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Levitação Magnética

Prof. Luiz Ferraz Netto
leo@feiradeciencias.com.br

Apresentação
Manter um corpo suspenso no ar, sem qualquer apoio aparente, como que desafiando a lei da gravidade, é reconhecido como fenômeno de levitação. Muitos mágicos fazem isso, mantendo escondido o necessário "apoio". Sem esse apoio, visível ou não, um corpo material não poderá levitar. Esse "apoio", necessariamente, deverá aplicar no corpo suspenso uma força, vertical para cima, suficientemente intensa para equilibrar o peso do corpo. Em se tratando de corpo extenso a estabilidade de equilíbrio também deve se analisada.

Um exemplo simples de levitação, com apoio quase invisível, é manter uma bolinha de aço suspensa por uma fina linha de pesca. A força aplicada pela linha sobre a esfera equilibra o peso da esfera. A resultante das forças externas sobre ela (peso e tração) é nula. Se a esfera está em repouso, permanecerá em repouso; se está em movimento, manterá sua velocidade vetorial constante (Primeira Lei de Newton).

Levitações dessa espécie não são excepcionalmente atrativas, a menos que o corpo suspenso seja o de uma mulher e o mágico passe um aro envolvendo o corpo (para "mostrar" que não há fios). Ai passa a ser um bom truque circense (cujo segredo o mágico não irá contar). Não confunda mágico com místico, não confunda uma arte valorosa desses abnegados profissionais, com os enganadores da ingenuidade popular.

As forças de apoio sobre o corpo suspenso, equilibrando seu peso, só podem pertencer a duas categorias:
1) ou são de contato (como é o caso do fio sobre a esfera, o caso do ar sobre um balão --- empuxo de Arquimedes ---, o caso do ar sobre as pás em movimento do rotor do helicóptero etc.).
2) ou provenientes da ação de campos sobre alguma grandeza associada ao corpo suspenso. São exemplos simples dessa segunda categoria os ímãs suspensos sob a ação de outros ímãs (campo magnético criado por um agindo sobre a massa ferromagnética do outro, e vice-versa), gotículas eletrizada mergulhada em campo elétrico (experiência de Millikan --- o campo elétrico uniforme gerado entre duas placas eletrizadas age sobre as cargas elétricas das gotículas mantendo-as em levitação) etc.

Algumas situações de levitação, para espectadores ainda em fase de sua educação científica, podem parecer realmente misteriosas pelo fato de não "enxergarem" de onde vem a força equilibrante para o corpo suspenso. O perigo nessa fase é 'descambar' para o misticismo enganador ou para explicações dadas por pseudo-ciências.
É uma dessas situações que propomos nesse projeto científico.

Material
Disco de alumínio com espessura cerca de 2 mm e diâmetro de 25 a 30 cm; um motor elétrico universal de baixa potência (1/8 H.P.), uma rígida base de madeira, uma vareta de guarda-chuva, um ímã cilíndrico pequeno (retirado de um alto falante), um contrapeso, suporte e cola. Opcional: um controle eletrônico de velocidade de rotação do motor (ver texto).

Na Sala 03 há um trabalho que engloba "12 Experimentos em 1" e, entre eles, está o equipamento adequado para a Levitação Magnética; clicar no destaque acima para dirigir-se a esse trabalho.

Montagem
1) Fixe o motor sobre a base rígida de madeira. Cuide para que o eixo do motor, assim fixado, fique rigorosamente na vertical. Esse motor poderá ser acionado diretamente pela rede elétrica domiciliar (110 ou 220 V, dependendo da região geográfica) no caso de motores AC ou alimentado por pilhas e bateria, no caso de motores DC (em geral disponíveis para as tensões de 3,0 V, 6,0 V, 9,0 V ou 12 V).

Um motor de indução retirado de um ventilador já posto fora de ação servirá perfeitamente. Motores universais (com escovas) para 110 ou 220 V, com potência de 1/8 e ¼ de H.P., estão disponíveis no comércio e são os indicados para trabalhos em laboratório, principalmente se dotados de reguladores eletrônicos de velocidade (sem perda de torque). Um projeto para controle eletrônico de velocidades, dimmer com TRIAC, é posto pelo autor, à disposição dos navegantes, em nossa Sala 03.

Esse projeto acompanha o Gerador Eletrostático de Van De Graaff, para regular a velocidade do motor no ponto ótimo de funcionamento. Mesmo que projetos de eletrônica não pertençam à grade curricular do aluno nas redes de ensino oficiais e particulares, sua montagem é recomendada. A meu ver, um projeto em Feira de Ciências não necessita estar perfeitamente enquadrado dentro de uma das matérias lecionadas. Cada projeto é uma aventura, é um estímulo ao aprendizado.

Motores utilizados em automóveis, tal como o motor do limpador de pára-brisa (disponível gratuitamente em muitas oficinas de auto elétrico por estarem com os contatos de inversão danificados) com toda a parte do redutor de velocidade retirada, também satisfazem plenamente ao projeto.

2) Fixe o disco, pelo orifício em seu centro, ao eixo do motor. Parafuso de "cabeça chata" dá excelente fixação e não fica saliente no plano do disco. Cuide para que o disco fique bem balanceado para que não ocorram vibrações indesejáveis.

3) Cole o pequeno ímã de alnico (alumínio - níquel - cobalto) proveniente de um alto falante ou microfone dinâmico já fora de uso, na extremidade de um dos braços de uma "balança" (feita com uma vareta de guarda-chuva). O contrapeso CP deve ser tal que possa ser deslocado ao longo do outro braço da balança, permitindo obter equilíbrio do ímã.

O equilíbrio perfeito não é necessário e é até bom que a vareta fique ligeiramente inclinada, com o ímã abaixo do nível do CP. A vareta de guarda-chuva já trás consigo a "dobradiça" bem sensível que faz o papel de "fulcro" nessa balança. Outras montagens podem ser pensadas. Essa é uma sugestão.

4) Coloque o ímã sobre o disco de alumínio, a cerca de 3 cm da borda, como se ilustra.

Procedimento
Ligue o motor. Com o progressivo aumento da rotação, o ímã, que até então ficava raspando sobre o disco, começara a levitar. Com boa velocidade de rotação o ímã se manterá suspenso cerca de 5 ou 6 cm acima do disco. Com o dedo, tente (suavemente) apertar o ímã contra o disco. Note a força que você terá que exercer para conseguir isso!

De onde vem essa força que afasta o ímã do disco de alumínio (que poderia também ser de latão, bronze, cobre etc.)? O alumínio não é material ferromagnético --- não torna-se ímã, por indução, na presença de outro ímã. Será que a rotação faz o alumínio tornar-se um "repelente" de campos magnéticos? De certo modo, sim. Vamos às explicações.

Explicando
A repulsão que nasce entre a pequena região do disco abaixo do ímã e o ímã suspenso é de origem eletromagnética. Um sólido conceito posto pelo eletromagnetismo é o da indução eletromagnética (regido pela lei de Faraday) o qual justificará a corrente elétrica que passa a circular nessa pequena região do disco. O sentido da corrente elétrica que se origina será dado pela notável "lei do contra", a Lei de Lenz.

O ímã do projeto produz seu campo de indução magnética, em cada ponto caracterizado por seu vetor B. Tal campo pode ser visualizado pela tradicional técnica da aspergir limalha de ferro sobre uma lâmina de vidro, estando o ímã sob a lâmina. Sua representação é feita pela técnica das linhas de indução. O número efetivo de linhas de indução que atravessa uma pequena superfície de área A denomina-se fluxo de indução (Ø) através de A. É a grandeza escalar Ø definida em função da intensidade de B, da área A e da orientação dessa área com respeito à orientação do campo. Se tal área permanecer perpendicular à direção do campo, o fluxo de indução vem dado por:       

Ø = |B|.A

A lei de Faraday explica que, se o contorno dessa superfície é um condutor elétrico, qualquer variação do fluxo magnético através dela, dá como conseqüência uma força eletromotriz induzida (f.e.m.). Em particular, se esse contorno condutor é fechado, essa f.e.m. dará nascimento a uma corrente elétrica. E é isso que ocorre em nosso projeto. O imã produz o campo de indução magnética o qual define um fluxo através de pequena área de alumínio no disco. Com o disco parado o fluxo através dessa área permanece constante e nenhuma f.e.m. é induzida --- não há corrente elétrica circulando nessa porção de alumínio. Entretanto, com o disco em rotação ocorrerá uma permanente troca de área sob o ímã, o que ocasiona uma variação permanente de fluxo; isso faz surgir uma f.e.m. que, por sua vez, dá nascimento a uma corrente elétrica na massa condutora dessa área útil. Correntes elétricas, por sua vez, criam campos magnéticos ... a região sob o ímã torna-se, também, um ímã.

A lei de Lenz, a famosa lei do contra, diz que: o sentido dessa corrente induzida é tal que, por seus efeitos, opõe-se à causa que a produz. Desse modo, se a face do ímã fixo à balancinha, aquela que quer se aproximar do disco, é um SUL, a corrente induzida produz na região do disco uma face SUL, para impedir a aproximação do SUL. Daí a repulsão que mantém o ímã em levitação. Simples aplicação do eletromagnetismo. Para detalhes e figuras ilustrativas das leis de Faraday e Lenz, recomenda-se recorrer aos livros didáticos de Física do 3º ano do ensino médio.

Eis outra montagem do projeto, usando um motor de indução de ventilador:


Ainda nessa Sala 13, no mesmo tema "Levitação", veja o funcionamento do "LEVITRON"; o pião que levita.


Nota: Com satisfação recebo de consulentes do Feira de Ciências, mensagens nas quais relatam os sucessos obtidos em suas Feiras Escolares com a utilização dos temas aqui abordados. Dessa feita fui brindado pelo grupo de alunos da ETAM ( Escola Técnica do Arsenal da Marinha). Tal grupo, formado por Diego Dias, Guilherme Chaves, Tiago Cazuza, Natália Cavalcanti, Vinícius Oliveira, Leandro Ramos, Shirley Kátia e José Vitor enviou-me as fotos de sua montagem; vejam que beleza! À esquerda, motor desligado, à direita, motor ligado.

 


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