Eletroimã e suas Aplicações

14 julho 2006

Brain Storm

O que é um eletroimã?
De que material é feito um eletroímã?
Como é construído um eletroímã?
Qual tipo de material pode ser atraído por um eletroímã?
A força de atração do eletroímã é proporcional à corrente ligada a ele?
O eletroímã é uma peça muito pesada?
O custo para se fazer um eletroímã é alto?.....
Onde o eletroímã pode ser usado?
O tamanho da bobina interfere no eletroímã?
O raio da bobina interfere no eletroímã?
Para quê ele foi inventado?
O número de voltas de um fio sobre a bobina interfere no eletroímã?
O campo magnético é mais forte com mais ou menos voltas sobre a bobina?
Existe algum limite para o número de voltas sobre o fio, em que a partir desse número de voltas, o campo não irá se alterar mais?
Existe uma força limite para a força do eletroímã? Quando ela ocorre (se existir)?
Como surgiu a idéia de eletroímã?

O Eletroimã

O que é um Eletroímã?

Quando a eletricidade flui através de um fio, um
campo magnético é produzido. A maioria dos
eletroímãs é composta de fio enrolado ao redor de
um centro feito de ferro ou aço. Aqui está um
exemplo que utilizamos na Experiência de
Relaxação Magnética.
O fio é enrolado ao redor de um clipe de papel
endireitado e é fixado a uma extremidade da
bateria. Quando a extremidade solta do fio é tocada com a outra extremidade da bateria, a
eletricidade flui através do fio e o clipe de papel fica magnetizado.
Isso ocorre porque os átomos de ferro no clipe de papel são dispostos em aglomerados,
conhecidos como domínios. Estes são como pequenos ímãs, cada um com um pólo norte e um
pólo sul. Eles normalmente são desordenados e apontam em todas as direções, de forma que seus
campos magnéticos cancelam uns aos outros. Quando todos os domínios estão alinhados na
mesma direção, o pedaço de metal é um ímã. Quando a eletricidade flui através de um fio que está
enrolado em volta do clipe de papel, os domínio se alinham.
Outro tipo de ímã é o ímã permanente, como aqueles que você gruda na geladeira. O ímã
permanente é feito de ferro ou outro material ferromagnético, como níquel ou cobalto. Os domínios
se alinham quando o ímã é produzido, e assim permanecem.



Como Construímos e Testamos Nosso Eletroímã


Seguramos uma extremidade do fio contra o parafuso, com alguns
centímetros saindo pelas laterais. A próxima etapa foi enrolar o fio
no parafuso em camadas, indo para a frente e para trás até que o
comprimento de 250cm fosse quase todo utilizado, exceto por
alguns centímetros.
Enrolamos as duas extremidades livres juntas. Utilizando um
desencapador de fios, removemos cerca de 2cm de isolamento de
cada extremidade do fio. É possível utilizar uma faca no lugar do
descascador de fio.
Podíamos ter utilizado um fio esmaltado em vez disso. O esmalte é
um tipo de tinta que isola o fio, da mesma forma que o plástico. O
esmalte pode ser removido das extremidades do fio com uma lixa.
-
Para utilizar o eletroímã, seguramos as extremidades da bobina do
fio contra a bateria e levantamos alguns clipes de papel. Esse
eletroímã levantou 21 clipes de papel. Foram os mesmos clipes de
papel que utilizamos para o Desafio do Barco de Argila.
Pesamos os clipes e determinamos que, em média, cada um pesava
0,52g. Assim, nosso eletroímã levantou 10,92g - nada muito
impressionante.

Dicas
Há vários fatores que afetam a força de um eletroímã. Aqui estão algumas coisas a se considerar
quando for projetar e construir o seu:


Quanto mais voltas tiver o fio, mais forte será o campo magnético.
Você está limitado a 250cm de fio. Você provavelmente deve utilizar tudo isso. O número que
você consegue a partir de um determinado comprimento de fio é afetado pela forma como você
o enrola.

Quanto maior for o diâmetro da bobina, mais forte será o campo magnético.
Porém, já que você está limitado a um comprimento fixo de fio, aumentar o diâmetro da bobina
significará menos voltas.


O comprimento da bobina afeta a força do eletroímã.
Se o comprimento da bobina for igual ao raio, então aumentá-lo ainda mais reduzirá a força do
eletroímã. A relação entre raio e comprimento fica complicada. O Especialista SEED Ramon
Hernandez dá sua explicação sobre como o raio e o comprimento de uma bobina
eletromagnética afetam sua força.


Quanto mais corrente o eletroímã atrair, mais forte será o campo magnético.
Já que fixamos a voltagem em 1,5v, a resistência da bobina determina a quantidade de corrente
que ela atrairá. De acordo com a Lei de Ohm: I = V / R onde I é corrente, V é tensão (voltagem)
e R é resistência. Quanto mais fino o fio, maior sua resistência.


A quantidade de corrente que o eletroímã atrai pode de fato ser menor do que a
determinada pela Lei de Ohm.
O limite adicional é a fonte de energia, que tem uma corrente máxima que é capaz de fornecer.
Nem todas as baterias de 1,5v são iguais nesse sentido. Uma pilha tamanho D tem uma
capacidade maior que uma pilha AAA. Da mesma forma, há vários tipos diferentes de bateria
do mesmo tamanho. Nós utilizamos uma pilha alcalina. Existem também baterias baratas de
carbono e zinco, e uma variedade de tipos recarregáveis, incluindo Níquel-Cádmio. Finalmente,
uma bateria nova tem maior capacidade que uma que está sendo utilizada há algum tempo.

*Como o raio e o comprimento de uma bobina eletromagnética afetam sua
força
Tamanho da bobina: raio
A indução magnética no centro de uma extremidade de um longo solenóide com enrolamentos de
articulação é:
A força do imã será proporcional à energia armazenada no campo magnético:
Note que as expressões da direita só são verdadeiras para um solenóide com l > r.
A partir da equação acima vemos que a energia é proporcional ao raio ao quadrado,
indicando que quanto maior o raio, maior a energia. Porém, temos um determinado comprimento
de fio magnético e, quanto maior o raio, menor o número de voltas. Na realidade:
E substituindo N na equação de energia:
Como podemos ver, o raio ao quadrado no numerador cancela o raio ao quadrado no
denominador.
Conclusão: Dado o comprimento limitado do fio magnético, o campo de energia e,
conseqüentemente, a força do imã, é razoavelmente independente do raio da bobina. Um formato
redondo é preferível, já que oferece uma seção transversal máxima com um perímetro mínimo.

Tamanho da bobina: comprimento
Vemos na equação de energia que o comprimento da bobina está no denominador, e isso pode nos
levar a acreditar erroneamente que, quanto menor a bobina, melhor. Mas lembre-se da
aproximação que fizemos no cálculo de energia, sobre a bobina ser muito maior que seu diâmetro.
Se nos referirmos à primeira parte da equação de energia veremos que é proporcional à
indução magnética B. Portanto, devemos dimensionar nossa bobina para maximizar B.
Na expressão para B na última página vemos que o comprimento l está no denominador, mas esse
comprimento define também o ângulo . Para l muito pequeno e aumentando, aumentará
proporcionalmente a l, cancelando o efeito do comprimento da bobina no denominador. Conforme
aumenta para mais de 45º, o co-seno aumentará mais lentamente, e B diminuirá.
É difícil analisar esses fatores. É aqui que o desenho da bobina se torna uma arte. Um modelo de
elemento finito permitirá mudar o comprimento para razão de raio e observar onde está a energia
máxima. Como regra geral, eu sugeriria tentar empacotar a bobina em um comprimento de cerca
de uma ou duas vezes o raio e ver qual produz maior força. (Em l = r, a intensidade do campo
ainda é 70% do máximo.) Empacotar a bobina em mais de uma camada aumentará seu diâmetro
efetivo, mas aumentará as voltas por comprimento unitário.