23.7: Correntes parasitas e amortecimento magnético

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Explique a magnitude e a direção de uma corrente parasita induzida e o efeito que isso terá no objeto em que foi induzida.
Descreva várias aplicações do amortecimento magnético.

Correntes parasitas e amortecimento magnético

Conforme discutido em “Motional Emf”, o emf mocional é induzido quando um condutor se move em um campo magnético ou quando um campo magnético se move em relação a um condutor. Se a emf mocional pode causar um loop de corrente no condutor, nos referimos a essa corrente como uma corrente parasita. As correntes parasitas podem produzir um arrasto significativo, chamado amortecimento magnético, no movimento envolvido. Considere o aparelho mostrado na Figura\(\PageIndex{1}\), que balança um pêndulo entre os pólos de um ímã forte. (Essa é outra atividade favorita do laboratório de física.) Se a bobina for de metal, há um arrasto significativo na bobina quando ela entra e sai do campo, amortecendo rapidamente o movimento. Se, no entanto, o bob for uma placa de metal com fenda, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{1b}\), há um efeito muito menor devido ao ímã. Não há efeito perceptível em um bob feito de um isolador. Por que há arrasto nas duas direções e há alguma utilidade para o arrasto magnético?

A figura descreve um experimento para explorar o efeito das correntes parasitas. A parte a da figura mostra uma placa de pêndulo de metal balançando entre os pólos de um ímã. O pêndulo é preso em uma extremidade a um pivô. As correntes parasitas são mostradas como pequenos redemoinhos na superfície da placa. A oscilação é mostrada como amortecida pelo menor deslocamento da placa marcada como S. A parte b da figura mostra uma placa pendular de metal com fenda balançando entre os pólos de um ímã. O pêndulo é preso em uma extremidade a um pivô. As correntes parasitas são menos eficazes. A oscilação é mostrada com um deslocamento maior da placa marcada como S, do que o deslocamento na parte a. A parte c da figura mostra uma placa de pêndulo não condutora balançando entre os pólos de um ímã. O pêndulo é preso em uma extremidade a um pivô. Correntes extremamente pequenas são induzidas. A oscilação é mostrada com um deslocamento maior da placa marcada como S, do que o deslocamento na parte a. — Figura\(\PageIndex{1}\): Um dispositivo comum de demonstração de física para explorar correntes parasitas e amortecimento magnético. (a) O movimento de um pêndulo de metal balançando entre os pólos de um ímã é rapidamente amortecido pela ação das correntes parasitas. (b) Há pouco efeito no movimento de uma bobina de metal com fenda, o que implica que as correntes parasitas se tornam menos eficazes. (c) Também não há amortecimento magnético em uma bomba não condutora, pois as correntes parasitas são extremamente pequenas.

A figura\(\PageIndex{2}\) mostra o que acontece com a placa de metal quando ela entra e sai do campo magnético. Em ambos os casos, ele experimenta uma força que se opõe ao seu movimento. Ao entrar pela esquerda, o fluxo aumenta e, assim, uma corrente parasita é configurada (lei de Faraday) no sentido anti-horário (lei de Lenz), conforme mostrado. Somente o lado direito do loop atual está no campo, de modo que há uma força sem oposição sobre ele à esquerda (RHR-1). Quando a placa de metal está completamente dentro do campo, não há corrente parasita se o campo for uniforme, pois o fluxo permanece constante nessa região. Mas quando a placa sai do campo à direita, o fluxo diminui, causando uma corrente parasita no sentido horário que, novamente, experimenta uma força para a esquerda, diminuindo ainda mais o movimento. Uma análise semelhante do que acontece quando a placa oscila da direita para a esquerda mostra que seu movimento também é amortecido ao entrar e sair do campo.

A figura mostra uma descrição mais detalhada de uma placa condutora presa a um pivô que oscila entre os pólos de um ímã. Uma seção transversal é mostrada na figura. A direção do campo magnético do ímã está em direção ao plano do papel. A direção da força, corrente e campo magnético em duas posições extremas do pêndulo estão marcadas. A direção de B está sempre no papel. Com base na direção da força, a direção atual do pêndulo nas duas extremidades é marcada de acordo com a regra da mão direita. A corrente parasita na placa está no sentido anti-horário na extremidade esquerda e no sentido horário na extremidade direita. — Figura\(\PageIndex{2}\): Uma visão mais detalhada da placa condutora que passa entre os pólos de um ímã. Ao entrar e sair do campo, a mudança no fluxo produz uma corrente parasita. A força magnética no circuito atual se opõe ao movimento. Não há corrente nem arrasto magnético quando a placa está completamente dentro do campo uniforme.

Quando uma placa de metal com fenda entra no campo, conforme mostrado na Figura,\(\PageIndex{3}\) um emf é induzido pela mudança no fluxo, mas é menos eficaz porque os slots limitam o tamanho dos loops atuais. Além disso, os loops adjacentes têm correntes em direções opostas e seus efeitos são cancelados. Quando um material isolante é usado, a corrente parasita é extremamente pequena e, portanto, o amortecimento magnético nos isoladores é insignificante. Se as correntes parasitas devem ser evitadas nos condutores, elas podem ser entalhadas ou construídas com finas camadas de material condutor separadas por chapas isolantes.

A figura mostra correntes parasitas induzidas em uma placa de metal com fenda entrando em um campo magnético cuja direção é mostrada conforme direcionada para o papel. As correntes parasitas são mostradas como pequenos laços circulares alinhados em cada fenda da placa. As correntes parasitas são de tal forma que os laços vizinhos em um único slot têm correntes na direção oposta. Uma visão ampliada de duas correntes parasitas vizinhas em um slot também é mostrada. — Figura\(\PageIndex{3}\): As correntes parasitas induzidas em uma placa de metal com fenda que entra em um campo magnético formam pequenos laços, e as forças sobre eles tendem a se cancelar, tornando o arrasto magnético quase zero.

Aplicações do amortecimento magnético

Um uso do amortecimento magnético é encontrado em balanças de laboratório sensíveis. Para ter a máxima sensibilidade e precisão, a balança deve ser a mais livre de atrito possível. Mas se for livre de atrito, ele oscilará por muito tempo. O amortecimento magnético é uma solução simples e ideal. Com o amortecimento magnético, o arrasto é proporcional à velocidade e se torna zero na velocidade zero. Assim, as oscilações são rapidamente amortecidas, após o que a força de amortecimento desaparece, permitindo que a balança seja muito sensível (Figura\(\PageIndex{4}\)). Na maioria das balanças, o amortecimento magnético é realizado com um disco condutor que gira em um campo fixo.

A figura mostra um equilíbrio simples e sensível. A agulha dessa balança é mantida entre os pólos de um ímã. A direção do campo magnético é mostrada em direção ao plano do papel. Uma visão ampliada da agulha de equilíbrio e dos ímãs também é mostrada. A agulha é mostrada como livre para oscilar para frente e para trás entre os pólos do ímã. — Figura\(\PageIndex{4}\): O amortecimento magnético dessa balança sensível diminui suas oscilações. Como a lei de indução de Faraday dá o maior efeito para a mudança mais rápida, o amortecimento é maior para grandes oscilações e chega a zero quando o movimento para.

Como as correntes parasitas e o amortecimento magnético ocorrem apenas em condutores, os centros de reciclagem podem usar ímãs para separar metais de outros materiais. O lixo é despejado em lotes em uma rampa, abaixo da qual está um poderoso ímã. Os condutores no lixo são retardados pelo amortecimento magnético enquanto os não metais no lixo se movem, separando-se dos metais (Figura\(\PageIndex{5}\)). Isso funciona para todos os metais, não apenas para os ferromagnéticos. Um ímã pode separar os materiais ferromagnéticos sozinho atuando no lixo estacionário.

Uma foto de um caminhão basculante descarregando o lixo em uma rampa é mostrada. Há um bloco retangular de ímã no meio da rampa, com o pólo norte voltado para a rampa para separar metais de outros lixos por arrasto magnético. — Figura\(\PageIndex{5}\): Os metais podem ser separados de outros lixos por arrasto magnético. Correntes parasitas e arrasto magnético são criados nos metais enviados por essa rampa pelo poderoso ímã abaixo dela. Os não-metais seguem em frente.

Outras aplicações importantes de correntes parasitas são em detectores de metais e sistemas de frenagem em trens e montanhas-russas. Os detectores de metais portáteis (Figura\(\PageIndex{1=6}\)) consistem em uma bobina primária que carrega uma corrente alternada e uma bobina secundária na qual uma corrente é induzida. Uma corrente parasita será induzida em um pedaço de metal próximo ao detector, o que causará uma alteração na corrente induzida dentro da bobina secundária, levando a algum tipo de sinal, como um ruído estridente.

] Fotografia de vários soldados em campo aberto. Um soldado está procurando por explosivos escaneando a superfície usando um detector de metais. — Figura\(\PageIndex{6}\): Um soldado no Iraque usa um detector de metais para procurar explosivos e armas. (crédito: Exército dos EUA).

A frenagem usando correntes parasitas é mais segura porque fatores como chuva não afetam a frenagem e a frenagem é mais suave. No entanto, as correntes parasitas não podem interromper completamente o movimento, pois a força produzida diminui com a velocidade. Assim, a velocidade pode ser reduzida de, digamos, 20 m/s para 5 m/s, mas outra forma de frenagem é necessária para parar completamente o veículo. Geralmente, poderosos ímãs de terras raras, como ímãs de neodímio, são usados em montanhas-russas. A figura\(\PageIndex{7}\) mostra fileiras de ímãs em tal aplicação. O veículo tem aletas de metal (normalmente contendo cobre) que passam pelo campo magnético, desacelerando o veículo da mesma forma que com o pêndulo mostrado na Figura\(\PageIndex{1}\).

Fotografia de uma pista de montanha-russa com fileiras de ímãs projetando-se horizontalmente que são usados para frenagem magnética em montanhas-russas. — Figura\(\PageIndex{7}\): As fileiras de ímãs de terras raras (projetando-se horizontalmente) são usadas para frenagem magnética em montanhas-russas. (crédito: Stefan Scheer, Wikimedia Commons)

Os fogões de indução têm eletroímãs sob sua superfície. O campo magnético é variado rapidamente, produzindo correntes parasitas na base da panela, fazendo com que a panela e seu conteúdo aumentem de temperatura. Os fogões de indução têm alta eficiência e bons tempos de resposta, mas a base da panela precisa ser ferromagnética, ferro ou aço para que a indução funcione.

Resumo

Os circuitos de corrente induzidos em condutores móveis são chamados de correntes parasitas.
Eles podem criar um arrasto significativo, chamado amortecimento magnético.

Glossário

corrente parasita: um circuito de corrente em um condutor causado por emf mocional

amortecimento magnético: o arrasto produzido pelas correntes parasitas