Eletroímãs e Relés 1 - FEIRA DE CIÊNCIAS ... O Imperdível !
Eletroímãs e Relés
Os eletroímãs, através do campo magnético que produzem, aplicam uma força magnética em peças adequadas, as quais, por sua vez, podem ser utilizadas para elevar uma carga, acionar um relé, afrouxar um freio sob pressão por molas, sustentar um peça de trabalho etc. Para tanto, os eletroímãs apresentam diferentes formas construtivas, conforme se ilustra:
Em (a) temos o eletroímã de núcleo, utilizado para afrouxar freios, para vibradores, contactores etc.; em (b) aquele de alavanca móvel, utilizado em contactores e relés; em (c) aquele de armadura tipo pistão, utilizado em freios, acionamento de engrenagens etc.; em (d) o tipo com núcleo em E e, em (e) o tipo de bobina anular usados nas embreagens, por exemplo.
A parte móvel de um eletroímã se chama armadura. A atração que o núcleo do eletroímã aplica sobre a armadura é tanto mais intensa quanto mais intenso for o fluxo magnético. Assim, para um dado eletroímã (ou seja, fixado o número de espiras do enrolamento), a intensidade da força atrativa (chamada força portante) sobre a armadura será tanto maior quanto mais intensa seja a corrente elétrica e quanto menor for a distância que separa a armadura do núcleo. Essa distância entre a armadura e o núcleo (há várias situações) é o 'entreferro'. Na maioria dos modelos de eletroímãs a força portante cresce ao diminuir o entreferro, conforme ilustramos abaixo, à esquerda.
em função do entreferro
Intensidade da excitação de um
eletroímã durante a atração
Os eletroímãs podem funcionar com corrente contínua ou com corrente alternada, desde que a construção de seus núcleos sejam adequadas. Quando a armadura está 'colada' ao núcleo, depois de conectada a corrente alternada, esta cresce, paulatinamente, até seu valor final e estabiliza; quando a armadura é móvel, varia também o fluxo magnético pois o entreferro está variando. Devido a isso, aparece uma tensão induzida na bobina (veremos mais detalhes sobre isso, mais adiante) e uma conseqüente variação da intensidade de corrente durante o movimento da armadura, como ilustrado acima, à direita. A intensidade da força portante (força de atração entre núcleo e armadura) também pode variar lentamente durante a atração.
Os eletroímãs de corrente contínua podem ser acionados facilmente e atraem com certa suavidade suas armaduras. Podem ser ligados e desligados milhares de vezes uma vez que se aquecem menos funcionando de forma intermitente do que continuamente. Ao ser desligado, um eletroímã de corrente contínua produz uma elevação de tensão devido ao colapso do campo magnético, que pode produzir um arco voltaico entre os terminais do interruptor. A causa disso, como sabemos, é a auto-indução.
Os eletroímãs de corrente contínua são fáceis de conectar porém difíceis de desconectar.
Extinção da faísca nos eletroímãs de
Os eletroímãs de corrente contínua têm a vantagem, em relação aos de corrente alternada, de trabalhar silenciosamente. Por isso, eles têm preferência de uso nos hospitais, hotéis, alojamentos de idosos, por exemplo, como elementos acionadores de interruptores à distância (contactores).
Quando queremos desconectar uma eletroímã acionado por corrente contínua, sem que apareçam centelhas (faíscas) entre seus terminais (ou do interruptor que o aciona), devemos ligar em paralelo com o enrolamento do eletroímã, uma associação série RC ou um diodo semi-condutor, como ilustramos acima. Em lugar da associação RC ou do diodo semi-condutor pode-se usar de varístores.
Ao abrir o interruptor, a associação RC deixa circular uma corrente em curto intervalo de tempo, a qual decresce paulatinamente, de maneira a evitar uma alta tensão induzida na bobina. O diodo, do mesmo modo, deixa passar a corrente gerada por auto-indução e, assim, recebe a denominação de 'diodo supressor'.
Nos pequenos eletroímãs de corrente contínua (por exemplo naqueles utilizados em relés automotivos) usam-se diodos supressores ou associações RC; nos grandes aparelhos (por exemplo naqueles utilizados em acoplamentos magnéticos) são empregados exclusivamente diodos semi-condutores.
Os eletroímãs de corrente alternada têm um núcleo e uma armadura constituídos de chapas ferromagnéticas (ferro-silício) isoladas uma das outras. A impedância do enrolamento (reatância indutiva) é substancialmente maior que a sua resistência à corrente contínua (resistência ôhmica). Por isso, a bobina dos eletroímãs de corrente alternada têm menos espiras e fio mais grosso que aquela dos eletroímãs de corrente contínua de força portante equivalente. A corrente de conexão dos eletroímãs de corrente alternada pode ser muito intensa (ilustração abaixo), principalmente se o valor instantâneo da tensão, precisamente no instante de "ligar", for ZERO!
Intensidade de conexão nos eletroímãs
Devido a atração da armadura, aumenta a impedância e diminui a intensidade da corrente. A força portante máxima aparece, portanto, no instante de "ligar"; a atração é brusca. O arco voltaico que se produz ao se "desligar" é menos perigoso que nos eletroímãs de corrente contínua, uma vez que desaparece ao se anular a corrente. Os picos de tensão que por ventura apareçam, apesar do dito acima, podem ser sanados com uma associação série RC ligada aos terminais da bobina (em 220 VAC são típicos os valores: R = 220 ohms e C = 0,5 mF).
Os eletroímãs de corrente alternada se aquecem mais que os de corrente contínua.
Os vibradores eletromagnéticos (ilustração acima, à direita) são eletroímãs de corrente alternada com armadura oscilante. Com eles podemos produzir oscilações mecânicas. São usados em instalações de transporte e seleção, máquinas de compactar, bombas de membrana etc.