Força de Lorentz e Medição com Instrumentos Elétricos, Notas de aula de Medição Eletrônica e Instrumentação

Baixe Força de Lorentz e Medição com Instrumentos Elétricos e outras Notas de aula em PDF para Medição Eletrônica e Instrumentação, somente na Docsity! 1 Engº LM & Eng. J.C Universidade Eduardo Mondlane Faculdade de Engenharia Departamento de Engenharia Electrotécnica Aparelhos e Medidas Eléctricas FICHA 6 INSTRUMENTOS DE MEDIDAS ELÉCTRICAS GALVANÓMET RO 2º Ano de Engª Eléctrica – 2019 2 Engº LM & Eng. J.C 1. Introdução Quando uma carga eléctrica puntiforme, com certa velocidade, é lançada em uma região onde existe um campo magnético, dependendo da orientação do vector indução magnética, veremos que a carga fica sujeita a uma força magnética também chamada de força de Lorentz: F = B . i . L . sen α Sendo sen α o ângulo entre a direção da velocidade da carga e a direção do campo magnético. Desta forma, quando essa carga é lançada em um campo magnético ela pode assumir no interior do campo diversos tipos de movimento, conforme a direção de sua velocidade em relação ao campo magnético, veja a figura 1.1: Figura 1.1 - Sentido de orientação da força de Lorentz. O sentido do campo magnético, de acordo com a lei de Biot-Savart, pode ser dado pela regra da mão direita, conforme mostra a figura 1.2 A: Figura 1.2 – Sentido do campo pela regra da mão direita. É do nosso conhecimento que a corrente, ao circular por um condutor, produz dois efeitos principais: calor e magnetismo. A intensidade desses efeitos depende da intensidade da corrente. Estes efeitos podem ser utilizados em instrumentos eléctricos de medição. 5 Engº LM & Eng. J.C 2.1 Galvanómetro de Bobina Móvel Décadas mais tarde, em 1882, Jacques Arsène D’Ansorval, biofísico francês, propôs um novo mecanismo, que tinha a vantagem de não depender do campo terrestre e poderia ser usado em qualquer orientação. O galvanômetro D’Ansorval tinha como vantagem principal, o facto de ser baseado na deflexão de uma espira móvel devido ao campo magnético de um íman fixo instalado no aparelho. Outra grande vantagem era a escala linear: o ângulo de deflexão era diretamente proporcional à corrente percorrida. Por esses motivos o galvanômetro D’Ansorval é muito utilizado ainda hoje, e é a base dos voltímetros, amperímetros e ohmímetros analógicos. A figura 2.1 procura mostrar a estrutura interna de um galvanômetro de D'Ansorval . Figura 2.1-Estrutura interna de um galvanômetro de D'Ansorval. Onde: 1 – Bobina Móvel; 2 – Campo formado pelo imã permanente 3 – Imán Permanente; e 4 – Um núcleo de ferro. Na sua parte externa o galvanômetro de D'Ansorval pode ser visto a partir da figura 2.2: Figura 2.2 – Parte Externa do Galvanômetro de bobina móvel. 6 Engº LM & Eng. J.C 2.1.1 Funcionamento (1) Uma bobina de fio muito fino é montada em um eixo móvel, e instalada entre os polos de um íman permanente fixo; (2) Desta forma, quando uma corrente eléctrica IG percorre um eletroíman (bobina), surge à sua volta um campo magnético que interage com o campo magnético criado pelo íman permanente na região. E o campo magnético do ímãn permanente produz um torque τ sobre ela, dado por: Onde: B - é o campo devido ao ímãn permanente; n - é o número de espiras da bobina; e C é a constante que representa um factor que depende de como o galvanômetro foi construído. Figura 2.3 – Funcionamento do Galvanômetro de bobina móvel. A força magnética ( F ) que surge dessa interação, entre o campo magnético do íman permanente e o campo magnético do eletroíman, move o eletroíman que está fixo a um eixo móvel, que por fim desloca consigo o ponteiro. (3) Como sabemos que a força magnética é proporcional à corrente elétrica, podemos dizer que quanto maior for a corrente elétrica mais o ponteiro girará. Quando gira o eletroíman, comprime uma mola de formato espiral, assim o ponteiro estabiliza-se quando as forças magnética e elástica se equilibram; (4) Assim, quando a bobina gira de um ângulo θ, a mola produz um torque restaurador oposto ao produzido pelo campo, cujo valor é Kθ. Uma posição de equilíbrio é alcançada quando: 7 Engº LM & Eng. J.C Logo, O ângulo de deflexão é proporcional a corrente que atravessa o galvanômetro. O instrumento é tanto mais sensível quanto menor for a corrente IG necessária para provocar um dado desvio θ. Assim, os galvanômetros são caracterizados pela corrente necessária para que o ponteiro atinja deflexão máxima, corrente de fundo de escala, IGmax e por sua resistência interna, RG. No centro da bobina existe um núcleo de ferro que orienta as linhas de força do campo magnético. E o sentido do campo magnético, de acordo com a lei de Biot-Savart, conforme já discutido. Note que: Conhecendo estes parâmetros poderemos determinar a tensão de fundo de escala VG, que é a tensão sobre o galvanômetro quando o ponteiro está na deflexão máxima e é simplesmente o produto da corrente de fundo de escala pela resistência interna.  Por exemplo, um galvanômetro com corrente de fundo de escala de 50 μA e resistência interna de 1 kΩ possui tensão de fundo de escala de 50 μA.1 kΩ = 50 mV;  Se uma tensão maior que VG for aplicada diretamente aos terminais do galvanômetro, a corrente que atravessará a bobina será maior que a corrente de fundo de escala, o que provocará aquecimento excessivo da bobina e consequentemente a falência do dispositivo. 2.2 Galvanômetro do tipo Ferro Móvel Na parte interna de uma bobina temos duas chapas, uma fixa e outra móvel: (1) A chapa fixa é de ferro doce (metal ferro com alto índice de pureza) e é montada em oposição a uma chapa móvel. Assim, se na bobina circula corrente, então ambas as chapas são magnetizadas identicamente em relação aos pólos resultantes, e desta forma, se repelem. Quando se dá a inversão do sentido de circulação da corrente, na bobina, as chapas são novamente magnetizadas identicamente, e continuam se repelindo. Por isso, os instrumentos de ferro móvel são adequados para a medição, tanto de corrente quanto de tensão, em corrente contínua e em alternada. Veja a figura 2.4. 10 Engº LM & Eng. J.C alternada, a potência indicada é a potência útil, porque apenas aquela parte da corrente efectuará um trabalho, que estiver em fase com a tensão, e assim seu valor: P = U x I x cosφ. 2.3.2 Instrumento de Indução Este instrumento se compõe de um corpo de ferro quadripolar, que possui dois pares de bobinas cruzadas. No circuito de corrente de um destes pares de bobinas, inclui-se uma indutância. Disto resulta um deslocamento de fase entre os pares de bobinas e desta forma, a existência de um campo girante. Um tambor de alumínio, montado de tal modo que apresente um movimento giratório, fica sob efeito indutivo deste campo girante. As correntes induzidas neste tambor desenvolvem um conjugado e, com isto, uma deflexão do ponteiro. A força contrária a esta deflexão é conseguida da ação das molas espirais. O amortecimento do instrumento é feito por um íman, em forma de ferradura, cujo campo atua sobre o tambor girante. Figura 2.6 - Instrumento de Indução. 1 – Bobina de tensão; 2 – Bobina de intensidede; 3 – Tambor de alumínico com núcleo de chapas de ferro; 4 – amortecedor eletro- - magnético. O instrumento de indução, também chamado de instrumento de campo girante ou instrumento de Ferraris, apenas pode ser usado para corrente alternada. Devido à indutância, este instrumento sofre a influência da frequência. 11 Engº LM & Eng. J.C 2.3.3 Instrumento de Bobinas Cruzadas Entre os pólos de um íman permanente, duas bobinas interligadas entre si, porém cruzadas, estão dispostas de tal forma que possam girar. Cada uma das bobinas é ligada `a determinada tensão. Por esta razão, cada uma das bobinas influi com certa força magnética sobre o íman permanente. 1 – Bobina fixa; 2 – Bobina móvel; 3 – Núcleo de ferro Figura 2.7 - Instrumento de Bobinas Cruzadas Se a tensão é igual em ambas as bobinas seus efeitos magnéticos contrários se equilibram, o que significa que as bobinas se ajustam sobre um valor central (médio). Neste instrumento, portanto, a posição zero não é obtida por meio da força de molas, mas sim pela existência de correntes iguais em ambas as bobinas. Se cada uma das bobinas estiver ligada à tensão diferente, então 12 Engº LM & Eng. J.C apresentam-se também campos magnéticos de intensidade diferente, do que resulta que o campo mais forte irá determinar a deflexão do corpo da bobina. Disto se pode concluir que o instrumento de bobinas cruzadas apenas se destina a indicar diferenças de tensões. Seu emprego é encontrado sobretudo na medição de resistências, assim como na medição de temperaturas e pressões, à distância. Para estas finalidades as tensões correspondentes são enviadas ao instrumento por meio de um divisor de tensão, que se altera em função da temperatura ou pressão. 2.3.4 Sistema de Medição com Fio Térmico Neste instrumento, é utilizada a dilatação que um fio fino sofre devido ao calor originado pela passagem da corrente. Fixa-se um fio de tração a um fio esticado de platina-irídio, estando o fio de tração fixo a uma mola, passando por um rolo ou bobina. Quando verifica-se a dilatação do fio térmico, a bobina é movimentada pela ação da mola, e o ponteiro é activado, deslocando-se. A subdivisão da escala não é uniforme, uma vez que o calor dissipado varia com o quadrado da corrente. O instrumento é adequado para corrente contínua e alternada, sendo empregado sobretudo nas medições em alta frequência. Figura 2.8 - Sistema de medição com fio térmico. 1 – Mola; 2 – Amortecedor eletromagnético; 3 – Fio Térmico 2.3.5 Instrumento Eletrostático O funcionamento deste instrumento baseia-se na atração recíproca de corpos electricamente carregados, com polaridades contrárias. O instrumento se compõe de placas fixas e móveis, às quais é ligada a tensão a ser medida. Sobre o eixo do disco móvel, é montado um ponteiro. Uma mola actua no sentido contrário ao deslocamento deste. Instrumentos eletrostáticos se destinam especificamente à medição de tensões elevadas, pois apenas estas são capazes de desenvolver um conjugado suficientemente elevado. O instrumento pode ser usado tanto em corrente contínua, quanto em corrente alternada.