Levitação magnética, Trabalhos de Direito

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FACULDADE ASSIS GURGACZ

AUGUSTO RODRIGUES

HAMILTON JOSÉ DA SILVA SENA

RAMON MARTINI

ROBSON JOSUÉ MOLGARO

LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

CASCAVEL

FACULDADE ASSIS GURGACZ

AUGUSTO RODRIGUES

HAMILTON JOSÉ DA SILVA SENA

RAMON MARTINI

ROBSON MOLGARO

LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

Trabalho apresentado à disciplina de Eletromagnetismo II, do curso de Engª. de Controle e Automação e Engª. de Telecomunicações - FAG, como requisito a obtenção de nota parcial na disciplina. Professor (a): Denise CASCAVEL 2009 SUMÁRIO

INTRODUÇÃO

Provavelmente o interesse da humanidade pelo magnetismo tenha começado há milhares de anos, quando o homem conheceu o poder dos ímãs sobre certos materiais. De lá para cá, vários novos fenômenos foram descobertos, explicados e muitos se transformaram em equipamentos que tornaram nossa vida muito mais cômoda. Fenômenos como a levitação magnética, estão aos poucos revelando aplicações inovadoras, que prometem revolucionar, entre outros, o setor dos transportes. Diante disso, o objetivo desse trabalho é apresentar um estudo sobre as tecnologias que possibilitam a levitação de um corpo através da aplicação de fenômenos magnéticos. Para tanto se apresentam dispostos alguns aspectos teóricos relativos a tal tecnologia, aspectos estes que são fundamentais para a compreensão dos fenômenos relacionados, seguidos de explanação breve sobre as formas de se obter a levitação de um corpo e posterior apresentação de várias aplicações envolvendo tal fenômeno.

1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

As primeiras descobertas surgiram a partir da análise do comportamento de algumas pedras encontradas na região de Magnésia na Grécia, feitas por Tales de Mileto no século V a.C. O experimento científico aconteceu em 1600, quando William Gilbert, esfregou um pedaço de âmbar (resina fóssil de origem vegetal) com a pele de animal, podiam-se atrair pedaços de papel. Já Gilbert associou esse comportamento ao dos imãs. Criou o versorium (uma fina vareta que se move sobre uma base quando se coloca perto da mesma um objeto eletrificado pelo atrito) para provar que existe uma força provocada por um campo magnético. Benjamim Franklin um inventor descobriu a Jarra da Leyden (um condensador rudimentar), quando empinou uma pipa em plena tempestade, um raio percorreu essa linha e parou em um dispositivo que podia conter essas descargas elétricas, mas com o tempo ela ia se dissipando. Michael Faraday, inventor concluiu que eletricidade e magnetismo fazem parte do mesmo fenômeno, pois ele conseguiu utilizar os experimentos citados acima e usar essa energia para algumas finalidades, assim concluindo que sem o magnetismo não haveria luz nem universo, pois o eletromagnetismo (magnetismo) é uma das quatro forças que regem o nosso universo. 1.1. DIAMAGNETISMO Diamagnetismo é um tipo de magnetismo característico de materiais que se alinham em um campo magnético não uniforme, e que em partes expelem de sua parte interna o campo magnético, aonde estão localizadas, alguns elementos e quase todos os compostos exibem magnetismo “negativo”, ou seja todas as substâncias são diamagnéticas, e o forte campo magnético externo pode acelerar ou desacelerar os elétrons dos átomos, que é uma forma de se opor a ação do campo externo de acordo com a lei de LENZ a qual afirma que a corrente induzida em um circuito aparece sempre com um sentido tal que o campo magnético que o mesmo cria tende a contrariar a variação do fluxo magnético através da espira. O

1.3. LEI DE LENZ

Heinrinch Friedrich Lenz, um físico russo criou uma regra, chamada lei de Lenz a qual serve para determinar qual o sentido da corrente que percorre uma espira condutora fechada, devido a certa indução. Segundo Almeida (2003, p.3) Lenz dizia que “Quando um fluxo magnético variável atravessar uma espira fechada aparecerá uma corrente na espira que se oporá à variação de fluxo que a produziu”. 1.4. SUPERCONDUTORES Ao falarmos de supercondutores, Lasup (2008, p.1) afirma que “A supercondutividade é o desaparecimento total da resistência elétrica de um material, abaixo de uma temperatura crítica, geralmente baixa, e característica do material”. Ao analisarmos a condução de corrente, podemos concluir que os portadores de eletricidade são os elétrons livres, o movimento desses elétrons torna-se aleatório a partir do momento em que estão em equilíbrio e sem a atuação de um campo elétrico, e esses elétrons se deslocam tanto em um determinado sentido como no sentido oposto, onde não existe corrente. Quando há a incidência de um campo elétrico quebra uma simetria entre os elétrons e a corrente elétrica se forma através do excesso de elétrons em um determinado sentido, as vibrações térmicas se manifestam e limitam o deslocamento dos elétrons, que por sua vez limita o fluxo de carga toda vez que o campo está ativo e anula a corrente elétrica quando o campo está desativado (LASUP, 2008). Para Lasup (2008), quanto menor for a temperatura neste condutor, teremos menos vibrações térmicas, resultando na diminuição da resistência elétrica, quando atingimos o zero absoluto a resistência deveria desaparecer pois as agitações térmicas param, mas isso somente para cristais perfeitos, os cristais não perfeitos tem impurezas em sua superfície e por esse motivo não desaparece totalmente a resistência, mas tende a zero. Temos vários materiais supercondutores que com uma temperatura abaixo de 10 K (Kelvin) se tornam supercondutores como o

cádmio, o zinco, estrôncio, chumbo entre outros, também foram descobertos materiais orgânicos que se tornam supercondutores a baixas temperaturas, e esses supercondutores não são apenas condutores perfeitos, também possuem a propriedade de expulsar os campos magnéticos em seu interior, dando origem a um fenômeno chamado efeito Meissner. Em 1986 foram descobertos supercondutores a temperaturas que os cientistas chamam de “altas”, em torno de menos duzentos e quarenta graus Celsius como os materiais cerâmicos tipo a porcelana, que normalmente são isolantes. 1.5. EFEITO MEISSNER Pode ser definido a partir do fenômeno de corrente induzida na presença de um campo magnético. A partir do momento em que a temperatura desce abaixo da temperatura crítica são geradas correntes que produzem um campo magnético o qual anula o campo externo no interior do supercondutor, expulsando o fluxo do campo externo, essa expulsão só ocorre quando os supercondutores são homogêneos, que são chamados de supercondutores do tipo “I”, que acontece quando o material é arrefecido abaixo da temperatura crítica, em repouso e na presença de um campo magnético externo, que pode ser gerado por um eletroímã, ao retirar o campo externo implica no estabelecimento de uma super corrente que contraria a variação deste campo fazendo com que possa equilibrar o peso do supercondutor como mostra a Figura 1 abaixo (LASUP, 2008).

contrários, essa força de repulsão gerada faz com que o material possa levitar quando a mesma for maior que o peso do material, levando em consideração que o campo induzido em um material diamagnético é muito pequeno, é necessário um campo magnético externo enorme para ocorrer a levitação

2. TIPOS DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

Atualmente utilizam-se os princípios da levitação magnética em uma vasta gama de aplicações. Com a tecnologia existente, pode-se levitar corpos através de quatro métodos distintos, a saber:

• levitação eletrodinâmica ou por repulsão eletromagnética (EDL);
• levitação eletromagnética ou por atração magnética (EML);
• levitação por indução magnética (SQL);
• levitação supercondutora. 2.1. LEVITAÇÃO ELETRODINÂMICA OU POR REPULSÃO MAGNÉTICA O método consiste na utilização de bobinas com uma baixíssima resistência elétrica, chamadas de bobinas supercondutoras para a geração de um campo magnético, o qual provoca o surgimento de uma corrente elétrica induzida em um condutor, devido à movimentação do campo nas proximidades do mesmo. Estas correntes, conforme as leis de Faraday e Lenz, geram outro campo magnético que se opõe ao campo criado pela bobina. A interação entre ambos os campos gerará uma força de repulsão capaz de suspender o objeto. Segundo João Freitas da Silva (UOL Educação, acessado em 17/05/09), o fato de o condutor, que é percorrido por uma corrente elétrica, ser repelido pela bobina pode ser explicado em termos da força exercida um sobre o outro. Neste caso a interação ocorre à distância, não existindo a necessidade de um contato direto entre o condutor e a bobina. Essa interação é chamada de força magnética. Pode-se dizer então, que a força magnética só surge quando o condutor é percorrido por uma corrente elétrica. Assim, o campo magnético gerado pela bobina possibilita o surgimento de forças magnéticas sobre as cargas elétricas quando elas estão em movimento ordenado, mas não age sobre elas quando estão em equilíbrio eletrostático ou em repouso, ou seja, na ausência de corrente elétrica.

2.2. LEVITAÇÃO ELETROMAGNÉTICA OU POR ATRAÇÃO MAGNÉTICA

A levitação eletromagnética ou EML (Eletromagnetic levitation) é aquela em que um corpo ferromagnético é mantido suspenso pela força atrativa de um eletroímã. No corpo em levitação atuam tipicamente duas forças, a força peso e a força magnética, que resulta da atração do corpo pelo eletroímã (Fig. 02). O equilíbrio gerado por essa atração é muito instável, sendo que qualquer pequena variação na corrente ou na distância provocará a queda do objeto. Logo, sem um circuito que estabeleça uma realimentação não é possível obter a levitação. O processo EML é dependente da eficiência do sistema de sensores e do controle da corrente do eletroímã. Portanto para que esse sistema de levitação possa ser utilizado é necessário ter todo um aparato para que possa manter o sistema estável. Figura 4: Esquema simplificado do sistema de levitação eletromagnética. Fonte: http://eletromagnetismoifes.blogspot.com/2009/03/levitador-magnetico.html 2.3. LEVITAÇÃO SUPERCONDUTORA Baseado no efeito Meissner, que consiste na exclusão do campo magnético do interior de supercondutores, esta solução tecnológica ainda não foi implementada em escala real. Este método só pode ser devidamente explorado a partir do final do século XX com o advento de novos materiais magnéticos e pastilhas supercondutoras que

operam a altas temperaturas, que se tornam supercondutoras a temperaturas muito mais elevadas que os supercondutores convencionais. Os supercondutores de alta temperatura crítica podem ser resfriados com nitrogênio líquido enquanto que os supercondutores convencionais precisam ser refrigerados com hélio líquido, o que torna o custo de refrigeração muito elevado.

veículo e no rotor, estando o rotor localizado nos trilhos. Como o motor elétrico, possui três fases, entretanto a alimentação da corrente alternada vem através dos trilhos, e o suprimento de energia é somente acionado em cada ponto em que o veículo esteja localizado. Para ocorrer à frenagem basta inverter o campo eletromagnético aplicado, com isso, o motor funcionará como um gerador e o veículo perderá velocidade, sem nenhum contato físico com a linha. A velocidade aumenta e diminui de acordo com a freqüência da corrente alternada. Figura 5: Suporte de sustentação do trem com eletroímã abaixo da barra ferromagnética estator, guias laterais agindo na lateral do trilho. Vantagens

• Não há emissão de poluentes;
• Não há emissão sonora dos rolamentos nem da propulsão já que não existe contato mecânico.
• Motor linear síncrono, possibilita altas potências na aceleração e desaceleração, e possibilita a subida de alto grau de inclinações;
• Viagens seguras e confortáveis com velocidade de 200 a 350km/h regionais, e acima de 500km/h para viagens a longa distância;
• Baixa utilização de espaço na construção de trilhos elevados. Por exemplo, nas áreas agrícolas os trilhos podem passar acima das plantações; Desvantagens

• Maior instabilidade por ser baseado na levitação através de forças de atração magnética;
• Instabilidades podem ocorrer devido a ventos fortes laterais;
• Cada vagão deve possuir sensores e circuitos com feedback que controlam a distância dos trilhos aos suportes;
• Perdas de energia no controle dos circuitos ou dos eletroímãs, podem causar a perda da levitação. 3.1.2. TREM MAGLEV Para que ocorra a levitação por repulsão magnética, como abordado anteriormente, a bobina supercondutora possui uma resistência mínima, sendo capaz de gerar um campo magnético muito forte, induzindo uma corrente elétrica nas bobinas encontradas nos trilhos. Esta corrente elétrica gera um campo magnético induzido e oposto ao que foi aplicado na bobina, possibilitando assim a levitação do trem pela força de repulsão magnética, entre o trilho e a bobina supercondutora. As bobinas localizadas nos trilhos agem passivamente. Segundo o modelo japonês de trem da empresa Japanese Railways , o MagLev, as bobinas de levitação são dispostas em uma configuração em “8” e instaladas na lateral dos corredores do trilho do trem. Quando os ímãs supercondutores passam a alguns centímetros acima do centro dessas bobinas com uma velocidade alta, uma corrente elétrica é induzida dentro da bobina, agindo temporariamente como um eletroímã. O resultado disto será uma força que irá empurrar o ímã supercondutor para cima, enquanto que a outra força puxará para cima simultaneamente, devido a configuração “8” da bobina. E assim, ocorre a levitação do trem MagLev.

3.1.3. TREM MAGLEV COBRA

Segundo Richard Magdalena Stephan (acesso em 15 de maio de 2009), da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), o MagLev Cobra é um projeto nacional, proposto em 2007, para levitação usando supercondutores de elevada temperatura crítica. Este projeto ainda não foi executado, ele está em fase final de testes em uma linha de 114 m. Este veículo deverá estar operando até meados de 2010, com um trajeto de 3 km, para atender os alunos e funcionários da UFRJ. 3.2. TURBINA EÓLICA Figura 8 : Turbina eólica MagLev A energia eólica é vista de forma muito interessante por todos aqueles que se preocupam com o meio ambiente. Especialistas em energia afirmam que a as

turbinas precisam ser mais eficazes e gerar eletricidade com um menor custo, para se tornar uma das principais fontes de geração de eletricidade. Para esta necessidade, a empresa MagLev apresentou na China uma possível solução tecnológica que faltava para viabilizar economicamente a energia eólica. Com design totalmente diferente das tradicionais turbinas, a turbina MagLev utiliza levitação magnética para oferecer um desempenho muito superior em relação às tradicionais. As pás verticais da turbina de vento são suspensas no ar acima da base do equipamento. Ao invés de serem sustentadas e de girarem sobre rolamentos, as pás ficam suspensas, sem contato com outras partes mecânicas - e, portanto, podem girar sem atrito, o que aumenta exponencialmente seu rendimento. A turbina utiliza ímãs permanentes, ao contrário dos eletroímãs, que poderiam diminuir seu rendimento líquido, já que parte da energia gerada seria gasta para manter esses eletroímãs em funcionamento. Os magnetos permanentes são feitos de neodímio, um elemento contido no mineral conhecido como terras-raras, muito utilizado na fabricação de discos rígidos para computadores. Estes magnetos aumentam o rendimento e diminuem os custos de manutenção da turbina, que dispensa lubrificação e as constantes trocas dos rolamentos. Segundo a fabricante, a turbina MagLev gera energia a partir de brisas de apenas 1,5 metros por segundo e consegue suportar até vendavais de até 40 metros por segundo, o equivalente a 144 km/h. As maiores turbinas eólicas atuais geram uma média de 5 MW de potência. Já uma única MagLev gigantesca poderia gerar 1 GW, suficiente para abastecer aproximadamente 750.000 residências. Isto ocorre porque a nova turbina pode ser construída em dimensões muito grandes, ao contrário dos tradicionais cata-ventos. Segundo a empresa, a nova turbina gera 20% a mais de energia em relação às turbinas convencionais e tem um custo de manutenção 50% menor. Ainda segundo as estimativas do seu fabricante, uma super-turbina eólica utilizando a levitação magnética poderá funcionar continuamente por 500 anos.