 22 mm de diâmetro (figura 13). Figura 13: Ilustração de uma cabeceira. Para os discos, utilizamos o torno para a maior parte da usinagem. Primeiramente, desbastamos o tarugo de PP até chegar a 75 mm de diâmetro. Depois, cortamos a peça em três partes iguais de 20 mm de espessura com o bedame. Tendo os três discos em mãos, desenhamos em um deles as linhas de angulação e o centro do furo para os ímãs. Fizemos dez furos para os ímãs com angulação de 20° em relação à superfície do disco e finalmente um furo no centro para a fixação de eixo central de 8 mm de diâmetro (figura 14). Figura 14: Ilustração de um disco com os ímãs posicionados. 31 Do tubo é que vão sair os anéis. Usinamos o diâmetro interno do tubo até chegar a 94 mm. Feito isso, cortamos o tubo também em três partes de 20 mm cada com o bedame. Desenhamos as linhas de angulação e dos furos para os ímãs em m deles e depois fizemos 15 furos passantes de 8 mm Em seguida aumentamos para 10 mm. Por último, furamos o anel com a mesmas coordenadas dos três furos para os eixos da cabeceira (figura 15). Figura 15: Ilustração de um anel com os ímãs posicionados. Dos dois eixos comprados, cortamos em três partes com medida de 350 mm cada e usinamos no torno até chegarem ao diâmetro de 8 mm e fizemos um rebaixo de 1,5 mm no diâmetro nas extremidades para a fixação de porcas. Para isso, fizemos as roscas nos três eixos. Depois, cortamos outro com medida de 440 mm e também usinamos até chegar a 8 mm. Com os 500 mm que restaram, utilizamos 100 mm para fazer a função de empurrar a barra de ímã dentro da bobina e gerar energia. Para finalizar a parte de usinagem, cortamos a placa de acrílico, que é a tampa de proteção do dispositivo, com a makita em três partes iguais. 3.3 Montagem 3.3.1 Montagem da parte mecânica Primeiramente, foi colocado os ímãs nos respectivos furos nos discos e anéis sobre pressão. Em seguida, encaixamos os eixos de sustentação nos anéis e o eixo central nos discos (figura 16). 32 Figura 16: Eixos, discos e anéis ligados. Feito isso, fixamos os rolamentos nas cabeceiras e em seguida os eixos nos seus respectivos lugares, sendo que o eixo central é posicionado nos rolamentos, sendo que os eixos dos anéis foram fixados com porcas na cabeceira. Depois, colocamos um disco de maneira excêntrica no eixo central que faz movimentar o eixo que é posicionado radialmente e é colada uma barra de ímã na outra extremidade. Para finalizar, posicionamos a cabeceira em cima da base e soldamos as mesmas uma na outra. 3.3.2 Montagem da parte elétrica Primeiramente, pegamos os fios de cobre e os enrolamos de forma espiral para originar uma solenoide. Depois de enrolados os fios, a bobina solenoidal é posicionado em frente à barra de ímã para que possa ocorrer a indução eletromagnética. Para terminar, ligamos um led nos terminar da bobina para provar a teoria do nosso projeto. 3.4 Finalização Após todas as peças encaixadas e firmes na estrutura, colocamos a tampa de proteção em volta da estrutura (figura 17), para que não ocorram acidentes que possam envolver pessoas. 33 Figura 17: Estrutura do projeto sem a bobina e sua respectiva proteção. 3.5 Vistas Figura 18: Vista lateral esquerda. 34 Figura 19: Vista frontal. Figura 20: Vista superior. 35 4 RESULTADOS OBTIDOS Foram utilizadas várias horas de usinagem até o primeiro teste. Inicialmente, sem a montagem completa do dispositivo, foi posicionado o eixo principal na vertical. Dado o impulso no disco dentro do anel, não foi possível a manutenção movimento de rotação através das forças de repulsão magnética. Entretanto, ao deslocar o disco em relação ao plano do anel constatou-se que as forças de repulsão entre os ímãs se anulavam com a força da gravidade, sustentando a peça por um período maior de rotação em relação ao posicionamento original. Após uma análise detalhada dos componentes, evidenciou-se que os ímãs não estavam equidistantes, o que poderia ser a causa principal do problema. Assim sendo, foi usinado outro disco com novas furações mais precisas. Repetidos os testes, o problema persistiu. Devido aos ângulos dos ímãs incorretos, difíceis de acertar pela complexidade do cálculo, além da falta de ferramentas, de tempo e a exigência de elevada precisão nas posições dos ímãs, o resultado do projeto foi insatisfatório. 36 5 CONCLUSÃO Com o objetivo de desenvolver uma alternativa para energia limpa e a divulgação do Gerador magnético de energia elétrica, o projeto foi iniciado com muita confiança e empolgação, pois abordava um tema inovador para a sociedade. Porém, para o sucesso do projeto é necessário conhecer a fórmula para calcular a angulação dos ímãs em relação à superfície e a distancia dos mesmos entre o disco e o anel. Essa mesma fórmula é camuflada por ser uma alternativa de fonte de energia autossustentável e fácil de montar se conhecendo os valores, além dela ser extremamente complicada de se desenvolver. Se esse projeto fosse liberado para o público, teríamos energia gratuita para alimentar nossas residências sem a necessidade de pagar impostos, o que seria prejudicial ao governo. Os protótipos existentes são montados por pessoas que não mostram essa tal fórmula e poucos a conhecem. Eles desenvolvem o projeto com o auxilio de simuladores de altos custos e difíceis de serem encontrados. Portanto, isso torna o projeto muito complexo. Com a ajuda de terceiros, o grupo continua motivado e tentará desenvolver um protótipo mais simples e fácil de ser montado sem a necessidade de fórmulas ou simuladores, sendo possível fazer testes à mão e obter sucesso rapidamente. 37 6 REFERÊNCIAS http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador_el%C3%A9trico http://pt.wikipedia.org/wiki/Magnetismo http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/CampoMagnetico/im asemagnetos.php http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Faraday-Neumann-Lenz http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dm%C3%A3_de_neod%C3%ADmio http://pt.wikipedia.org/wiki/Polipropileno http://www.infoescola.com/eletricidade/bobina/
