quinta-feira, 22 de novembro de 2012


INTRODUÇÃO:
Os eletroímãs são constituídos por uma barra de ferro, ao redor da qual é enrolado um condutor. Quando passa corrente pelo condutor, ela produz um campo magnético; e a barra de ferro, ficando em um campo magnético, se imanta. Podemos saber onde aparece o polo norte aplicando, por exemplo, a regra dos saca-rolhas.


O uso de eletroímãs oferece várias vantagens:
  • se quisermos inverter os polos, basta invertermos o sentido da corrente;
  • é somente a imantação por corrente elétrica que nos fornece ímãs muito possantes;
  • podemos usar uma barra de ferro doce (ferro puro), que tem a propriedade de só se imantar enquanto estiver passando a corrente; e se neutraliza logo que a corrente é desligada. Assim, temos um ímã que só funciona quando queremos. (Nota: o aço, ao contrário, permanece imantado mesmo quando cessa a causa da imantação).

Os eletroímãs, em geral, não têm forma de barra, mas a forma de U, indicada na figura acima. Em uma peça n de ferro doce, se enrolam duas bobinas, B e  ; os seus enrolamentos são postos em série e de tal forma que a corrente que passe por elas produza campo no mesmo sentido. Em geral, têm também uma peça de ferro doce  que é atraída pelos polos quando o eletroímã funciona. A peça n é chamada núcleo; a peça a é chamada armadura.
Os eletroímãs têm inúmeras aplicações, desde em instalações delicadas, como telégrafos, telefones e campainhas, até em grandes instalações industriais. Veremos, a seguir, exemplos de utilização de eletroímãs.
 
Consta de um eletroímã E, cuja armadura A tem uma extremidade presa a uma mola de aço flexível B e a outra extremidade a uma haste C que mantém na ponta uma esfera D. A mola B obriga a armadura a ficar em contato com uma placa metálica F. A corrente é fornecida por uma pilha P, ou pelo circuito que serve a uma residência. Quando se fecha a chave S a corrente segue o seguinte caminho: eletroímã, mola B, armadura A, placa F chave S e volta à pilha. Mas, logo que a corrente passa acontece o seguinte:
  • o eletroímã atrai a armadura; esta leva consegue a haste C, e a esfera D bate no tímpano T;
  • quando a armadura é atraída, ela se afasta da placa F e o circuito se abre;
  •  com o circuito aberto, cessa a atração sobre a armadura, e a mola B leva novamente a armadura em contato com F;
  • então o circuito se fecha, e tudo se repete. Assim, enquanto a chave S permanecer fechada, a esfera D alternadamente bate no tímpano e recua. Essa chave S é o que vulgarmente chamamos o “botão” da campainha; quando apertamos o botão, estamos fechando o circuito.

Aplicações do eletroímã:











Dissemos que um eletroímã tem um grande número de aplicações práticas, entre as quais já mencionamos o guindaste. Você estará analisando uma outra aplicação: o alarme contra ladrão (instalado em uma residência).
Descreveremos, a seguir, outras aplicações do eletroímã, de uso muito freqüente em nosso cotidiano:















  • Na figura ao acima está representado o circuito de uma campainha elétrica muito simples: L é uma lâmina de ferro flexível, e C é um contato que abre e fecha o circuito quando a lâmina se afasta dele ou encosta nele. Quando o circuito é fechado pelo interruptor I, a corrente no eletroímã faz com que L seja atraída, e o martelo M golpeia o tímpano T. Em virtude desse deslocamento de L, o circuito se interrompe em C e. O eletroímã perde imantação. A lâmina flexível L retorna a sua posição normal, estabelecendo o contato em C. Assim, o processo se repete e M golpeia T repetidas vezes enquanto o interruptor I estiver acionado.


  • O alto-falante é um dispositivo que produz som a partir de uma corrente elétrica variável que passa na bobina de um eletroímã. Esta bobina está presa à base de um cone de papelão e encaixada (com folga) em um ímã permanente. Quando a corrente alternada passa pela bobina do eletroímã, ela é sucessivamente atraída e repelida pelo ímã permanente. O cone acompanha essas vibrações da bobina, provocando compressões e rarefações no ar, que, como sabemos, constitui uma onda sonora.










  •  Em um receptor telefônico, o som que escutamos é produzido de maneira semelhante ao que ocorre em um alto-falante. Como podemos ver na figura, a corrente elétrica alternada variável (proveniente do telefone emissor), passando nas espiras de um eletroímã, faz com que uma fina lâmina de ferro seja atraída, por ele, sucessivas vezes. Como essa lâmina apresenta certa elasticidade, ela tende a voltar a sua posição normal sempre que se interrompe a atração do eletroímã. Por isso, a lâmina vibra rapidamente, dando origem às ondas sonoras no ar, que são transmitidas ao ouvido.
  • Uma aplicação do eletroímã na medicina é usada em hospitais especializados. Um poderoso eletroímã costuma ser usado para retirar pequenos pedaços de ferro ou aço que, acidentalmente, tenham atingido o olho de uma pessoa e ofereçam dificuldades para serem retirados por outro processo.


Curiosidades:
 Don Ingber desenvolveu uma máquina que usa um eletroímã para sugar bactérias do sangue. Em testes de laboratório, a equipe de Ingber misturou sangue de doador com o fungo Candida albicans, uma causa comum de sepsia, e adicionou peças de óxido de ferro com revestimento de plástico, cada uma com um diâmetro equivalente a um centésimo do de um fio de cabelo e coberta com anticorpos que procuram os fungos e se prendem a eles. Depois eles passaram a mistura em uma máquina que faz um tipo de diálise usando um eletroímã para puxar as peças e qualquer patogênico preso a elas do sangue para uma solução salina. O dispositivo remove 80% dos invasores – o suficiente para que drogas possam expulsar o resto – em algumas horas.
Ainda é preciso fazer testes em animais para se certificar de que isso não, ha, causa mortes, mas parece bem promissor. Se funcionar com essa bactéria, Ingber espera usar o processo para sugar células cancerosas do corpo.

Os eletroímãs nas campainhas elétricas e nas indústrias


Nas campainhas elétricas:
Ao cessar a passagem da corrente, o campo magnético do solenoide desaparece. Daí por que o eletroímã é um ímã temporário. Os eletroímãs têm muitas aplicações no dia a dia, como nas campainhas elétricas. No esquema de uma campainha elétrica percebe-se seu funcionamento. Com o circuito aberto, não passa corrente e o eletroímã não atua. Ao fechar o circuito com um aperto do botão, a corrente passa a circular por ele, acionando o eletroímã que atrai a vareta metálica que golpeia a campainha. Assim, o circuito se abre, cessa a atração e a vareta metálica volta à sua posição inicial, fechando novamente o circuito. O processo se repetirá enquanto o interruptor estiver apertado.

Nas indústrias:
Sem os eletroímãs não teríamos eletricidade! Até alguns engenheiros eletricistas não sabem, mas dentro da bobina do gerador se encontra um pequeno ímã, que devido à rotação da bobina o transforma em um grande eletroímã! Assim temos a corrente alternada, que é a corrente elétrica produzida por todas as usinas elétricas em todo nosso país.
E algumas empresas o eletroímã tem função fundamental na separação de sucatas. Ele consegue separar com precisão bronze, ferro, latão, entre outras utilidades, o eletroímã aparece também nos trens-bala e em toda tecnologia atual.
Eletroímãs são utilizados em outros tipos de serviços:
- Em pontes rolantes para transporte de peças de ferro e aço.
- Em separadores de metais ferrosos e não ferrosos,
nas esteiras transportadoras.
- Em eletromagnetos que servem de interruptores.
- Em comutadores elétricos.
- Em simples campainhas residenciais; e assim por diante, poderemos citar vários exemplos de utilização dos eletroímãs.


Experiência I: Eletroímã

Parte I

Introdução:
Uma bobina quando percorrida por corrente elétrica, constitui um ímã. Portanto, a corrente elétrica tem efeito magnético. Com esta experiência, vamos verificar se é possível aumentar esse efeito magnético sem alterar as características da bobina e sem variar a corrente elétrica. Aprenderemos também por que e como o efeito magnético da corrente elétrica é utilizado no transporte de metais (ferro e demais materiais ferromagnéticos).
O eletroímã é um dispositivo simples que torna evidente a interação entre corrente elétrica e magnetismo. É constituído de um fio isolado, enrolado em torno de uma barra de ferro chamada de núcleo.
A eletricidade pode ser usada para criar um eletroímã, que é na verdade um imã temporário. O eletroímã adquire as propriedades de um imã, mas somente quando a eletricidade passa através do fio nele enrolado. Essa é a grande vantagem do eletroímã sobre o ímã: ele pode ser "desligado" e soltar o material que estava "grudado".
Objetivos:

1. Construir um eletroímã.
2. Observar as forças de origem magnética produzidas a partir de corrente elétrica e compará-las com um ímã.
3. Comparar o efeito de uma mesma corrente elétrica em presença e ausência do núcleo ferromagnético.
4. Concluir que o núcleo intensifica o efeito magnético produzido por uma corrente elétrica.
Materiais utilizados:

1 prego de ferro com cerca de 10 cm
1 m de fio esmaltado de cobre 22 a 26 (ou, alternativamente, fio encapado)
2 pilhas grandes
1 bússola
1 lâmina de barbear ou estilete
Tachinhas / clipes / cobre / isopor / borracha / plástico (materiais diversos que podem ou não ser atraídos por um ímã)
Como se faz?

A- Raspe, com uma lâmina de barbear ou estilete, o esmalte de cerca de 2 cm das extremidades do fio de cobre, para possibilitar o contato elétrico.
B - Construa uma bobina, enrolando o fio de cobre no lápis. Dê cerca de 5 voltas, sempre no mesmo sentido. Deixe cerca de 20 cm livre em cada lado do fio. Em seguida, retire o lápis.













C- Aproxime a bússola da bobina, de modo que a agulha fique na posição perpendicular ao eixo da bobina.












D- Ligue as extremidades de um fio a uma pilha. Observe a agulha.
- A agulha da bússola mudou de posição?
Sim.

ATENÇÃO:
Liga-se o circuito apenas durante os instantes em que são feitas as observações.
CUIDADO
A pilha não deve permanecer ligada por mais de 5 segundos seguidos para não descarregar porque a corrente elétrica que percorre o circuito é muito alta, pois a pilha está em curto-circuito, o que faz com que ela seja consumida rapidamente, se o circuito permanecer ligado.
Além disso, durante a experiência, mantenha a pilha cerca de 15 cm da bússola porque o aço da blindagem da pilha tem propriedades magnéticas.
















E- Introduza um prego na bobina. Aproxime a bússola das extremidades do prego e ligue a pilha. Observe e desenhe.





























- Qual foi a diferença, com a inserção do prego?
Aumentou o desvio da bússola.
- Onde o desvio é maior: pela ponta ou através da cabeça do prego?
Através da cabeça do prego.

O que pode dar errado?
Se não houver problema de mau contato nas ligações ou da pilha estar muito gasta, esta experiência não apresenta maiores dificuldades.
O que se observa?
1. Quando passa corrente elétrica na bobina, a agulha da bússola muda de posição.
2. O conjunto prego-bobina aumenta o desvio da bússola.
3. Através da cabeça do prego, o desvio é maior.
Como funciona?
1. Quando a corrente elétrica passa por um fio gera um campo magnético.
2. A agulha sofre um desvio maior porque o efeito magnético da corrente elétrica aumenta quando se
introduz um prego na bobina.
3. A área maior da cabeça torna mais forte a atração.
Como se explica?
a. A eletricidade pode ser usada para criar um eletroímã ou um ímã temporário.
b. O eletroímã adquire as propriedades de um imã, somente quando a eletricidade passa através do fio nele enrolado.
c. Há 2 campos magnéticos: o criado pela corrente elétrica e a do prego que se magnetiza com a passagem da corrente elétrica. O campo magnético total é mais forte que antes. A função do prego é concentrar o campo magnético e torná-lo mais intenso.
d. A área maior da cabeça permitirá que um maior nº de linhas de campo magnético envolva o objeto a ser atraído. (É aconselhável o aluno fazer um esquema das linhas de campo magnético passando por dentro do ímã e saindo dos dois lados, e passando pelo objeto atraído).
O que se conclui?
a. A corrente elétrica cria campo magnético que atua sobre o imã.
b. O conjunto prego-bobina constitui um eletroímã.
c. Um eletroímã é constituído de um fio condutor (isolado eletricamente) enrolado (bobina) em torno de uma barra de ferro (prego), chamada núcleo.
d. O eletroímã intensifica o efeito magnético produzido por uma corrente elétrica.



Parte II - Uma aplicação do eletroímã: transporte de material magnetizável


Como se faz?
1. Agora, monte um eletroímã mais potente: dê 10 ou mais voltas. Você pode enrolar o fio de cobre diretamente no prego.























2. Aproxime um conjunto de alfinetes, tachinhas, clipes, cobre, isopor, borracha e plástico, de um dos extremos do eletroímã (a ponta do prego). Ligue o eletroímã à pilha. Agora, aproxime do outro extremo (a cabeça do prego).
- O que se observa?
Os materiais ferromagnéticos são atraídos pelas extremidades do prego.
- Onde a atração é maior: na ponta ou na cabeça do prego?
Na cabeça do prego.

3. Desligue o eletroímã da pilha. Observe o que acontece. Desenhe.
- Todos os matérias caíram?
Sim.
- Por quê?
O núcleo do seu eletroímã, ou seja, o prego, desmagnetizou-se no momento em que a corrente foi interrompida.
- O seu eletroímã é um ímã permanente ou temporário? Por quê?
Temporário. Porque desmagnetizou no instante em que a corrente elétrica deixa de passar pelo fio.

Dica:
É interessante suspender os objetos presos ao eletroímã ligado, para que, quando este for desligado, eles caiam.

4. Aumente o nº de voltas do fio em torno do prego para 30 e repita o procedimento B.

5. Agora, ligue 2 pilhas em série, prenda-as com fita crepe e repita o procedimento B.
O que se observa?
1. A agulha sofre uma deflexão maior ou menor.
2. Com o circuito ligado - o prego atrai, nas extremidades: tachinhas e clipes.
3. Desligado - os materiais atraídos caem.
4. Verificamos que quanto maior o nº de pilhas, maior é a atração porque quanto maior a intensidade da corrente elétrica maior é a atração. Quanto maior o nº de voltas maior a atração porque os campos magnéticos gerados por cada espira se somam.
Como funciona?
1. A deflexão da agulha da bússola depende da intensidade do fluxo magnético. Se enrolarmos um fio condutor ao redor de um prego, conseguimos efeitos magnéticos muito mais intensos do que se esse meio for um material que não seja ferromagnético como o ar (bobina oca).

2. Com o circuito ligado, o prego funciona como um imã, atraindo objetos de material ferromagnético, porque o prego alinha seus domínios magnéticos quando uma corrente elétrica passa pela bobina. Aparece na bobina e no prego um campo magnético: cria-se assim um imã temporário. Ligando as extremidades do fio aos pólos de uma pilha, estaremos fabricando um aparelho conhecido como eletroímã. Com ele é possível atrair objetos leves de ferro, aço, cobalto e níquel.

3. Desligado, ele deixa de ser imã: o campo magnético deixa de existir e o prego perde quase todo seu magnetismo. Em geral, mesmo desligado, o prego mantém uma pequena magnetização permanente que o permite atrair ainda pequenos objetos.
Como se explica?
a. O eletroímã consiste em uma bobina enrolada num núcleo de ferro (prego).
b. Quando uma corrente elétrica percorre uma espira ou várias espiras (bobina), gera um campo magnético no seu interior.
c. A intensidade desse campo magnético depende da corrente elétrica que percorre a bobina: do nº de voltas (espiras) e do meio envolvido pela bobina.
d. Se esse meio for um material que não seja ferromagnético, como o ar (bobina oca), madeira, cobre, alumínio, a intensidade do campo magnético gerado será pequena.
e. Se, entretanto, o meio for um material ferromagnético (ferro, cobalto, níquel ou ligas desses materiais, como o aço), a intensidade do campo magnético será muito maior.
O que se conclui?
a. Uma bobina qualquer funciona como um imã, quando percorrida por uma corrente elétrica. Uma bobina percorrida por eletricidade se comporta exatamente como um imã de barra. A bobina apresenta pólos magnéticos que também atraem os pólos existentes na agulha da bússola.

b. Qualquer pedaço de ferro, enrolado num pedaço de fio isolado, por onde passe corrente elétrica, pode ser considerado um eletroímã.
c. A força que um eletroímã pode aplicar em um corpo ferromagnético que se encontra a uma determinada distância, depende de 3 fatores:
- nº de voltas da bobina
- intensidade da corrente elétrica
- facilidade com que o material do núcleo se magnetiza e desmagnetiza:os melhores materiais para o núcleo são o ferro puro e o aço.
Aplicação Prática
Os eletroímãs têm diversas aplicações práticas, como a campainha, telégrafo, relé, gerador, rádio, telefone, alarme, computador, guindaste eletromagnético e motor elétrico, transporte de peças metálicas, seleção de materiais ferromagnéticos (grandes eletroímãs em ferros-velhos), e até para achar uma agulha perdida no chão, além de muitos outros aparelhos modernos de alta tecnologia.




Experiência II: Cigarra e campainha elétrica


Objetivo:

Aproveitaremos nessas experimentações o campo magnético produzido pela corrente elétrica. Propomos a construção de uma cigarra e de uma campainha elétrica. 

Inicialmente, enrole uma camada de fio de cobre esmaltado #22 ou #24, sobre um prego e teste a intensidade do campo magnético produzido. A seguir, em outro prego, enrole 5 camadas superpostas, espiras juntas, do mesmo fio. Teste o novo campo magnético. Essas experiências lhe permitiram que, quanto maior o número de voltas do fio sobre o núcleo (prego), maior será a intensidade do campo magnético. Essa montagem ilustramos abaixo:



























Uma cigarra caseira pode ser montada com esse último eletroímã (aquele com 5 camadas de fios sobrepostas). A e C são as extremidades do enrolamento do solenóide (5 camadas de fio de cobre #22 a #24). B é um pedaço de fio de cobre flexível que liga o fio de ferro (arame rígido) ao terminal E. Esse fio de ferro toca no grampo de latão que abraça a armadura feita de lata.

Cuidado! Nos esquemas as voltas do fio ao redor do núcleo não são reais assim, na figura (b) abaixo, apesar do desenho indicar apenas 5 voltas de fio ao redor do núcleo, o real são cinco camadas completas de voltas de fio (no caso, isso passa de 60 espiras de fio).



A campainha seguirá a seguinte linha de montagem:



Variante da campainha:
Atenção, isso é uma ilustração e, portanto, não vá pensar que o eletroímã consta de 6 ou 7 voltas de fio sobre o parafuso (como aparece na figura). O real são 6 ou 7 camadas de fio 22 ou 24 sobre esse parafuso.




Experiência III: Motor elétrico simples


Materiais utilizados:
  •  Pilha de 1,5V
  •  Suporte para pilha de 1,5V 
  •  Imã 
  •  Suporte de madeira ou plástico
  •  Fio esmaltado para motor
  •  Arames
  •  Pregos 

Resultado:






Exercícios de Fixação


1. O telefone é uma das aplicações de:
a) efeitos magnéticos da corrente elétrica;

b) efeitos químicos da corrente elétrica;
c) efeitos de correntes induzidas;
d) efeitos Joule da corrente elétrica;

2. Quebrando-se um ímã pela metade, vamos obter:
a) um ímã só com pólo norte e outro só com pólo sul;
b) dois ímãs só com pólo sul;
c) dois ímãs só com pólo norte;
d) dois ímãs iguais ao primeiro;

3. Quando aproximamos as pontas de dois ímãs;
a) sempre há atração;
b) sempre há repulsão;
c) não há atração e nem repulsão;
d) pode haver atração e repulsão;

4.
O telégrafo e a campainha apresentam em comum:
a) motor elétrico;
b) eletroímã;
c) retificador de corrente elétrica;
d) lâmpada elétrica;

5.
O funcionamento do motor elétrico se baseia:
a) na atração entre pólos de nomes contrários;
b) na atração entre pólos de igual nome;
c) na repulsão entre pólos de nomes contrários;
d) na repulsão entre pólos de igual nome;

6.
Um eletroímã difere de um ímã natural, porque:
a) é temporário e não pode ter sua polaridade invertida;
b) é permanente e pode ter sua polaridade invertida;
c) é temporário e pode ter sua polaridade invertida;
d) é permanente e não pode ter sua polaridade invertida;

7.
Substâncias que, naturalmente, apresentam capacidade magnética:
a) ferro, níquel e cobalto;
b) zinco, ferro e chumbo;
c) alumínio, prata e ferro;
d) chumbo, ferro e níquel;

8.
Região do espaço onde atua a atração de um ímã:
a) campo gravitacional;
b) campo polar;
c) campo magnético;
d) campo elétrico;

9.
Se aproximarmos o pólo sul de um ímã do pólo sul de outro ímã:
a) eles se atraem;
b) eles se repelem;
c) nada acontece;
d) eles se unem;

10.
Ímã natural é um fragmento de:
a) ferro doce;
b) magnetita;
c) magnésia;
d) aço;

11.
No pólo magnético norte da Terra uma agulha de inclinação:
a) se apresenta horizontal;
b) se apresenta vertical;
c) forma um ângulo agudo com o horizonte;
d) gira rapidamente;

12.
A transformação de energia mecânica para energia elétrica é realizada em:
a) motores elétricos;
b) transformadores;
c) eletroímãs;
d) dínamos e alternadores;

13.
Quando uma barra de ferro é magnetizada são:
a) acrescentados elétrons à barra;
b) retirados elétrons da barra;
c) acrescentados ímãs elementares à barra;
d) retirados ímãs elementares da barra;
e) ordenados os ímãs elementares da barra;