desenvolvimento de aparato para medição de

DESENVOLVIMENTO DE APARATO PARA MEDIÇÃO DE
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS UTILIZANDO ARDUINO E
SENSORES DE EFEITO HALL
Arquimedes Luciano – [email protected]
Universidade Estadual de Maringá – PCM
Av. Colombo, 5790
Maringá - Paraná
Ana Paula Giacomassi Luciano – [email protected]
Universidade Estadual de Maringá – PCM
Av. Colombo, 5790
Maringá - Paraná
Aline Bortoloto Gomes Ferreira – [email protected]
Universidade Estadual de Maringá - DEQ
Av. Colombo, 5790
Maringá – Paraná
Resumo: Com a atual revolução tecnológica dispositivos eletromagnéticos tem se tornado
cada vez mais necessários. Suas aplicações vão desde dispositivos de memórias,
semicondutores até finalidades médicas, como exames e manipulação de medicamentos no
interior do corpo humano. Os equipamentos capazes de medir campo magnético e classificar
materiais quanto as suas características magnéticas, além de serem de difícil aquisição, tem o
custo elevado. Se faz necessário desenvolver recursos didáticos que possam ser amplamente
utilizados com a finalidade de apresentar aos educandos de ciências exatas tais
aprimoramentos da área afim de permitir que a tecnologia e a ciência de ponta sejam
discutidas também no ambiente educacional. Com base na literatura foram estabelecidos os
parâmetros básicos de campos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos. Também estabeleceuse os tipos de materiais pela sua classificação magnética. Para resolver a problemática de
mensurar campos e classificar materiais segundo o seu comportamento, quando submetidos a
campos eletromagnéticos construiu-se um equipamento para mensurar o grau de histerese de
materiais, com custo reduzido, o equipamento foi baseado em sensores comercias de efeito
Hall. A interface entre os sensores e o usuário é feita através de um Arduino Uno. O tratamento
dos dados adquiridos se deu pelo cálculo dos valores médios e da construção de gráficos.
Foram estabelecidos valores de base adquiridos matematicamente e comparados aos valores
adquiridos de forma experimental. Pela análise dos gráficos foi possível verificar a linearidade
do equipamento, que apresentou resultados satisfatórios.
Palavras-chave: Histeresímetro, Magnetômetro, Efeito Hall, Arduino, Ensino de Física
1
INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas tem se notado um desenvolvimento exponencial em todas as áreas
tecnológicas. Nessa revolução tecnológica novos materiais são desenvolvidos para atender as
frequentes demandas por novos processos e produtos. Produtos que tenham menor custo, maior
durabilidade e melhor desempenho, certamente são o objetivo de desenvolvimento das mais
diversas áreas. Com a finalidade de selecionar materiais para aplicações especificas é necessário
parametrizar suas características magnéticas. Algumas características importantes de um
determinado material são suas propriedades físicas e químicas. Dentre as principais
características físicas tem-se as propriedades mecânicas e as elétricas. Dentro das propriedades
elétricas tem-se as eletromagnéticas.
De forma a acompanhar tais inovações em materiais magnéticos, se faz necessário
desenvolver recursos didáticos que possam ser amplamente utilizados com a finalidade de
apresentar aos educandos de ciências exatas tais aprimoramentos da área afim de permitir que
a tecnologia e a ciência de ponta sejam discutidas também no ambiente educacional.
Os materiais magnéticos desde suas origens seguem desempenhando um papel de extrema
importância na história das civilizações. Suas contribuições vão desde uma simples bússola
usada na navegação, passando pela criação do telefone e do telégrafo, fundamentados no
princípio de Oersted, até os tempos mais recentes no armazenamento de dados em meios
magnéticos e na medicina como, por exemplo, em hipertermia para eliminação de tumores
malignos e para aplicação de drogas em locais específicos do corpo humano (drug delivery)
(CULLITY, 2011). Para o desenvolvimento de equipamentos elétricos, eletromecânicos e
eletrônicos é dada especial atenção ao estudo das características eletromagnéticas, e dos
materiais ferromagnéticos que são utilizados largamente nestes equipamentos, visando maior
rendimento e aproveitamento da energia.
Todo sistema físico pode ser avaliado pela análise de sua resposta a um estímulo externo,
assim sendo quando um dado material é exposto a um campo eletromagnético esse responde
com a produção de um campo induzido. Os métodos experimentais utilizados para a avaliação
e parametrização dos materiais continuam em desenvolvimento, nestes são utilizados sensores
de campo, técnicas de alimentação elétrica e excitação de campo magnético.
Com o objetivo de mensurar o momento magnético em um determinado material
magnético, amostras deste são avaliadas em equipamentos denominados magnetômetros. Um
magnetômetro consiste basicamente em um conjunto de equipamentos formado por uma fonte
de corrente, um eletroímã, sensor de campo magnético, um sistema de posicionamento da
amostra ou da fonte de corrente. Existem sensores de campo magnético, com variações de
sensibilidade, ou seja, à capacidade de detecção de campo, sendo a leitura destes a principal
dificuldade de utilização dos mesmos. Citando apenas alguns destes sensores tem-se:
Magnetômetro SQUID, Sensor de Efeito Hall e Magnetômetro de Amostras Vibrantes.
Nota-se dificuldade de acesso à utilização destes dispositivos por parte dos estudantes de
cursos de Engenharia e de Física sendo que estes acadêmicos apresentam dificuldades em
compreender adequadamente fenômenos magnéticos. Quando se trata de conceitos
relacionados ao eletromagnetismo, conteúdo que se encontra na componente curricular Física,
logo se associa com uma vasta quantidade de cálculos e uma necessária condição de abstração
matemática para sua compreensão. Muitos trabalhos tem se prestado em investigar diversos
recursos didáticos que podem favorecer o processo de aprendizagem destes conteúdos
(ZACHARIA, 2007; NURMI, 2008; DORNELES; ARAUJO; VEIT, 2012). Desta forma este
trabalho vem somar em mais um dispositivo que sendo aliado a metodologia de seu uso, possa
ser um facilitador na compreensão de assuntos que antes, muitas vezes, eram apresentados
apenas teoricamente pela matemática.
Neste trabalho propomos a construção de um Histeresímetro, utilizando a plataforma
Arduino, plataforma esta que diversos autores apontam a sua utilização e aplicação em
dispositivos que podem favorecer o ensino (CAVALCANTE et. al. 2011; SOUZA et. al. 2011;
LUCIANO, 2014). Estes autores apontam que o uso do Arduino na construção de atividades
experimentais favorece o desenvolvimento do ensino de matemática, programação, Física
sendo todos componentes que abarcam os conceitos de eletromagnetismo. Assim, o aparato
proposto foi construído utilizando-se tecnologia disponível no mercado nacional, se
considerando as facilidades de construção e utilização, sem se perder a condição de permitir o
estudo do comportamento dos materiais magnéticos.
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Nos dois últimos séculos o magnetismo se tornou um importante campo da ciência e
tecnologia. Em 1820, Oersted e Ampère, descobriram que uma corrente elétrica gerava um
campo magnético propiciando a invenção do motor elétrico. A descoberta da indução
eletromagnética por Faraday e Henry na década de 1840, abriu as portas para o
desenvolvimento do gerador elétrico (ALMEIDA, 2003).
A palavra magnetismo está conexa ao fenômeno pelo qual um ente tem o poder de atrair e
influenciar outro ente. Sua procedência está ligada ao nome de uma cidade chamada Magnésia
localizada na região da Turquia Antiga que era rica em um minério de ferro. (CULLITY, 1972).
Antes do século XVIII, pouco se conhecia em relação a fenômenos elétricos e magnéticos.
Sabia-se que o minério magnetita possuía uma propriedade intrínseca que o fazia atrair
materiais ferrosos (ELLIOTT, 1988).
Pierre Curie no final do século XIX realizou medidas de magnetização em função da
temperatura, revelando que a magnetização diminui com o aumento da temperatura e vai ao
zero em um valor crítico. Em 1905, Pierre Weiss construiu o primeiro modelo para um material
ferromagnético (LANDAU & LIFSHITZ, 1985). O século XX foi apontado pelo aparecimento
da Mecânica Quântica, permitindo assim o entendimento moderno do Magnetismo. Este
entendimento foi fortemente ligado ao desenvolvimento da mecânica estatística e
termodinâmica quântica especialmente quanto aos fenômenos cooperativos (CEHN, 1977).
O valor do estudo do magnetismo não está somente vinculado à pesquisa básica. Os
materiais magnéticos cumprem um importante papel na tecnologia moderna, pois possibilitam
um grande número de aplicações em produtos e processos industriais dos mais variados setores.
As aplicações vão desde dispositivos com funções muito simples, como os pequenos ímãs
permanentes usados para fechaduras de portas de móveis e utensílios, a inúmeros componentes
sofisticados usados na indústria eletroeletrônica. Muitas das aplicações atuais dos materiais
magnéticos resultaram de avanços científicos e tecnológicos conseguidos nos últimos 20 anos
nas universidades, laboratórios industriais e centros de pesquisa localizados principalmente no
Japão, Estados Unidos e Rússia (SBF, 1990).
A total caracterização dos materiais magnéticos abrange uma série de propriedades
magnéticas e termodinâmicas. As duas fundamentais são: magnetização e susceptibilidade
magnética. Em comum, mede-se a magnetização em função do campo magnético aplicado à
temperatura constante, têm-se então as curvas ou isotermas de magnetização (M x H) T. A
susceptibilidade (em geral AC) em função da temperatura é outra propriedade muito utilizada,
por ser simples e não necessitar de campos magnéticos e nos informar como a parte inicial da
magnetização varia com a temperatura. Muitas vezes estas propriedades não são suficientes
para elucidar o comportamento magnético, especialmente os microscópicos e para tanto é
necessário utilizar também técnicas experimentais como: difração de nêutrons, ressonância
magnética, espectroscopias óticas. (NOVAK, 2000).
O magnetismo é um dos campos de pesquisas mais férteis e na Física da Matéria
Condensada. Os objetivos fundamentais da pesquisa que os cientistas têm neste campo, são a
compreensão das origens microscópicas das propriedades magnéticas dos materiais. O
magnetismo tem ainda uma vasta variedade de aplicações em tecnologias que passaram a ser
valorizadas com a descoberta de novos materiais magnéticos, bem como o desenvolvimento de
novas aplicações tecnológicas (BAIBICH et. al., 1988).
Alguns materiais são diretamente associados ao magnetismo por apresentarem elevada
magnetização espontânea abaixo da temperatura de Curie (Tc). Isso é possível, pois existe
interação entre os momentos magnéticos atômicos que os ordena direcionalmente, resultando
em um momento magnético não nulo. Exemplos de elementos ferromagnéticos são ferro
(número atômico 26), Cobalto (27), Níquel (28), Gadolínio (64), Térbio (65), Disprósio (66),
Hólmio (67), Érbio (68), Túlio (69). A magnetização destes materiais é muito superior quando
comparada à dos materiais paramagnéticos e diamagnéticos e não possuem relação linear com
o campo H (RODRIGUEZ, 1998).
De um modo geral, em um elemento o número de elétrons que tem certo spin é igual ao
número de elétrons que tem o spin oposto e o efeito global é uma estrutura magneticamente
nula. Porém, em um elemento com subníveis internos não completamente preenchidos, o
número de elétrons com spin num sentido é diferente do número de elétrons com spin contrário.
Dessa forma esses elementos trazem um momento magnético global não nulo. Os átomos
ferromagnéticos adjacentes se alinham mutuamente, de forma a terem suas orientações numa
mesma direção formando domínios magnéticos (DUNLOP, 1997).
Uma particularidade importante sobre os materiais magnéticos é que, acima de uma
determinada temperatura, eles perdem suas propriedades magnéticas, pois o calor gera um
desordenamento na disposição das suas partículas. Esta temperatura, que é constante para cada
substância, é denominada temperatura de Curie (Tc) ou ponto de Curie. Esta transição é
reversível através do resfriamento do material. Quando T << Tc, os momentos magnéticos (μ)
de um ferromagneto estão praticamente alinhados na escala microscópica. No entanto, numa
amostra macroscópica, o momento magnético é muito menor que o de saturação, sendo
necessária a aplicação de um campo externo para saturá-la (MACHADO, 2002).
A susceptibilidade magnética é uma particularidade intrínseca de cada material e sua
identidade está catalogada com a composição atômica e molecular. Os átomos têm períodos de
dipolo magnético em virtude do movimento orbital dos respectivos elétrons. Além disso, cada
elétron apresenta um momento de dipolo magnético intrínseco coligado ao seu spin. O momento
magnético de um átomo depende da disposição dos elétrons no seu interior. Um material pode
produzir um campo magnético tanto porque está magnetizado, como porque transporta uma
corrente de portadores de carga (CARNEIRO, 2003).
Conforme explicitado por TIPLER, 2006, p.239, é possível relacionar a capacidade de
magnetização de um material com os seus momentos magnéticos permanente, de cada átomo
ou dos elétrons. Assim sendo devido ao alinhamento permanente de alguns dipolos do material,
variando a quantidade conforme o material, as deformações residuais se opõem à aleatoriedade
dos domínios, levando o material a passar por um ciclo de histerese, que é tido com a perda de
energia no processo de magnetização e desmagnetização do material. Para se criar a curva de
histerese de um material é feita a magnetização gradual de uma amostra desmagnetizada deste
material, até o ponto de saturação de magnetização máxima, quando todos os dipolos livres
estarão alinhados ao campo magnetizante. Então o campo externo magnetizante é removido,
mas há um campo remanescente na amostra pela interação dos dipolos magnéticos no interior
da mesma. Aplica-se então um campo contrário ao aplicado inicialmente para desmagnetizar a
amostra, mas a magnetização tem o sentido de saturação oposto. Depois de saturado para se
chegar a saturação oposta é então finalmente aplicado o campo de magnetização inicial
novamente até chegar a saturação positiva, obtendo-se assim a curva de histerese do material.
Uma técnica utilizada para mensurar o campo magnético produzido por uma amostra é
a medida do Efeito Hall, que é um efeito que surge devido a ação de uma força de origem
magnética sobre um condutor que porta uma corrente e tem o movimento microscópico de
portadores de carga afetado em virtude desta ação de origem magnética. Edwin Hall, em 1879
notou que quando o campo magnético é aplicado na direção transversal à velocidade de deriva
de seus portadores de cargas se obtém uma deflexão desses portadores para um dos lados da
amostra (HALL, 1879).
3
METODOLOGIA
3.1 Materiais e Métodos
Nesta seção descrevemos os materiais utilizados bem como os procedimentos técnicos
empregados na construção do aparato de medidas magnéticas. Para essa aplicação particular as
principais razões para utilizar sensores de efeito Hall se devem aos seguintes fatores: o
desempenho na aquisição de dados, o custo e a facilidade de compra. Dentre as características
que mais se destacam é a grande durabilidade, fácil interface de controle, o fato de operar com
entrada estacionária, possuir alta velocidade de operação, ser um dispositivo de detecção
magnética de estado sólido, operar em uma ampla variação de temperatura (de -40oC a 125oC).
(Honeywell, 2008)
Figura 1: Diagrama funcional do interior do sensor A1301
Fonte: (Allegro, 2005,2006)
O modelo específico de sensor de efeito selecionado foi o A1301, do fabricante Allegro.
O principal requisito que conduziu a decisão por este sensor foi o tipo de sinal de saída. Grande
parte dos sensores de efeito Hall disponíveis no mercado fornecem o sinal de saída em forma
digital, o sinal digital oferece grandes dificuldade para interpretação da leitura dos dados. O
sensor escolhido fornece o sinal de saída em formato analógico proporcional ao campo
magnético aplicado, sendo a sensibilidade do sensor de 2,5 mV/G. Na figura 1 pode ser
observado o interior do encapsulamento do sensor. Neste diagrama se percebe que inclui um
elemento sensível ao efeito Hall, um amplificador linear e um transistor CMOS para a saída.
Integrando desta forma o amplificador e o elemento sensível ao efeito Hall, se elimina grande
parte dos problemas relacionados a baixa tensão do sinal analógico de saída, bem como os
tratamentos subjacentes.
Para a construção do suporte dos sensores foi escolhido uma estrutura de technyl devido
às propriedades eletromagnéticas e mecânicas, o custo e a disponibilidade de mercado. Technyl
é o nome comercial registrado pela empresa Rhodia, é um plástico de engenharia obtido através
da poliamida 6.6. As principais características para sua escolha foram: possuir baixo coeficiente
de atrito, é isolante elétrico, tem baixo peso específico (cerca de 0,143 do bronze), boa
resistência a desgaste, resistência a temperatura entre -40° e 100°C e de fácil usinagem. Este
plástico é comumente utilizado como substituto de bronze, latão, alumínio, duralumínio, ferro
fundido e aço. Sua apresentação comercial é em tarugos, tubos e chapas. É utilizado para
confecção de buchas, engrenagens cremalheiras, polias, roletes, parafusos, arruelas, guias,
rotores, roldanas, mancais, rolo para maquinas de corte e vinco, placas de desgaste e sapatas.
(Incoplast, 2012) (Day Brasil, 2010) (Steel Companyce, 2010)
A bobina construída em torno do suporte dos sensores foi confeccionada com fio de
cobre coberto por verniz isolante, e foi utilizado fio de espessura 24 AWG. As dimensões da
bobina foram calculadas de modo a fornecer um campo magnético uniforme na região central
da bobina, e com intensidade suficiente para promover uma orientação adequada nas amostras
utilizadas e assim favorecer a correta leitura pelos sensores.
O enrolamento das espiras foi feito de forma manual, com três camadas e para serem
fixadas foi utilizado um verniz isolante próprio para a aplicação em equipamentos
eletroeletrônicos, além de isolar, o verniz, desempenhou a função de fixar as espiras mantendo
o enrolamento firme. A alimentação da bobina precisa ser estável e para atingir este objetivo
foi utilizada uma bateria selada, comumente utilizada em nobreaks. Devido a necessidade de
variar a diferença de potencial fornecida para excitação da bobina se utilizou um reostato.
O posicionamento das amostras no interior do suporte se deu com a utilização de um
motor de passo unipolar. A escolha ocorreu em virtude da precisão oferecida por esse tipo de
motor, disponibilidade no mercado e viabilidade de acionamento. Para realizar o controle do
motor de passo, fez-se necessária a escolha de um microcontrolador e foi selecionado o Atmega
328P-PU. Este microcontrolador pode ser disposto em uma plataforma com algumas facilidades
embarcadas, o Arduino é uma destas plataformas. O Arduino é um projeto de uma plataforma
que busca facilitar o uso do hardware e do software. Este projeto é open-source, ou seja, é
disponível para que qualquer usuário adquira o projeto do hardware e do software livremente.
Disponível no mercado tem-se as placas Arduino Uno, Arduino Leonardo, Arduino
Mega 2560, Arduino Due, Arduino Ethernet, Arduino Mega ADK, Arduino Micro, Arduino
Nano, Arduino Fio, Arduino Mini, Arduino Pro Mini, Arduino Lily Pad e Arduino Pad. Todas
essas placas são baseadas no microcontrolador Atmega, variando o modelo deste
microcontrolador, as entradas, saídas, memória, osciladores, reguladores de tensão, software e
mais características. Estão disponíveis também acessórios para o Arduino chamados de Shields,
que normalmente são fixadas sobre o Arduino, e são expansões para este. Os Shields podem ser
para conexão ethernet, wi-fi, acionamento de motores, dentre outras possíveis aplicações.
Dentre as placas disponíveis o modelo mais acessível e simples é o Arduino Uno.
Devido ao nível de complexidade do projeto em questão o modelo mais simples apresenta
recursos suficientes, para a execução deste equipamento, portanto o modelo selecionado foi o
Arduino Uno. Foi adquirido um exemplar de um fabricante paralelo, devido o baixo custo e
facilidade de compra. Além da placa a interface (IDE) de programação do Arduino também é
disponibilizada de forma gratuita no endereço arduino.cc, a programação foi feita em linguagem
C devido a conhecimentos prévios.
Através do uso do Arduino é possível controlar as diferentes direções, a quantidade de
passos e a velocidade do motor de passo. Além do Arduino é necessária a utilização de um
circuito driver, o ULN2003, que proporciona o acionamento correto das bobinas do motor de
passo. O ULN2003 é uma matriz de transistores darlington de alta voltagem e alta corrente, ele
contém sete pares de coletores darlington com entradas comuns. Cada canal suporta corrente
de trabalho de 500mA e corrente de pico de 600mA. Este componente é versátil sendo muito
útil no direcionamento de uma larga gama de solenoides, motores DC, displays de Leds,
cabeçotes de impressoras e buffers de alta potência.
Para a leitura dos valores dos sensores de efeito Hall foi selecionado o mesmo
microcontrolador Atmega 328, implantado na plataforma Arduino Uno, assim como no módulo
de controle do motor de passo, o Arduino oferece facilidade de interface com os sensores,
viabilizando assim a leitura dos valores na porta USB do computador. De modo que tanto o
posicionamento da amostra, como a aquisição dos valores das grandezas medidas no
experimento ocorressem de maneira automática.
3.2 Desenvolvimento do Histeresímetro
Para visualizar a construção do equipamento foi montado um projeto inicial, como pode
ser observado na Figura 2. Nesta temos a bobina, os sensores montados em seu interior, o motor
de passo e a correia com o porta amostra.
Figura 2: Projeto do Histeresímetro
Pela facilidade de usinagem no torno, e por poder utilizar o suporte de technyl para
enrolar as bobinas foi utilizado um tarugo de technyl cilíndrico. Foi localizado um motor de
passo com uma engrenagem e uma fita (correia) dentada, que se demonstraram bastante
adaptadas a aplicação. De modo que ao movimentar o motor de passo a correia levava o porta
amostra até o ponto central da bobina e permitia assim a realização adequada das medidas.
Figura 3: Sensores Posicionados Abaixo da Bobina
Os sensores foram posicionados e fixados com cola de cianoacrilato no interior dos
rebaixos do suporte de technyl, conforme a Figura 3. Depois de posicionados os sensores, foi
enrolada a bobina na área rebaixada do suporte de technyl. O suporte foi torneado para ter esse
rebaixo que permitiu que esses sensores tivessem a bobina enrolada com menor grau de
dificuldade e com aumento de qualidade no resultado final.
Na placa onde foram fixados os conectores dos sensores, montou-se um botão do tipo
“push-bottom”, para iniciar a curso do motor de passo posicionando a amostra e dando início
as leituras dos sensores quando as amostras estivessem adequadamente posicionadas no centro
dos sensores.
Para a conexão de cada um dos sensores, estes foram presos aos fios um encaixe para
pino, assim o tempo de soldagem foi reduzido de forma considerável. Após montados nos
conectores foram colocados uma capa termo retrátil em cada um dos terminais dos sensores,
ficando estes isolados entre si. Com a posição utilizada para alocar os sensores, as linhas de
campo produzidas pelo indutor incidem perpendicularmente ao elemento sensor. Este
posicionamento torna a aquisição das medidas de campo magnético muito mais confiáveis.
Foi elaborado um programa na IDE Arduino 1.0.1, este programa aguardava até que o
botão fosse acionado, uma vez o botão acionado o motor de passo deveria posicionar a amostra
no interior do suporte de technyl. Enquanto o motor estivesse na etapa de posicionamento não
seriam lidas as saídas dos sensores. Ao se atingir a posição central, iniciava-se a aquisição de
dados e os dados eram disponibilizados na porta serial do Arduino e assim coletadas por uma
aplicação que vinculava os dados da porta serial à um arquivo de dados em formato Excel.
Quando o botão fosse pressionado novamente o motor retornaria a amostra à posição inicial.
Os sensores de Efeito Hall foram conectados às portas analógicas de 0 a 4 na plataforma
Arduino. O botão foi conectado à porta digital 1, e o acionamento do motor de passo foi
temporizado em virtude de diversas medidas de calibração.
O equipamento foi montado conforme figura 2, sendo realizados diversos testes com
variadas amostras, basicamente ferritas comerciais. Para as amostras foram escolhidos
materiais ferromagnéticos, em forma de ferrites utilizados na confecção do núcleo de indutores
e transformadores. O material é ferrite de magnésio (o MnZn apresenta alta permeabilidade e
baixa resistividade), é utilizado como núcleo para frequências de até 50 MHz e o MgZn possui
permeabilidade baixa apresentando alta resistividade podendo ser usado em frequências que
chegam a centenas de MHz. Utilizamos as amostras moídas por um processo mecânico de
maceração.
Tabela 1: Permeabilidade Padrão das Amostras Utilizadas. Fonte (Thornton, 2008)
4
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com a crescente utilização de dispositivos eletromagnéticos, a necessidade de pesquisa
de base de eletromagnetismo tem se tornado uma das áreas de grande interesse no estudo de
Física. Os equipamentos comerciais que medem campo magnético apresentam elevado custo.
Este trabalho teve como objetivo a construção de um equipamento de baixo custo, capaz de
medir campo magnético e as variações deste campo por interferências externas, com sensores
comerciais de efeito Hall.
Este equipamento após as medidas realizadas se mostrou equivalente em diversos
aspectos aos dispositivos encontrados comercialmente, visto que após a calibração os valores
detectados correspondiam aos valores esperados dentro de certa precisão. Assim, foi possível
apresentar a construção de um equipamento que servindo de recurso didático nas aulas de
Eletromagnetismo venha a colaborar com o aprendizado de conceitos como magnetização,
susceptibilidade e histerese. Dsta forma se pode favorecer a aprendizagem dos estudantes com
relação a estes assuntos que são em geral de dificil compreensão, visto o grau de abstração
matemática necessário para a formulação deste conhecimento. Utilizando um dispositivo deste
em aula os estudantes poderão ter acesso a situações concretas, antes discutidas apenas
teoricamente.
A construção não se trata de muita complexidade, e todo o desenvolvimento se deve a
materiais de baixo custo tornando assim um recurso didático de fácil acesso. Apresentamos ao
final um dos gráficos que foram produzidos à partir da coleta dos dados realizados pelo
dispositivo construído.
Figura 4: Curva de Histerese para Amostra TH-50 apenas no primeiro quadrante
Conforme se percebe na Figura 4, os valores observados para o campo densidade
magnética induzida B correspondem aos valores estimados na tabela de características da
amostra fornecida pelo fabricante.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALMEIDA, F. A. (2003). Estudos Numérico de Modelos de Magnetismo Itinerante no
Espaço dos Momentos. Monografia de graduação do curso de Física Bacharelado - UFS .
BAIBICH, M. N., BROTO, J. M., FERT, A., NGUYEN VAN DAU, F., PETROFF, F., &
ETIENNE, P. (1988). Phys. Rev. Lett.
CARNEIRO, A. A., TOUSO, A. T., & BAFFA, O. (2003). Avaliação da Susceptibilidade
Magnética Usando uma Balança Analítica. Quim. Nova , 26, pp.952-956.
CAVALCANTE, M. A.; TAVOLARO, C. R. C.; MOLISANI, E. Física com Arduino para
iniciantes. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 4, 4503. São Paulo, 2011.
CEHN, C. W. (1977). Magnetism and Metallurgy of Soft Magnetic Materials. North
Holland: Dover.
CULLITY, B. D. (1972). Introduction to Magnetic Materials. Philippines: Addison-Wesley
Publishing Company.
CULLITY, B. D., & GRANHAM, C. D. (2011). Introduction to Magnetic Materials (2ª
ed.). John Wiley & Sons.
Day Brasil. (2010). Day Brasil. Acessado em 10 de Outubro de 2012,
<http://www.daybrasil.com.br/Site2010/produto/Default.aspx?IDProduto=429>
DORNELES, P. F. T.; ARAUJO, I. S.; VEIT, E. A. Integração entre Atividades
Computacionais e Experimentais como Recurso Instrucional no Ensino de
Eletromagnetismo em Física Geral. Revista Ciência & Educação, v. 18, n. 1, p. 99-122, 2012.
DUNLOP, D. J. (1997). Özden Özdemir – Rock Magnetism, Fundamentals and Frontiers.
Cambridge University Press.
ELLIOTT, R. S. (1988, Maio). The History of Electromagnetics as Hertz Would Have
Know It. IEEE Transactions on microwave theory and tecniques , 36, pp. 806-823.
HALL, E. H. (1879). On a New Action of the Magnet on Electric Currents. American
Journal of Mathematics , 2, p. 287.
Honeywell. (2008). Efect sensig and aplication Honeywell. Acessado em Setembro de 2012,
from Honeywell Sensing: www.honeywell.com/sensing
Incoplast. (2012). Incoplasta, Nylon. Acessado em 10 de Outubro de 2012, from
<http://www.incomplast.com.br/materiais/nylon.htm>.
JAAKKOLA, T.; NURMI, S. Fostering elementary school students’understanding of
simple electricity by combining simulation and laboratory activities. Journal of Computer
Assisted Learning, Oxford, v. 24, n. 4, p. 271-283, 2008.
LANDAU, L., & LIFSHITZ, E. (1985). Física Teórica. Moscou: Editora Mir.
LUCIANO, A. P. G. A Utilização da Robótica Educacional com a Plataforma Arduino:
uma Contribuição para o Ensino de Física. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em
Educação para a Ciência e a Matemática – PCM) – Universidade Estadual de Maringá, Maringá,
2014.
MACHADO, K. D. (2002). Teoria do Eletromagnetismo (Vol. 2). Ponta Grossa: Ed UEPG.
NOVAK, M. A. (2000). Introdução ao Magnetismo. Instituto de Física, UFRJ.
RODRIGUEZ, G. J. (1998). O Porquê de Estudarmos os Materiais Magnéticos. Revista
Brasileira de Ensino de Física , 20 (4), pp. 305-315-320.
SOCIEDADE BRASILEIRA DE FISICA. (1990). A Física no Brasil na Próxima Década,
Física da Matéria Condensada. USP, São Paulo.
SOUZA, A. R. de; PAIXÃO, A. C.; UZÊDA, D. D.; DIAS, M. A.; DUARTE, S.; AMORIM,
H. S. de. A placa Arduino: uma opção de baixo custo para experiências de física assistidas
pelo PC. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 1, 1702. São Paulo, 2011.
Steel Companyce. (2010). Acessado em 10 de Outubro de 2012,
<http://www.steelcompanyce.com.br/celeron.html>
Thornton. (2008). Thornton. Acessado em Setembro 2012, from http://www.thornton.com.br
TIPLER, P. A., & MOSCA, G. (2006). Física (5ª ed., Vol. 2). Rio de Janeiro: LTC.
ZACHARIA, Z. C. Comparing and combining real and virtual experimentation: an effort
to enhance students’ conceptual understanding of electric circuits. Journal of Computer
Assisted Learning, Oxford, v. 23, n. 2, p. 83-169, 2007.
DEVELOPMENT EQUIPMENT FOR MEASUREMENT OF
PROPERTIES MAGNETIC, USING ARDUINO AND HALL EFFECT
SENSORS
Abstract: With the current technological revolution electromagnetic devices has become
increasingly necessary. Its applications range from memory devices, semiconductor to medical
purposes such as testing and handling of drugs within the body. The equipment capable of
measuring magnetic field and classify materials as their magnetic characteristics, besides
being difficult to purchase, the cost is high. It is necessary to develop educational resources
that can be widely used for the purpose of presenting to students of exact sciences such
enhancements in order to allow technology and cutting edge science are also discussed in the
educational environment area. Based on literature were established basic parameters of
electric fields, magnetic and electromagnetic. It also established the types of materials for their
magnetic classification. To solve the problem of measuring fields and classify materials
according to their behavior when subjected to electromagnetic fields built a device to measure
the level of hysteresis materials, with reduced cost, the equipment was based on Hall effect
sensors commercials. The interface between the sensors and the user is made using an Arduino
Uno. The data acquired is given by calculating the mean values and graphing. We established
baseline purchased mathematically and compared with values obtained experimentally. By
analyzing the charts was possible to verify the linearity of the device, which showed satisfactory
results.
Key-words: Histeresimeter, magnetometer, Hall Effect, Arduino, Physics Teaching.