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Eletroímã em ferradura

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br

Objetivo
Eis um projeto experimental que serve tanto para estudar o eletromagnetismo a partir da corrente elétrica fornecida por simples pilhas, como para as demonstrações em feiras de ciências e, de quebra, até para a 'pescaria' de componentes ferromagnéticos de difícil acesso. Descreveremos nesse trabalho, um simples eletroímã em forma de ferradura, alimentado por uma ou mais pilhas comuns.

Os eletroímãs encontram utilidades práticas muito interessantes, mesmo os de pequenas dimensões, construídos com finalidades inicialmente experimentais ou para as Feiras . Um eletroímã pequeno pode servir para içar objetos de metal que tenham caído em locais inacessíveis. Puxando-o, de modo a arrastá-lo do fundo de um rio ou lagoa, você pode “pescar” objetos de metal perdidos ou pode construir um modelo de guindaste usando do eletroímã para elevar 'cargas ferromagnéticas' (arruelas, parafusos, pregos etc.).

Em demonstrações no laboratório (ensino médio) o professor pode mostrar de que modo uma corrente elétrica cria um campo magnético e como este campo pode ser usado para içar objetos de metal. No ensino superior as análises serão bem mais profundas, estendendo-se desde o material do núcleo, suas dimensões, o número de espiras, a intensidade da corrente, a armadura do eletroímã, o entreferro e finalizando com os cálculos da intensidade de campo, do fluxo magnético no núcleo , da indução magnética e da força portante (com entreferro desprezível e a seguir, com certa distância entre armadura e faces polares do núcleo).

O eletroímã que descrevemos se caracteriza pela sua simplicidade, podendo ser construído com material obtido em qualquer parte.

Resumo teórico
Quando uma corrente elétrica percorre um fio condutor é gerado, em sua volta, um campo magnético. Este campo que envolve o fio foi evidenciado por Oerstedt, na Dinamarca, em 1820.
Para um condutor simples o campo magnético é muito fraco, atuando de maneira sensível a partir de uma pilha ou bateria somente sobre uma agulha magnetizada. No entanto, conforme ilustramos a seguir, podemos obter um campo magnético muito intenso se enrolarmos o fio de modo a formar uma bobina.

O campo se concentrará no interior desta bobina, atraindo para seu interior objetos ferrosos como por exemplo ferro, aço, certas ligas etc.

Um objeto de metal ferroso (ferro-silício, por exemplo) que seja colocado no interior desta bobina (núcleo) concentrará as linhas de força do campo magnético tornando o conjunto (bobina + núcleo), temporariamente, um imã. Dizemos temporariamente porque o magnetismo só existirá nesse especial núcleo enquanto circular a corrente elétrica. Se ela for desligada a corrente, cessará a atração desse conjunto (bobina + núcleo de ferro) sobre os objetos ferromagnéticos. Isso nos leva à possibilidade de construir "ímãs" que só atraem objetos sob a ação da corrente elétrica, diferentemente dos ímãs permanentes. Teremos então os chamados eletroímãs.

A força de atração de um eletroímã (denominada força portante) sobre uma peça ferromagnética (denominada armadura) depende de vários fatores, entre os quais citamos: a intensidade da corrente, o número de espiras das bobinas, o comprimento do ferro do núcleo, a seção desse núcleo, o entreferro entre núcleo e armadura (espaço livre existente entre eles) etc.. Os dois fatores básicos, corrente e número de espiras, têm limitações. Se a corrente for muito intensa é gerado calor (por efeito Joule) e a bobina pode “queimar”. Por outro lado, se tivermos muitas espiras, o fio será longo e terá uma resistência que influirá na corrente, reduzindo-a. O valor ideal para a corrente e número de voltas depende de um projeto bem feito; aliás, todo eletroímã requer um projeto bem feito.

Os eletroímãs podem ter diversos formatos, conforme ilustramos acima. Observe que os pólos, que são as regiões de maior atração, podem variar de posição. O tipo em ferradura, que descrevemos, é interessante porque pode atrair o mesmo objeto, pelos dois pólos, ao mesmo tempo, fechando assim o circuito magnético e prendendo-o firmemente. Eis seu visual:

Montagem
Para alimentar o eletroímã usaremos a corrente continua obtida a partir de uma ou duas pilhas grandes, ou então de uma fonte de alimentação de corrente continua de 3V. Na ilustração a seguir, à esquerda, temos o diagrama do circuito que deve ser utilizado. O aspecto real da montagem é ilustrado à direita.

O núcleo do nosso eletroímã é construído dobrando-se, em forma de "U" ou de ferradura, um parafuso, prego grande ou mesmo um ferro de construção com no máximo 1/4 de polegada de diâmetro ou aproximadamente 0,6cm. O protótipo do autor foi feito com ferro de construção de 1/4" e comprimento de 9 cm; cada perna do núcleo ficou com 3,5 cm de extensão.
Para fixar em cada perna do núcleo a posição do fio que será enrolado, podemos usar duas arruelas de metal ou mesmo fazê-las com papelão grosso. A altura que deve ter a bobina (altura do enrolamento do fio), e que determina a separação das arruelas, é de 1 a 1,5cm.

Coladas estas arruelas podemos fazer o enrolamento com fio esmaltado, cuja espessura deve estar entre 28 a 30 AWG. Esse fio de cobre esmaltado pode ser obtido a partir de velhos transformadores.

Para saber qual é a espessura do fio existe um procedimento simples. Enrole o fio num lápis, de modo que as espiras fiquem juntas, lado a lado, como ilustramos. Em seguida, conte quantas espiras existem em 1cm de enrolamento. Se tal número estiver entre 28 e 35 o fio pode ser usado.

Depois, enrole o fio, com 400 a 1000 voltas em cada bobina. Quando terminar as espiras de uma bobina, ao passar para a outra, faça-o em sentido contrário (veja ilustração na figura antes daquela do lápis). Se isso não for feito o campo de um enrolamento cancelará o do outro e seu eletroímã não funcionará. Uma boa alternativa, para não errar, é enrolar as bobinas separadamente, deixando as extremidades dos fios com cerca de 10 cm cada; depois fica fácil liga-las em série e concordância para que o eletroímã fique com seus dois pólos ativos N e S.

As pontas dos fios, depois de terminado o enrolamento, devem ser raspadas para que a fina camada de esmalte isolante seja removida e possa ocorrer o contato elétrico. Feito isso, é só fazer a ligação ao interruptor geral e ao suporte das pilhas. O eletroímã estará então pronto para os testes de funcionamento.

Testando e Utilizando
Ligue a unidade, acionando o interruptor geral. Aproximando o ímã de pequenos objetos de metal, tais como alfinetes, tachinhas, pregos, parafusos, alicates, limas, tesouras etc., estes deverão ser atraídos. Desligando a alimentação a atração deve cessar.

Não será preciso observar a polaridade na ligação da pilhas. Por outro lado, não se recomenda deixar o eletroímã ligado por muito tempo, pois seu consumo de corrente é um pouco elevado, o que significa um desgaste rápido para as pilhas (devido a isso, sempre é recomendável a fonte de alimentação a partir da rede elétrica domiciliar).

Se não houver atração ao ligar a chave, verifique se os extremos do fio esmaltado estão realmente bem raspados ou então se a ligação entre as duas bobinas não está feita de modo errado. Um pequeno aquecimento do eletroímã depois de algum tempo de funcionamento é normal.

Material

Bob.1 e Bob.2 --- bobinas --- ver texto acima.
S1 --- interruptor simples.
B1 --- 1,5 ou 3,0 V --- 1 ou 2 pilhas grandes ou fonte de alimentação.
Diversos: fio de cobre esmaltado, núcleo de ferro de construção, fio comum de ligação, arruelas etc.

 


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