TEORIA EMPREGADA E MODELOS 3D

Objetivos do Projeto

O Projeto possui o objetivo geral de projetar e fabricar um trem magnético (maglev) do tipo inductrack, que se mova sobre um trilho plano de alumínio. Como objetivo adicional, as equipes devem planejar os trilhos e vagões do trem de forma que eles possam ser conectados, formando assim um grande trilho reto com alguns vagões.

Como objetivos específicos, o projeto visa a elaboração de Modelos 3d para o desenvolvimento do projeto, para que assim seja confeccionado o vagão do trem, construído os trilhos pelo qual o vagão irá se deslocar, e montado o circuito elétrico com as bobinas que serão responsáveis pelo deslocamento do trem, aplicando os conhecimentos adquiridos nas matérias teóricas de física.

O Eletromagnetismo

Eletromagnetismo é o ramo da Física que estuda a relação da eletricidade com o magnetismo. Essa teoria baseia-se no princípio de que cargas elétricas em movimento geram campo magnético e que a variação de fluxo magnético produz campo elétrico.

Figura 1. Campo Elétrico e Campo Magnético.
Fonte: Toda Matéria

Michael Faraday (1791-1867) descobriu os efeitos elétricos produzidos pelo magnetismo. Através desses efeitos, chamados de indução eletromagnética, ele explicou a natureza e as propriedades dos campos magnéticos.

Faraday também explicou que o campo magnético é produzido pelas cargas elétricas geradas a partir do atrito entre os corpos que, por sua vez, sofrem atração ou repulsão.

É o mesmo que dizer que é possível gerar energia movimentando um ímã próximo a um indutor ou um condutor. Esse movimento faz com que os elétrons se movimentem, resultando em tensão elétrica, ou energia eletromagnética. Isso acontece em decorrência da polaridade existente à matéria de qualquer corpo: carga positiva (próton), carga negativa (elétron) e carga neutra (nêutron). O local onde essa força está concentrada é chamado de campo elétrico.

A força das cargas elétricas é calculada através da Lei de Coulomb. Além dessa lei, o entendimento acerca do campo magnético desencadeou muitas descobertas referentes à eletricidade. Mas foi James Clark Maxwell (1831-1879) que conseguiu reunir o conhecimento existente acerca da eletricidade e do magnetismo.

Maxwell estudou o efeito de forma inversa àquela apresentada por Faraday. Assim, mostrando a variação do campo elétrico sob o campo magnético, propôs 4 equações, como é mostrado abaixo, chamadas equações de Maxwell, que estão inseridas no conceito de eletromagnetismo clássico.

Figura 2. As 4 equações de Maxwell.
Fonte: Responde Aí

O físico escocês mostrou a existência dos campos eletromagnéticos. Trata-se da concentração de cargas elétricas e magnéticas, as quais movimentam-se como ondas. Por esse motivo, são chamadas de ondas eletromagnéticas e propagam-se à velocidade da luz.

Campo magnético


Campo magnético é a região próxima a um ímã que influencia outros ímãs ou materiais ferromagnéticos e paramagnéticos, como cobalto e ferro. Ao comparar o campo gravitacional ou campo elétrico, será possível observar que todos estes têm as características equivalentes.

Também é possível definir um vetor que descreva este campo, chamado vetor indução magnética e simbolizado por . Por exemplo, se pudermos colocar uma pequena bússola em um ponto sob ação do campo o vetor  terá direção da reta em que a agulha se alinha e sentido para onde aponta o polo norte magnético da agulha.

Ao traçar todos os pontos onde há um vetor indução magnética associado veremos linhas que são chamadas linhas de indução do campo magnético, estas são orientados do polo norte em direção ao sul, e em cada ponto o vetor  tangencia estas linhas.

Figura 3. Campo Magnético.

Fonte: Só Física

As linhas de indução existem também no interior do ímã, portanto são linhas fechadas e sua orientação interna é do polo sul ao polo norte. Assim como as linhas de força, as linhas de indução não podem se cruzar e são mais densas onde o campo é mais intenso. 

Motores elétricos, transformadores, eletroímãs e outros equipamentos eletrônicos, são dispositivos que utilizam uma bobina de fio enrolado que cria um campo magnético com determinada finalidade. Dessa forma, a equação que representa a intensidade do campo magnético no centro da espira é:

                                                                                                             (1)

Onde:

μ = permeabilidade magnética do meio
i = intensidade de corrente elétrica (unidade Ampère A)
R = raio da espira (unidade metro m)

Força magnética

A Força magnética (Fm), também chamada de Força de Lorentz, é uma força que irá interagir com materiais ferromagneticos, apresenta características que atuam mesmo que os objetos não esteja em contato, tal como a força elétrica e gravitacional. A mesma força pode apresentar repulsão ou atração entre os corpos metálicos. 

O projeto "Trem MAGLEV" tem como base de sua criação as propriedades magnética, a mesma que foi idealizada em em 1900 com os americanos Robert Goddard e Emile Bachelet.

Para calcular a intensidade da força magnética utiliza-se a seguinte fórmula:

F = |q| v.B.sen(θ)

Onde,

F: força magnética

|q|: módulo da carga elétrica

v: velocidade da carga elétrica

B: campo magnético

sen θ: ângulo entre o vetor velocidade e o vetor campo magnético

Indução magnética

Antes de se descobrir sobre o fenômeno da indução, já se sabia que uma carga elétrica em movimento seria capaz de gerar um campo magnético, ou seja, um fenômeno elétrico poderia causar um fenômeno magnético. Michael Faraday então descobriu que o caminho inverso também ocorre: é possível, a partir de um fenômeno magnético, gerar um fenômeno elétrico.

Um dos experimentos que possibilitou tal descoberta foi aproximar um imã a uma espira de material condutor, ligada a um amperímetro. Percebeu-se que com a variação do campo magnético uma corrente era gerada na espira. No momento em que o campo magnético voltava a ser constante a corrente voltada a ser igual a zero. Ou seja, com a variação do campo magnético na espira houve uma corrente elétrica induzida, gerando também uma Força Eletromotriz Induzida.

A lei de Faraday-Lenz diz que a variação do campo magnético induz uma corrente elétrica e gera uma força eletromotriz induzida, e que um campo magnético induzido por uma corrente em um condutor se opõe à variação do fluxo elétrico no mesmo.

Arranjo de Hallback

O arranjo de Hallback é uma maneira de se organizar imãs lado a lado, de forma que os polos norte e sul desses imãs permanentes se alternem (Na imagem 1 a seguir, o vermelho corresponde ao polo norte e o verde o polo sul). 

Imagem 1: Arranjo de Hallback
Fonte: Wikipédia

O Arranjo de Hallback gera um campo magnético pequeno em um dos lados, e um campo maximizado no lado oposto, como pode ser visto com as linhas de campo da Imagem 2 abaixo.

Imagem 2: Linhas de campo de Hallback
Fonte: Wikipédia

Modelos 3d

Para a realização do projeto, foram primeiramente projetados modelos 3d de cada parte necessária para a sua confecção do mesmo, como podem ser vistos a seguir.

Figura 1: Modelo 3d finalizado do Trem
Fonte: Própria

Figura 2: Cotagem do trem
Fonte: Própria

Figura 3: Modelo 3d do trilho
Fonte: Própria

Para a construção dos trilhos, foi  considerada uma variação de temperatura de até 100ºC, como requisitado. Assim, foi deixada uma folga total de 1,4mm, de forma que houvesse uma junta de dilatação.

Referências

GOUVEIA, Rosimar. Eletromagnetismo. Todamatéria. Disponível em https://www.todamateria.com.br/eletromagnetis mo/ Acessado em 3 de abril de 2019.

MARQUES, Domiciano. A indução Eletromagnética.  Brasil Escola. Disponível em https://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-inducao-eletromagnetica.htm Acesso em 2 de abril de 2019.

MENDES, Mariane. Eletromagnetismo. Brasil Escola. Disponível em https://brasilescola.uol.com.br/fisica/eletromagne tismo.htm Acessado em 3 de abril de 2019.

MISU, Marcelo Mitsuo. Estudo da tecnologia Inductrack para estabilização de mancal magnético. Universidade Federal de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecância. Capinas, 2011.

Só Fisica. Campo Magnético. Virtuous Tecnologia da Informação, 2008-2019. Disponível em https://www.sofisica.  com.br/conteudos/Eletromagnetismo/CampoMagnetico/campo.php Acessado em 4 de abril de 2019.