aplicações do eletromagnetismo

APLICAÇÕES DO ELETROMAGNETISMO
O assunto do eletromagnetismo é muito vasto, e seu estudo possibilita o entendimento
de uma variedade de instrumentos e coisas que fazem parte do nosso cotidiano como,
por exemplo, o funcionamento da campainha elétrica, os motores elétricos, o
funcionamento dos galvanômetros analógicos, o funcionamento das usinas
hidroelétricas, os transformadores de tensão, os cartões magnéticos, os aceleradores de
partículas, entre muitos outros. Na área da medicina moderna, o eletromagnetismo está
aplicado nos diagnósticos por imagem, os quais são feitos através da ressonância
nuclear.
EXEMPLOS:
- RESSONANCIA MAGNETICA
O conceito básico
O design básico da maioria dos aparelhos é quase um cubo gigante. O cubo de um
aparelho comum deve ter 2 m de altura x 2 m de largura x 3 m de comprimento, embora
os modelos mais novos estejam ficando cada vez menores. Há um tubo horizontal que
atravessa o magneto (ímã) da parte dianteira até a traseira. Esse tubo é uma espécie de
vão do magneto. O paciente, deitado de costas, desliza para dentro do vão por meio de
uma mesa especial. Assim que a parte do corpo que deve ser examinada atinge o centro
exato
ou
isocentro
do
campo
magnético,
o
exame
começa.
Foto
cedida
NASA
Um aparelho de ressonância
Em conjunto com os pulsos de energia das ondas de radio, o aparelho pode selecionar
um ponto bem pequeno dentro do corpo do paciente e perguntar a ele, "Que tipo de
tecido você é?" O ponto pode ser um cubo com lados de meio milímetro. O aparelho de
ressonância percorre cada ponto do corpo do paciente, construindo um mapa em 2-D ou
3-D dos tipos de tecido. Então, ele junta todas essas informações para criar imagens em
2-D ou modelos em 3-D.
Foto
cedida
NASA
Essa imagem mostra o crescimento do tumor em um cérebro feminino, cortado aqui em
vista lateral
Mas a verdade é que esse exame fornece uma visão sem igual do interior do corpo
humano. O nível de detalhes que podemos ver é extraordinário quando comparado com
qualquer outro tipo de exame de imagens. A ressonância magnética é o método
preferido para o diagnóstico de muitos tipos de traumas e doenças devido à sua incrível
capacidade de personalizar o exame de acordo com o problema médico específico. Ao
modificar os parâmetros dos exames, o aparelho de ressonância pode fazer com que
tecidos do corpo apareçam de maneiras diferentes. E isso é muito útil para que o
radiologista (que lê o exame) determine se algo visto é normal ou não. Se sabemos que
ao fazer "A", o tecido normal terá a aparência "B", e se isso não acontecer, pode haver
alguma anomalia.
Os magnetos
Há 3 tipos básicos de magnetos que são usados em sistemas de ressonância magnética.



Os magnetos resistivos consistem em muitas voltas de fios enrolados ao redor de
um cilindro por onde passa uma corrente elétrica. Isso gera um campo
magnético. Se a eletricidade for desligada, o campo magnético também se
desliga. Esses magnetos são mais baratos de construir do que um supercondutor,
mas requerem grandes quantidades de eletricidade (até 50 quilowatts) para
operar devido à resistência natural no fio. Para fazer esse tipo de magneto operar
acima do nível de 0,3 tesla seria extremamente caro.
Já um magneto permanente é o que o nome diz: permanente. Seu campo
magnético sempre está presente e com força total, o que significa que não se
gasta nada para manter o campo. A principal desvantagem é que são pesados
demais: pesam muitas toneladas no nível de 0,4 tesla. Um campo mais forte
precisaria de um magneto tão pesado que seria difícil construí-lo. E embora esse
tipo de magneto esteja ficando cada vez menor, ainda está limitado a campos
com pouca intensidade.
Os magnetos supercondutores são os mais utilizados. Um magneto
supercondutor é um pouco semelhante a um magneto resistivo: ele é feito
de enrolamentos de fios pelos quais passa uma corrente elétrica que cria o
campo magnético. A diferença importante é que o fio é continuamente banhado
em hélio líquido a uma temperatura de -233,5° C. Esse frio quase inimaginável
faz com que a resistência no fio caia a zero, reduzindo dramaticamente a
necessidade elétrica do sistema e tornando muito mais econômica sua operação.
Os sistemas supercondutores ainda são muito caros, mas podem facilmente gerar
campos que vão de 0,5 tesla a 2,0 tesla, gerando imagens de qualidade muito
melhor.
Entendendo a tecnologia
- Átomos
O corpo humano é composto por bilhões de átomos, os tijolos fundamentais de todo o
tipo de matéria. O núcleo de um átomo gira sobre um eixo. Imagine o núcleo de um
átomo como um pião que gira em algum ponto fora do seu eixo vertical.
Um pião girando levemente fora do eixo vertical realiza um
movimento de precessão
Um átomo de hidrogênio em precessão sob influência de um
campo magnético
Imagine bilhões de núcleos, todos girando em todas as direções. Há muitos tipos
diferentes de átomos no corpo, mas para os propósitos da ressonância magnética, os que
importam são os átomos de hidrogênio. Ele é um átomo ideal para a ressonância
magnética porque seu núcleo tem somente um próton e um elevado momento
magnético. O alto momento magnético significa que, ao ser colocado em um campo
magnético, o átomo de hidrogênio tem uma forte tendência em se alinhar com a direção
do campo.
Dentro do vão do equipamento, o campo magnético passa diretamente pelo centro do
tubo em que colocamos o paciente. Isto significa que se um paciente estiver deitado lá,
os prótons de hidrogênio do seu corpo irão se alinhar na direção dos pés ou da cabeça. A
grande maioria desses prótons vai se anular, ou seja, para cada um alinhado na direção
dos pés, haverá um na direção da cabeça para anulá-lo. Apenas uns poucos prótons em
cada milhão não são anulados. Isto pode não parecer muito, mas o valor total de átomos
de hidrogênio no corpo vai nos dar exatamente o que precisamos para criar imagens
maravilhosas.
Todos os prótons de hidrogênio vão se alinhar com o campo
magnético em um dos dois sentidos. A grande maioria acaba
se anulando, mas, como mostramos aqui, em qualquer
amostra sempre há um ou dois prótons "extras".
Dentro do campo magnético, esses bilhões de prótons "extras" ficam alinhados e
prontos.
- RF (radiofrequência)
O aparelho de ressonância magnética usa pulsos de RF (radiofrequência) direcionados
somente ao hidrogênio. O aparelho direciona esse pulso para a área do corpo que
queremos examinar. E ele faz com que os prótons naquela área absorvam a energia
necessária para fazê-los girar em uma direção diferente. E é a essa parte que se refere à
palavra "ressonância" do termo ressonância magnética. O pulso de RF força os prótons
a girar em uma frequência e direção específicas. A frequência específica de ressonância
é chamada de frequência de Larmour e é calculada com base no tecido cuja imagem vai
ser gerada e na intensidade do campo magnético principal.
Geralmente, estes pulsos de RF são aplicados através de uma bobina. Quase que ao
mesmo tempo, os três magnetos gradientes entram em ação. Eles são organizados de tal
maneira dentro do magneto principal que ao serem ligados e desligados rapidamente e
de maneiras determinadas, alteram o campo magnético principal em um nível bem
localizado. E isto significa que podemos selecionar a área exata da qual queremos uma
imagem. Em termos técnicos, chamamos essas áreas de "fatias". Imagine um pedaço de
pão com fatias de largura menor que alguns milímetros. As porções da ressonância
magnética têm esse nível de precisão. É possível "fatiar" qualquer parte do corpo em
qualquer direção, dando uma grande vantagem sobre qualquer outro tipo de exame de
imagens. E, além disso, não é preciso mover o aparelho para obter uma imagem de uma
direção diferente, pois ele pode manipular tudo com os magnetos gradientes.
Quando o pulso de RF é desligado, os prótons de hidrogênio começam a retornar
lentamente aos seus alinhamentos naturais dentro do campo magnético e liberam o
excesso de energia armazenada. Ao fazer isso, eles emitem um sinal que a bobina
recebe e envia para o computador. Esses dados matemáticos são convertidos por meio
de uma transformada de Fourier, em uma imagem que podemos colocar em um filme. E
é por isso que falamos tanto que este é um exame de "imagens".
Visualização
A maioria dos exames de imagem usa contraste injetável, ou corante, em certos
procedimentos. E o exame que estamos estudando não é diferente. O que é diferente é o
tipo de contraste utilizado, como ele funciona e o motivo de sua utilização.
O contraste funciona alterando o campo magnético local do tecido que está sendo
examinado. Tecido normal e anormal não irão reagir da mesma maneira a essa pequena
alteração e criarão sinais diferentes. Estes sinais variantes são transferidos para as
imagens, permitindo que visualizemos vários tipos de anomalias nos tecidos e processos
de doenças melhor do que veríamos sem o contraste.
- UM ELETROÍMÃ
Um eletroímã começa com uma pilha ou bateria (ou alguma outra fonte de energia) e
um fio. O que a pilha produz são os elétrons.
Se você olhar qualquer pilha D (uma pilha de lanterna, por exemplo), dá para ver que
há duas extremidades, uma marcada com um sinal de mais (+) e outra marcada com o
sinal de menos (-). Os elétrons estão agrupados na extremidade negativa da pilha
e, podem fluir para a extremidade positiva, com o auxílio de um fio. Se você conectar
um fio diretamente entre os terminais positivo e negativo de uma pilha, três coisas irão
acontecer:
1. os elétrons irão fluir do lado negativo da pilha até o lado positivo o mais rápido
que puderem;
2. a pilha irá descarregar bem rápido (em questão de minutos). Por esse motivo,
não costuma ser uma boa ideia conectar os 2 terminais de uma pilha diretamente
um ao outro, normalmente, você conecta algum tipo de carga no meio do fio.
Essa carga pode ser um motor, uma lâmpada, um rádio;
3. um pequeno campo magnético é gerado no fio. É esse pequeno campo
magnético que é a base de um eletroímã.
A bobina
A figura abaixo mostra o formato do campo magnético ao redor do fio. Nessa figura,
imagine que você cortou o fio e está olhando para ele a partir de sua ponta. O círculo
verde na figura é o corte transversal do fio. Um campo magnético circular se desenvolve
ao redor do fio, como mostrado pelas linhas circulares na ilustração abaixo. As linhas de
campo ficam mais afastadas umas das outras conforme se distanciam do fio (ou seja, o
campo fica mais fraco).
Campo magnético de um fio
Devido ao fato de que o campo magnético ao redor de um fio é circular e perpendicular
a ele, uma maneira fácil de amplificar esse campo magnético é enrolar o fio como uma
bobina, como mostrado abaixo:
Campo magnético de uma volta
Por exemplo, se você enrolar o seu fio ao redor de um prego 10 vezes (10 espiras),
conectar o fio à pilha e trazer uma extremidade do prego perto da bússola, você vai
descobrir que ele exerce um efeito muito maior sobre a bússola. Na verdade, o prego se
comporta da mesma maneira que um ímã em barra.
Um eletroímã simples
No entanto, o ímã existe somente quando houver corrente fluindo da pilha.
Você acabou de criar um eletroímã e vai descobrir que este ímã tem a capacidade de
içar pequenos objetos de aço como clipes de papel, grampos e tachinhas.
Este é o mesmo principio usado na construção de grandes eletroímãs, como os usados
em ferros-velhos para separar o lixo do metal.
- IMPRESSORAS LASER
O processo de impressão começa antes mesmo de o papel ser puxado para dentro da
impressora. Antes de fazer qualquer coisa, a impressora carrega a imagem em sua
memória e processa as partes que necessitam de cor e as que serão deixadas em branco.
Internamente, a impressora carrega (através de um dispositivo chamado de "fio de
corona") um cilindro fotorreceptor com carga (energia eletrostática) positiva.
Logo em seguida o laser da impressora começa a atuar - isso sem sequer ter puxado o
papel. O laser irá descarregar certas partes do cilindro, para que a figura, ou texto, que
será impresso fique desenhado no cilindro. Até o momento não temos nada de tinta,
apenas
uma
imagem
eletrostática.
Quando toda a página já está gravada no cilindro, ele é coberto pelo toner. Como o toner
tem carga positiva, ele adere às áreas negativas do cilindro - ou seja, onde o laser
marcou os pontos. Para entender melhor, é como se você pegasse um rolo de macarrão e
passasse manteiga em alguns pontos e depois rolasse sobre a farinha. Onde houver
manteiga,
a
farinha
fica
"colada".
Então, com o toner fixado sobre seu corpo, o cilindro rola sobre a folha de papel, que se
movimenta sobre uma cinta abaixo dele. Antes de entrar na cinta, o papel recebe uma
carga negativa de eletricidade. Como ela é maior que a imagem eletrostática, o papel
"puxa" o toner para si conforme o cilindro gira. Para que o toner não seja atraído de
volta para o cilindro, o papel é "descarregado" imediatamente após ficar com o toner.
Finalmente o papel passa por um fusor, dispositivo que emite calor para fundir o toner
com as fibras do papel. É por isso que, quando o papel chega à bandeja de saída da
impressora, ele sempre está quente.
A temperatura para fusão é bem alta, e o papel só não pega fogo por causa da
velocidade com que passa pelo fusor. Depois que o toner fica no papel, uma lâmpada de
descarga aplica uma luz muito intensa sobre o cilindro para apagar a imagem que estava
gravada. Em seguida, ele recebe novamente uma carga elétrica positiva para a próxima
impressão.
Depois de saber o conceito, fica mais fácil de entender o funcionamento com a imagem a
seguir:
Um
longo
processo
dependente
da
energia
eletrostática
- PROPULSÃO ELETROMAGNÉTICA EM FOGUETES
Durante décadas, o único meio de se viajar pelo espaço eram os motores de foguete que
funcionam com propulsão química. Agora, no início do século 21, os engenheiros
aeroespaciais estão desenvolvendo novas formas de ir ao espaço, incluindo propulsão
por luz, propulsão por fusão nuclear e propulsão por antimatéria. Também está sendo
proposto um novo tipo de espaçonave que não precisa de qualquer propelente. Esse tipo
de espaçonave, que seria lançado ao espaço por eletromagnetos, poderia nos levar mais
longe do que qualquer outro.
Quando resfriado a temperaturas extremamente baixas, os eletromagnetos demonstram
um comportamento incomum: nos nanossegundos iniciais após a eletricidade ser
aplicada a eles, vibram. David Goodwin, um gerente de programas no Departamento de
Energia dos EUA Office of High Energy and Nuclear Physics (Administração de Alta
Energia e de Física Nuclear), propôs que se essa vibração puder ser orientada para uma
direção, ela pode fornecer empuxo suficiente para enviar uma espaçonave mais longe e
mais rápido no espaço do que qualquer outro método de propulsão em desenvolvimento.
funcionamento
O núcleo do sistema é um eletromagneto tipo solenóide,
super-resfriado e uma placa de metal que provoca uma
assimetria no campo magnético
Durante os primeiros 100 nanossegundos (bilionésimos de segundo) de aumento de
energização de um eletromagneto, ele está em um estado não equilibrado que o
permite pulsar muito rapidamente. Depois que o campo magnético se estabelece, o
eletromagneto atinge um estado de equilíbrio e não ocorrem mais pulsos. Goodwin
descreve o eletromagneto que ele está usado como um solenóide que é basicamente um
fio magnético supercondutor enrolado em volta de um cilindro de metal. Toda a
estrutura terá um diâmetro de 30,5 cm, altura de 91,4 cm e peso de 25 kg. O fio usado
nesse sistema de propulsão é uma liga de nióbio e estanho. Diversas dessas cordoalhas
de fios serão enroladas como um cabo. Esse eletromagneto é então super-resfriado com
hélio líquido até 4 graus Kelvin (-452,47ºF ou -269,15ºC).
Para que o magneto vibre, é necessário que se provoque uma assimetria no campo
magnético. Goodwin planeja introduzir deliberadamente uma placa de metal no campo
magnético para aumentar o movimento vibratório. Essa placa seria feita com cobre,
alumínio ou ferro. As placas de cobre e alumínio são melhores condutoras e produzem
um efeito maior sobre o campo magnético. A placa seria carregada e isolada do sistema
para criar a assimetria. Então, a eletricidade da placa seria drenada em alguns
microssegundos (milionésimos de segundo) antes que o magneto pudesse oscilar na
direção oposta.
Importante para o sistema é o interruptor de estado sólido que controlaria a eletricidade
que é enviada da fonte de alimentação para o eletromagneto. Basicamente, esse
interruptor ligaria e desligaria o eletromagneto 400.000 vezes por segundo. Um
interruptor de estado sólido se parece com um chip de computador com tamanho maior
do que o normal. Sua tarefa é pegar a energia que está em estado de equilíbrio e
convertê-la em um pulso de alta potência e muito rápido, de 400.000 vezes por segundo
a 30 amps e 9.000 volts.
O Departamento de Energia dos EUA também está trabalhando em planos para um
reator nuclear espacial para a NASA. Goodwin acredita que esse reator possa ser usado
para gerar energia para o sistema de propulsão eletromagnética.
O reator gerará energia por meio do processo de fissão nuclear induzida, que gera
energia dividindo átomos (como átomos de urânio 235). Quando um átomo é dividido,
ele libera grande quantidade de calor e radiação gama. Uma libra, ou 450 gramas, de
urânio altamente enriquecido, como o usado em um reator nuclear de submarino ou em
um porta-aviões nuclear, tem energia equivalente a 3,8 milhões de litros de gasolina.
450 gramas de urânio tem o tamanho de uma bola de beisebol, de modo que pode gerar
energia para uma espaçonave por logos períodos de tempo sem ocupar muito espaço.
Esse tipo de espaçonave propelida eletromagneticamente por energia nuclear seria capaz
de atravessar grandes distâncias.
"Você não pode ir até a estrela mais próxima, mas pode executar missões até a
heliopausa", disse Goodwin. "Se funcionar muito bem, atingirá velocidades de até 1%
da velocidade da luz. Mesmo a essa velocidade, levaria centenas de anos para atingir a
estrela mais próxima, o que ainda não é prático".
A heliopausa é o ponto em que o vento solar do sol se encontra com o vento solar
interestelar gerado por outras estrelas. Ela fica a cerca de 200 unidades astronômicas
(UA) do Sol (o local exato da heliopausa é desconhecido). Uma UA é igual à distância
média do Sol à Terra, ou cerca de 150 milhões de km.
Para mover pessoas, teria que ser construído um dispositivo muito maior, mas o
propulsor eletromagnético de 30,5 cm de diâmetro, 91,4 cm de altura pode levar uma
pequena sonda não tripulada a distâncias muito grandes. O sistema é muito eficiente, de
acordo com Goodwin e gera muita potência por meio de um supercondutor. O problema
é saber se os cientistas conseguem converter essa potência em propulsão sem destruir o
magneto. É provável que as vibrações muito rápidas levem o magneto ao limite de sua
resistência.
Bibliografia

TECMUNDO – Como funciona uma impressora a laser
http://www.tecmundo.com.br/infografico/3066-como-funciona-uma-impressora-a-laser.htm#ixzz2AX8P9osX

HOW STUFF WORKS
http://saude.hsw.uol.com.br/ressonancia-magnetica.htm
http://ciencia.hsw.uol.com.br/propulsao-eletromagnetica.htm
http://ciencia.hsw.uol.com.br/eletroimas.htm