Dúvida sobre o “trem” elétrico com imãs dentro de um enrolamento de cobre

5 de dezembro, 2014 às 10:42 | Postado em Eletricidade, Eletromagnetismo, Magnetismo, Mecânica

Oi  Fernando Lang da Silveira  dá uma olhadinha nesta brincadeira. Se o fio não fosse esmaltado eu ate pensaria no funcionamento mas como o circuito esta aberto….. Heeeeee   — se sentindo confuso.

http://toyland.gizmodo.com/make-a-simple-electric-toy-train-with-magnets-wire-an-1665122923/all

Este “trem” é possível desde que o fio de cobre não seja esmaltado, seja de cobre vivo. Os ímãs de neodímio-ferro-boro “grudados” à plilha estão encapsulados em um invólucro metálico brilhante e condutor. Assim sendo estes invólucros permitem fechar o circuito entre os dois polos da pilha ao entrarem em contato com o condutor de cobre na região ENTRE os dois ímãs.

Portanto, quando os ímãs tocam o condutor de cobre, acontece uma corrente elétrica confinada ao pequeno trecho do enrolamento que envolve a pilha e os ímãs.

Vejamos agora como se comportam os imãs em presença da indução magnética produzida pela corrente no enrolamento. Dependendo da polaridade dos ímãs grudados na pilha ambos podem sofrer força magnética no mesmo sentido. No caso da figura abaixo ambos os ímãs sofrem força magnética para a esquerda devido à corrente i no enrolamento.

Como os dois imãs estão solidários à pilha, o sistema pilha-ímãs, caso a força magnética total seja suficientemente grande para vencer as resistências mecânicas, se moverá no sentido das forças magnéticas, que é o que vemos no vídeo. Quando a pilha é arrastada, a distribuição espacial da corrente no enrolamento acompanha a pilha, garantindo que a força magnética continue a existir sobre a pilha.

A conservação de energia obviamente não é violada pois a energia eletroquímica da pilha dimuiirá enquanto o “trem” ganha energia mecânica ou simplesmente trabalha contra as forças de resistência. Este dispositivo nada mais é do que um motor elétrico de translação.

É importante notar que um ímã em presença de campo magnético apenas sofrerá uma força magnética resultante não nula se o campo magnético que se lhe aplica NÃO for uniforme. Desta forma, o “trem” funciona porque apenas uma pequena parte do enrolamento é alimentado com corrente, exatamente a parte que interessa para manter a força magnética.

Caso todo o enrolamento fosse alimentado com corrente, o efeito interessante de arrastamento do “trem” somente existiria próximo às extremidades do enrolamento pois lá dentro se estabeleceria um campo magnético praticamente uniforme. imãs, dipolos magnéticos, em presença de campo magnético uniforme sofrem um binário de forças com resultante nula; apenas o torque do binário pode não ser nulo então.

Realmente o “trem” é um brinquedo genial, com muita Física envolvida. Um problema teórico interessante diz respeito à velocidade máxima atingida pelo “trem” na ausência de resistências mecânicas ao seu movimento. Esta está limitada pela ocorrência de fem induzida na bobina, em oposição à fem da pilha. Aí entra também a Lei da Faraday-Lenz!

Um colega e amigo já me confirmou ter feito o experimento do vídeo com sucesso.

Tudo o que está escrito acima foi postado em 05/12/2014. Em 16/03/2015 tive conhecimento de um novo vídeo sobre o “trem”: https://www.youtube.com/watch?v=Y1MDOerruDU

O interessante deste vídeo é que quando o “trem” corre sobre as bobinas é perceptível que ele também gira! Este efeito está relaciionado ao MOTOR HOMOPOLAR: http://en.wikipedia.org/wiki/Homopolar_motor

http://www.ifi.unicamp.br/~assis/motor-de-Ampere.pdf

http://www.ifi.unicamp.br/~assis/Am-J-Phys-V80-p990-995(2012).pdf

“Docendo discimus.” (Sêneca)

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Comentários no Facebook

Luís Cláudio Gouveia Rocha  – Excelente explicação, professor! Existe algum canto em que eu possa ler sobre o problema da velocidade máxima do trem? A Eletrodinâmica básica que eu aprendi no ensino médio já está meio enferrujada, não acho que consigo pensar o problema todo por mim mesmo, haha.

 Fernando Lang da Silveira  -Certamente o cálculo da velocidade do trem, mesmo em ausência de atrito NÃO é trivial. Motores elétricos em geral têm velocidade máxima decorrente da competição entre a fem da fonte e a fem autoinduzida (contra fem) no motor! Ou seja, a Lei da Faraday-Lenz é crucial para entendermos o que limita a velocidade de um motor. É razoavelmente simples o entendimento qualitativo do problema mas calcular é outra história.

Fernando Lang da Silveira – Alguns motores como os de indução tem sua velocidade angular máxima definida pela rapidez de rotação do campo magnético girante. O campo magnético girante é uma invenção de Tesla como pode ler em nosso artigo:

Motor elétrico de indução: “uma das dez maiores invenções de todos os tempos” disponível no ResearchGate.

 Fernando Lang da Silveira – Vide o motor de indução em https://www.youtube.com/watch?v=uVNehiUl4lY

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