DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO (DTCC)

Técnico em Mecatrônica

GERADOR MAGNÉTICO DE ENERGIA

Autores:

Daniela Eugenio

Jean Rocha

Filipe Urbinati

Patrick Andrade

Vitor Coppen

Orientador:

Professor Ivo

São Caetano do Sul/ SP

2013

Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza

GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO

ETEC JORGE STREET

Gerador Magnético de Energia Elétrica

O Gerador Magnético de Energia, como o próprio nome já diz, é um gerador

de energia elétrica por meio da utilização de ímãs e seus campos magnéticos.

Vocês podem ouvir falar também de Gerador de energia infinita, isso porque ela

pode gerar energia por muito tempo, sem interrupção, de acordo com a durabilidade

magnética dos ímãs utilizados.

ETEC Jorge Street – 2013

Agradecimentos

Primeiramente, queremos agradecer aos nossos familiares e amigos, que nos

apoiaram desde o início do projeto dando conselhos e sugestões;

Agradecer também aos Professores Francisco Chagas e Ivo, que foram,

respectivamente, nossos professores orientadores do projeto no segundo semestre

de 2012 e no primeiro semestre de 2013;

Ao coordenador Arci, que nos disponibilizou a oficina mecânica no período da

tarde das quintas-feiras;

E, finalmente, agradecer á ajuda de Dante Bianchi e Alexandre Mazini, que

mesmo sabendo da complicação do projeto, nos ajudaram com alguns fatores do

projeto.

Resumo

O Gerador funciona do seguinte esquema: Um anel com ímãs espalhados

uniformemente na sua parte interna com todos os magnetos virados com o mesmo

polo. E um disco, com raio menor do que o raio interno do anel, com ímãs na parte

exterior, também distribuídos uniformemente com os polos dos magnetos iguais aos

polos dos magnetos do anel. Ao juntar essas duas peças a repulsão dos polos dos

ímãs faz com que o disco comece a girar e, junto a ele, um eixo. Nesse eixo, há um

disco com movimento de rotação excêntrica. Esse disco transmite movimento a um

eixo na posição radial do mesmo, que na extremidade desse eixo contém uma barra

de ímã que entra e sai de uma bobina. O movimento que a barra de ímã faz, com o

campo magnético dos mesmos, gerar corrente elétrica na bobina. Com essa

corrente pode-se alimentar receptores elétricos.

Palavras-chaves: Energia autossustentável, Gerador elétrico, ímã,

eletromagnetismo.

Sumário

Introdução ................................................................................................................... 7

1. Fundamentos Teóricos ......................................................................................... 10

1.1 Gerador Elétrico ........................................................................................... 10

1.1.1 Características ...................................................................................... 10

1.1.2 Tipos de geradores elétricos ................................................................ 11

1.2 Ímãs e Magnetos .......................................................................................... 11

1.2.1 Propriedades dos ímãs ......................................................................... 12

1.2.2 Campo magnético ................................................................................. 14

1.3 Ímã de Neodímio .......................................................................................... 16

1.3.1 Propriedades e utilização ..................................................................... 16

1.3.2 Cuidados ............................................................................................... 17

1.4 Bobina .......................................................................................................... 17

1.4.1 Funcionamento ..................................................................................... 18

1.4.2 Emprego ............................................................................................... 18

1.5 Lei de Faraday-Neumann-Lenz ................................................................... 19

1.6 Lei de Ampère .............................................................................................. 20

1.6.1 Motivação histórica ............................................................................... 21

1.6.2 Determinação do campo magnético B .................................................. 22

1.6.3 Aplicações da Lei de Ampère ............................................................... 22

1.7 Polipropileno ................................................................................................ 23

1.7.1 Principais propriedades ........................................................................ 23

1.7.2 Aplicações ............................................................................................. 24

2. Planejamento ........................................................................................................ 25

2.1 Escolha do projeto ....................................................................................... 25

2.2 Escopo do projeto ........................................................................................ 25

2.2.1 Parte mecânica ..................................................................................... 25

2.2.1.1 Base .............................................................................................. 25

2.2.1.2 Cabeceiras .................................................................................... 26

2.2.1.3 Anéis .............................................................................................. 26

2.2.1.4 Discos ............................................................................................ 26

2.2.1.5 Eixos .............................................................................................. 26

2.2.1.6 Rolamentos ................................................................................... 26

2.2.1.7 Tampa de Proteção ....................................................................... 27

2.2.1.8 Ímãs de neodímio .......................................................................... 27

2.2.2 Parte elétrica ......................................................................................... 27

2.2.2.1 Bobina ........................................................................................... 27

2.3 Fluxograma .................................................................................................. 27

2.4 Planilha de custos ........................................................................................ 28

3. Desenvolvimento .................................................................................................. 29

3.1 Materiais .................................................................................................. 29

3.2 Usinagem dos materiais .......................................................................... 29

3.3 Montagem ................................................................................................ 31

3.3.1 Montagem da parte mecânica .............................................................. 31

3.3.2 Montagem da parte elétrica .................................................................. 32

3.4 Finalização ............................................................................................... 32

3.5 Vistas ........................................................................................................... 33

4. Resultados Obtidos .............................................................................................. 35

5. Conclusão ............................................................................................................. 36

6. Referências .......................................................................................................... 37

7

Introdução

No mundo moderno de hoje, o maior problema que a humanidade debate é o

do aquecimento global. A utilização da energia não renovável no mundo é altíssima

e traz muitas consequências ruins ao nosso planeta, por exemplo: Poluição da

atmosfera, da água, das florestas, redução da produtividade agrícola, deterioração

da camada de ozônio, chuva ácida, degelo, entre outros. Também chamada de

energias convencionais, são elas o petróleo, o carvão mineral, gás natural e

elementos radioativos (figura 1). Todos fontes de energia limitadas, ou seja, que em

um tempo não será mais encontrado.

Fig. 1

Exemplos: 1 - Petróleo,

2 - Carvão mineral,

3 - Gás natural,

4 - Elementos radioativos.

As alternativas encontradas e já utilizáveis são a energia solar, energia eólica,

hidrelétrica, biocombustível, biomassa e geotérmica, como mostra a figura a seguir:

1

2

3

4

8

Fig. 2

Exemplos: 1 - Solar,

2 - eólica,

3 - biomassa,

4 - geotérmica.

Essas fontes são chamadas de energia renovável, porém são muito caras e

também podem provocar alguns danos à fauna e à flora. Mas, mesmo assim, não

podemos descarta-las de jeito nenhum.

Neste projeto, o objetivo é mostrar às pessoas que todo problema possui uma

solução, não importa o grau de dificuldade. O projeto mostra uma alternativa de

solução de um dos principais problemas no mundo todo. Este protótipo consegue

gerar energia limpa sem combustão de matérias ou extração de elementos, apenas

com a força magnética da Terra e a sua influência com os metais magnéticos.

O motivo da escolha desse projeto é estimular a divulgação dessa energia,

que pode ser a solução do problema do aquecimento global, para que nacionais e

multinacionais possam adotar essa fonte de energia e comercializá-la.

Com a utilização do gerador magnético de energia, os carros poderão ser

movidos por motores magnéticos, não com a utilização desse gerador, mas com o

mesmo princípio, e não precisaremos usar combustíveis fósseis para gerar energia.

Por esse motivo, infelizmente ela não é divulgado, pois sem a utilização dos

combustíveis fósseis, que são os mais utilizados hoje, várias empresas iriam falir

4 3

2 1

9

com a instalação dessa fonte energética. Com isso, as indústrias de combustível não

renovável acabam inibindo a imagem de tais alternativas ou encarecendo o produto.

Para a realização desse projeto vamos utilizar os métodos da engenharia.

Tanto de Eletromagnetismo quanto da Mecânica. No eletromagnetismo, vamos

utilizar uma bobina de ignição com fundamento nas leis de Ampère e Faraday. Na

mecânica, vamos utilizar soldagem, usinagem e toda a estrutura do projeto que será

de PP (Polipropileno).

O Gerador funciona do seguinte esquema: É um anel com ímãs espalhados

uniformemente na sua parte interna com todos os magnetos virados com o mesmo

polo. E um disco, com raio menor do que o raio do furo do anel, com ímãs na parte

exterior, também distribuídos uniformemente com os polos dos magnetos iguais aos

polos dos magnetos do anel, como ilustrado na figura abaixo.

Figura 3: Esquema de funcionamento da rotação do disco pela repulsão

magnética dos polos dos ímãs.

Ao juntar essas duas peças a repulsão dos polos dos ímãs faz com que o

disco comece a girar, e junto a ele, um eixo. Nesse eixo, um disco excêntrico

transmite um movimento para outro eixo posicionado na radial desse disco. Na

extremidade desse eixo tem um ímã em forma de barra que irá entrar e sair de uma

bobina. A movimentação desse ímã faz, com o campo magnético dos mesmos, gerar

corrente elétrica na bobina. Com essa corrente pode-se alimentar receptores

elétricos.

10

1. Fundamentos teóricos

1.1 Gerador elétrico

Gerador elétrico é um dispositivo utilizado para a conversão da energia

mecânica, química ou outra forma de energia em energia elétrica. O gerador elétrico

foi inventado em 1879 (figura 4) por Werner von Siemens, co-fundadora Siemens

AG.

Figura 4: Primeiro gerador elétrico em 1879. Inventado por Werner von Siemens, co-fundadora Siemens AG.

1.1.1 Características

O tipo mais comum de gerador elétrico, o dínamo (gerador de corrente

contínua) de uma bicicleta, depende da indução eletromagnética para converter

energia mecânica em energia elétrica, a lei básica de indução eletromagnética é

baseada na Lei de Faraday de indução combinada com a Lei de Ampère.

No caso de um gerador que fornece uma corrente contínua,

um interruptor mecânico ou anel comutador alterna o sentido da corrente de forma

que a mesma permaneça unidirecional independente do sentido da posição da força

eletromotriz induzida pelo campo. Os grandes geradores das usinas geradoras de

energia elétrica fornecem corrente alternada e utilizam turbinas

hidráulicas e geradores síncronos.

11

1.1.2 Tipos de geradores elétricos

Há muitos outros tipos de geradores elétricos. Geradores eletrostáticos como

a máquina de Wimshurst, e em uma escala maior, os geradores de van de Graaff,

são principalmente utilizados em trabalhos especializados que exigem tensões muito

altas, mas com uma baixa corrente e potências não muito elevadas.

Tipos de geradores que convertem energia mecânica em elétrica:

Gerador Síncrono

Gerador de indução ou Gerador Assíncrono

Gerador de Corrente contínua

Motores elétricos desempenham a função inversa, ou seja, convertem energia

elétrica em energia mecânica e construtivamente são semelhantes aos geradores,

pois se baseiam no mesmo princípio de conversão.

Tipos de motores elétricos que convertem energia elétrica em energia mecânica:

Motor Síncrono

Motor de indução ou Motor Assíncrono

Motor de corrente contínua

Motor de corrente contínua

Tipo de gerador que converte energia química em elétrica:

Geradores de célula à combustível ou célula de combustível

Pilhas

Tipo de gerador que converte diretamente a energia luminosa do Sol em elétrica:

Geradores fotovoltaicos

1.2 Imãs e magnetos

Um imã é definido como um objeto capaz de provocar um campo magnético à

sua volta e pode ser natural ou artificial.

Um imã natural é feito de minerais com substâncias magnéticas, como por

exemplo, a magnetita. O artificial é feito de um material sem propriedades

magnéticas, mas que pode adquirir permanente ou instantaneamente características

12

de um natural.

Os imãs artificiais também são subdivididos em: permanentes, temporais ou

eletroímãs.

O permanente é feito de material capaz de manter as propriedades

magnéticas mesmo após cessar o processo de imantação, esses materiais são

chamados ferromagnéticos.

O imã temporal tem propriedades magnéticas apenas enquanto se encontra

sob a ação de outro campo magnético, os materiais que possibilitam esse tipo de

processo são chamados paramagnéticos.

O eletroímã é um dispositivo composto de um condutor por onde circula

corrente elétrica e um núcleo, normalmente de ferro. Suas características dependem

da passagem de corrente pelo condutor; ao cessar a passagem de corrente cessa

também a existência do campo magnético.

1.2.1 Propriedades dos Imãs

Uma das propriedades dos imãs são seus polos magnéticos são as regiões

onde se intensificam as ações magnéticas. Um imã é composto por dois polos

magnéticos, norte e sul, normalmente localizados em suas extremidades, exceto

quando estas não existirem, como em um magneto em forma de disco, por exemplo.

Por esta razão são chamados dipolos magnéticos.

Para que sejam determinados esses polos, se deve suspender o imã pelo

centro de massa e ele se alinhará aproximadamente ao polo norte e sul geográfico

recebendo nomenclatura equivalente. Desta forma, o polo norte magnético deve

apontar para o polo norte geográfico e o polo sul magnético para o polo sul

geográfico (figura 5).

13

Figura 5: Ilustração do norte magnético/sul geográfico e norte geográfico/sul

magnético.

Ao manusear dois imãs percebemos claramente que existem duas formas de

colocá-los para que estes sejam repelidos e duas formas para que sejam atraídos.

Isto se deve ao fato de que polos com mesmo nome se repelem, mas polos com

nomes diferentes se atraem, como mostra a figura abaixo:

Figura 6: Polos iguais há repulsão e polos diferentes há atração.

14

Esta propriedade nos leva a concluir que os polos norte e sul geográficos não

coincidem com os polos norte e sul magnéticos. Na verdade eles se encontram em

pontos praticamente opostos.

A inclinação dos eixos magnéticos em relação aos eixos geográficos é de

aproximadamente 191°, fazendo com os seus polos sejam praticamente invertidos

em relação aos polos geográficos.

Dois polos se atraem ou se repelem, dependendo de suas características, à

razão inversa do quadrado da distância entre eles. Ou seja, se uma força de

interação F é estabelecida a uma distância d, ao dobrarmos esta distância a força

observada será igual a uma quarta parte da anterior F/4, e assim sucessivamente.

É impossível separar os polos magnéticos de um imã, já que toda vez que

este for dividido serão obtidos novos polos, então se diz que qualquer novo pedaço

continuará sendo um dipolo magnético.

1.2.2 Campo Magnético

O campo magnético é a região próxima a um imã que influencia outros imãs

ou materiais ferromagnéticos e paramagnéticos, como cobalto e ferro. Comparando

campo magnético com campo gravitacional ou campo elétrico e verá que todos

estes têm as características equivalentes.

Também é possível definir um vetor que descreva este campo, chamado vetor

indução magnética e simbolizado por B. Se pudermos traçar todos os pontos onde

há um vetor indução magnética associado veremos linhas que são chamadas linhas

de indução do campo magnético (figura 7). Estas são orientadas do polo norte em

direção ao sul, e em cada ponto o vetor B tangencia estas linhas.

As linhas de indução existem também no interior do imã, portanto são linhas

fechadas e sua orientação interna é do polo sul ao polo norte. Assim como as linhas

de força, as linhas de indução não podem se cruzar e são mais densas onde o

campo é mais intenso.

15

Figura 7: Campo magnético e seu sentido, do polo norte ao polo sul.

Como os elétrons e prótons possuem características magnéticas, ao serem

expostos a campos magnéticos, interagem com o mesmo sendo submetidos a uma

força magnética .

Portanto:

campos magnéticos estacionários, ou seja, o vetor campo magnético B em

cada ponto não varia com o tempo;

partículas possuem uma velocidade inicial V no momento da interação;

e o vetor campo magnético no referencial adotado é B;

Um campo magnético estacionário não interage com cargas em repouso.

Tendo um imã posto sobre um referencial arbitrário, se uma partícula com

carga q for abandonada em sua vizinhança com velocidade nula não será observado

o surgimento de força magnética sobre esta partícula, sendo ela positiva, negativa

ou neutra.

Um campo magnético estacionário não interage com cargas que tem

velocidade não nula na mesma direção do campo magnético. Sempre que uma

carga se movimenta na mesma direção do campo magnético, sendo no seu sentido

ou contrário, não há aparecimento de força eletromagnética que atue sobre ela. Um

exemplo deste movimento é uma carga que se movimenta entre os polos de um imã.

A validade desta afirmação é assegurada independentemente do sinal da carga

estudada.

16

1.3 Ímã de neodímio

Um ímã de neodímio é um poderoso imã feito a partir de uma combinação

de neodímio, ferro e boro — Nd2Fe14B (Figura 8). Esses imãs são muito poderosos

em comparação a sua massa, mas também são mecanicamente frágeis e perdem

seu magnetismo de modo irreversível em temperaturas acima de 120 °C. Sua

intensidade pode ser medida pelo seu produto energético máximo, em megagauss-

oersteds (MGOe) (1 MG·Oe = 7,957 kJ/m³). Essa intensidade varia de 12 a 15, nos

ímãs aglomerados de neodímio (bonded magnets) e de 24 a 54 nos

ímãs sintetizados.

Para alcançar a mesma força do imã de neodímio usando imãs de cerâmica

é necessário um volume 18 vezes maior do material comparado ao de neodímio.

Figura 8: Ímã de neodímio utilizado no projeto. Raio de 5mm e espessura de

4mm.

1.3.1 Propriedades e Utilização

Usados em muitos tipos de motores elétricos e discos rígidos, os ímãs de

Nd2Fe14B são também muito populares como curiosos. Um pequeno imã pode

possuir propriedades incríveis - ao se aproximar de um material não magnético

condutor de eletricidade, ele exibe uma "frenagem" graças a correntes elétricas que

são induzidas no condutor. Uma excelente demonstração desse efeito pode ser

realizada ao se deixar cair um imã de neodímio no interior de um cano de cobre. O

imã irá cair através do cano muito mais devagar do que seria o normal. Um imã

médio interage forte o suficiente com o campo magnético terrestre para que ele se

alinhe aos polos magnéticos, como uma bússola. Imãs cilíndricos e em formato de

disco em especial reagem ainda melhor. Eles são encontrados em quase todos os

fones de ouvido produzidos.

17

1.3.2 Cuidados

Cuidados devem ser tomados quando se usa um imã de neodímio. Mesmo

um pequeno imã é capaz de destruir o conteúdo de um Disco Rígido (HD), de

um disquete, ou de discos CDS, dentre outras mídias magnéticas, de modo que as

informações fiquem irrecuperáveis. Esses imãs são normalmente fortes o suficiente

não apenas para magnetizar as cores de televisores e monitores a base de CRT,

mas também para deformar fisicamente partes do monitor. Esse tipo de dano é

tipicamente irreparável desmagnetizando-o apenas via sua configuração.

Esses imãs devem sempre ser manipulados cuidadosamente. Alguns imãs que

são ligeiramente maiores que uma moeda de 25 centavos (antiga) são fortes o

suficiente para sustentar mais de 10 kg. Eles são perigosos, sendo capazes de

prensar a pele ou dedos quando atraídos por um objeto magnético. Por serem feitos

de "pós" e folheações, os imãs são muito frágeis e podem quebrar em temperaturas

superiores a 80 °C (ao passar de 80°C ele é sujeito a perder sua força magnética),

ou se sujeitos a impactos com outro imã. Imãs desse tipo devem ser mantidos longe

de aplicações elétricas, cartões magnéticos e monitores, pois o dano nesses pode

ser irreparável.

1.4 Bobina

A palavra bobina tem diversos significados, mas em eletrônica, é a palavra

utilizada para se referir a qualquer fio condutor elétrico enrolado em si mesmo, ou

ainda em volta de uma superfície também condutora (Figura 9). Este simples rolo de

fios encontra diversos usos na eletrônica, desde o seus mais antigos

desdobramentos.

18

Figura 9: Bobina utilizada no projeto, a bobina toroidal.

A sua aplicação mais evidente é a de produzir magnetismo, tornando-se a

bobina num ímã elétrico ou eletroímã. Bobinas são empregadas como indutor, ou

seja, um dispositivo elétrico passivo que tem como utilidade armazenar energia em

forma de um campo magnético.

1.4.1 Funcionamento

Seu funcionamento parte do principio de que, quando a corrente elétrica passa

num enrolamento de fios, gera-se um campo magnético e, inversamente, quando se

interrompe um campo magnético, gera-se eletricidade em qualquer enrolamento de

fio dentro das linhas de força do campo magnético. Devido ao fato de que o campo

magnético ao redor de um fio ser circular e perpendicular a este, uma maneira fácil

de amplificar o campo magnético produzido é enrolar o fio como uma bobina.

Sua potência depende ainda da espessura e da quantidade de fio utilizado em

sua composição. Em fios de maior espessura, a corrente elétrica fluirá melhor, o

mesmo ocorrendo em um conjunto de fio mais extenso, isso é claro, dependendo da

potência que se deseja conseguir. No entanto, para as pequenas correntes usadas

nos casos habituais, o magnetismo produzido pode ser muito fraco. A solução mais

comum para reforçar a potência da bobina é introduzir uma peça de ferro macio em

seu interior.

1.4.2 Emprego

Há diversos empregos para a bobina na indústria, atualmente. Como

exemplo, é possível citar o interior dos bulbos de vidro das lâmpadas fluorescentes,

onde a bobina é imprescindível para o funcionamento destas. Na grande maioria dos

alto-falantes encontramos como elemento central um eletroímã. Também nos

automóveis a gasolina se usa uma bobina de ignição para produzir uma faísca que

incendeia a gasolina e permite o funcionamento do motor.

Nos transformadores, máquinas que servem para transformar uma tensão

alternada noutra com outro valor (mais alto ou mais baixo), encontramos em sua

19

parte principal um conjunto de, pelo menos, duas bobinas. Todos os aparelhos

eletrônicos domésticos (rádios, televisores, aparelhos de vídeo, etc.) têm um

transformador. É um fator importante para aumentar o peso dos aparelhos, pois os

transformadores têm um núcleo de ferro.

Um simples eletroímã pode ser construído utilizando-se um parafuso, uma

pilha e um fio metálico (por ser melhor condutor que outro tipo de fio qualquer)

enrolado ao parafuso, em um exemplo simples de aplicação de uma bobina.

1.5 Lei de Faraday-Neumann-Lenz

A lei de Faraday-Neumann-Lenz, ou lei da indução eletromagnética, é uma lei

da física que quantifica a indução eletromagnética, que é o efeito da produção

de corrente elétrica em um circuito colocado sob o efeito de um campo

magnético variável ou por um circuito em movimento em um campo magnético

constante. É a base do funcionamento dos alternadores, dínamos, transformadores

e também do projeto.

Tal lei é derivada da união de diversos princípios. A lei da indução de

Faraday, elaborada por Michael Faraday em 1831, afirma que a corrente elétrica

induzida em um circuito fechado por um campo magnético, é proporcional ao

número de linhas do fluxo que atravessa a área envolvida do circuito, na unidade de

tempo.

Sendo E o campo elétrico induzido, ds é um elemento infinitesimal do circuito

e dB/dt é a variação do fluxo magnético. Uma maneira alternativa de se representar é

na forma da derivada da função do campo magnético B:

20

Portanto:

( )

Onde, E = Força eletromotriz, em Volts;

= variação do fluxo magnético;

= tempo que o ímã leva para entrar e sair da bobina, em segundos;

B = fluxo magnético;

A = número de espiras;

= ângulo do movimento do ímã em relação à Normal da bobina.

Como não há variação de fluxo magnético e o ângulo do movimento do ímã

em relação à Normal é igual a 0°, concluímos que:

E a lei, expressa matematicamente na forma elaborada por Franz Ernst

Neumann em 1845 em termos da força eletromotriz, é:

A lei de Faraday-Lenz enuncia que a força eletromotriz que é induzida em

um circuito elétrico ( ) é igual à variação do fluxo magnético no circuito.

A contribuição fundamental de Heinrich Lenz foi a direção da força

eletromotriz (o sinal negativo na fórmula). A corrente induzida no circuito é de fato

gerada por um campo magnético, e a lei de Lenz afirma que o sentido da corrente é

o oposto da variação do campo magnético que a gera.

1.6 Lei de Ampère

No eletromagnetismo clássico, a lei de Ampère permite calcular o campo

magnético a partir de uma distribuição de densidade de corrente elétrica J ou de

21

uma corrente elétrica I, ambas estacionárias (independentes do tempo). A partir

da Lei de Biot-Savart é possível calcular o campo magnético associado a uma

distribuição estacionária de corrente somando-se as contribuições ao campo de

todos os elementos infinitesimais de corrente ao longo do circuito em questão. O

nome da lei é um reconhecimento ao físico francês André-Marie Ampère que a

descobriu em 1826.

1.6.1 Motivação Histórica

Em 1819, o físico Dinamarquês Hans Christian Oersted, estudando a ação de

uma corrente elétrica sobre um imã, colocou uma bússola (agulha imantada)

perpendicular ao fio retilíneo por onde passava corrente, não observando qualquer

efeito. Todavia, descobriu que quando colocada paralelamente ao fio

a bússola sofria uma deflexão, acabando por orientar-se perpendicularmente a ela.

Por conseguinte, uma corrente produz um campo magnético (Figura 10). Os

resultados de Oersted foram usados pelo jovem físico André Marie Ampère para

formular a Lei de Ampère. No caso de um fio retilíneo muito longo transportando

corrente, as linhas de campo magnético são círculos em planos perpendiculares ao

fio, e a orientação de tais linhas pode ser obtida por meio da regra da mão direita.

Figura 10: Experimento de Oersted. A geração de eletricidade pela influência do campo magnético de um ímã.

22

1.6.2 Determinação do campo magnético B

Analogamente ao caso de um sistema elétrico com elevado grau de liberdade

em que a utilização da Lei de Gauss simplifica enormemente a determinação

do campo elétrico, a lei de Ampère pode ser usada para determinar B num sistema

de correntes estacionárias com alguma simetria. O resultado da experiência de

Ampère diz que a circulação de B ao longo de uma curva C é proporcional à

intensidade de corrente I que atravessa a curva (também denominada circuito

amperiano). É importante destacar que isso só vale para correntes estacionárias.

A lei de Ampère pode ser escrita como:

onde é a permeabilidade magnética no vácuo com um valor no Sistema

Internacional de Unidades (SI):

e, B = Fluxo matgnético;

R = Raio do fio condutor;

i = Corrente elétrica.

1.6.3 Aplicações da Lei de Ampère

Quando a simetria do problema permite, é possível extrair o campo

magnético B para fora da integral de linha , permitindo sua determinação

via Lei de Ampère. Nas circunstâncias em que ela funciona, é de longe o método

mais rápido; caso contrário, deve-se recorrer à Lei de Biot-Savart. As configurações

de corrente nas quais a Lei de Amperè pode ser aplicada são:

Linhas retas infinitas;

Planos infinitos;

23

Solenóides infinitos;

Toróides;

1.7 Polipropileno

Polipropileno (PP) ou polipropeno é um polímero ou plástico, derivado

do propeno ou propileno e reciclável (Figura 11).

Ele pode ser identificado em materiais através do símbolo triangular de

reciclável, com um número "5" por dentro e as letras "PP" por baixo. A sua forma

molecular é (C3H6)x.

O polipropileno é um tipo de plástico que pode ser moldado usando apenas

aquecimento, ou seja, é um termoplástico. Possui propriedades muito semelhantes

às do polietileno (PE), mas com ponto de amolecimento mais elevado.

Figura 11: Peças feitas de Polipropileno.

1.7.1 Principais propriedades

Baixo custo;

Elevada resistência química e a solventes;

Fácil moldagem;

Fácil coloração;

Alta resistência à fratura por flexão ou fadiga;

Boa resistência ao impacto acima de 15 °C;

Boa estabilidade térmica;

24

Maior sensibilidade à luz UV e agentes de oxidação, sofrendo degradação

com maior facilidade.

1.7.2 Aplicações

Brinquedos;

Bumerangues;

Copos Plásticos;

Recipientes para alimentos, remédios, produtos químicos;

Calças para eletrodomésticos;

Fibras;

Saca-rolhas;

Filmes orientados;

Tubos para cargas de canetas esferográficas;

Carpetes;

Seringas de injeção;

Material hospitalar esterilizável;

Como Invólucro para materiais altoclavaveis;

Autopeças (pára-choques, pedais, carcaças de baterias,interior de estofos,

lanternas, ventoinhas, ventiladores, peças diversas no habitáculo).

Peças para máquinas de lavar.

Material aquático(pranchas de bodyboard).

Cabos para ferramentas manuais.

Atualmente há uma tendência no sentido de se utilizar exclusivamente o PP

no interior dos automóveis. Isso facilitaria a reciclagem do material por ocasião do

sucateamento do veículo, pois se saberia com qual material se estaria lidando.

25

2. Planejamento

2.1 Escolha do projeto

O grupo estava gostaria de ter um projeto que surgiria como uma solução de

um grave problema no Brasil ou no mundo e que chamaria a atenção dos visitantes

da apresentação dos TCCs. Inicialmente houve muita dificuldade para encontrar um

grande projeto. Surgiram três ideias: A pulseira que bloqueava sinal; o compactador

de lixo; e posteriormente o gerador magnético de energia.

A pulseira bloqueadora de sinal tinha a função de cortar o sinal do celular que

os presidiários usam para fazer ligações para as pessoas de fora da prisão. Foi uma

boa ideia, mas foram procuradas alternativas para a superação dessa.

A segunda ideia foi a do compactador de lixo. Como o próprio nome já diz,

seria uma lixeira que ao chegar certo nível de lixo compactaria o mesmo a força com

um sistema pneumático ou hidráulico. Porém esse projeto não iria dar resultado nas

residências das pessoas, talvez em alguma indústria de reciclagem, apenas.

Depois de muitas pesquisas, a ideia de fazer um gerador magnético de

energia foi a escolhida. O gerador era exatamente o que era procurado, algo que

chamasse a atenção do público e que solucionaria algum problema do meio

ambiente.

O planejamento do projeto foi organizado de acordo com a especialidade,

capacidade e responsabilidade dos integrantes do grupo. Mesmo tendo alguns

imprevistos de entrada de novos integrantes no grupo, as tarefas foram divididas

com serenidade. A cada semana, com o acompanhamento do cronograma, cada

atividade era entregue de acordo com a disponibilidade dos integrantes.

2.2 Escopo do projeto

2.2.1 Parte Mecânica

2.2.1.1 Base

A base, como o próprio nome já diz, vai ser o ―chão‖ do projeto. Suas

dimensões são: 350 mm de comprimento, 250 mm de largura e 15 mm de

espessura, no espaço que sobrará com a cabeceira, terá um afinamento para o

comprimento de 180 mm. A base será de Polipropileno (PP), pois possui baixo e

custo e alta resistência.

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2.2.1.2 Cabeceiras

As cabeceiras tem a função de apoio dos eixos, e consequentemente de toda

estrutura. Suas dimensões são: 160 mm de comprimento, 160 mm de largura e 15

mm espessura. As cabeceiras também são feitas de polipropileno, pois esse

material pode ser soldado, portentos irá se soldar com a base.

2.2.1.3 Anéis

Os anéis são os suportes dos ímãs. Os magnetos são colocados em furos

passantes feitos no anel. Esses, com o campo magnético do ímã, faz girar os discos.

Suas dimensões são: 133 mm de diâmetro externo, 94 mm de diâmetro interno e 20

mm de espessura. Seu material é feito de nylon.

2.2.1.4 Discos

Os discos são responsáveis pela maior parte do projeto, girar o eixo central e,

consequentemente, gerar eletricidade. Nesses discos os ímãs são colocados nos

furos não passantes feitos no lado externo e pela influência dos outros imãs dos

anéis fazem o eixo girar. O material será de polipropileno. Suas dimensões são: 80

mm de diâmetro e 20 mm de espessura.

2.2.1.5 Eixos

No projeto há cinco eixos, um central, três formando um triangulo e um

posicionado radialmente num disco excêntrico. O central serve para sustentar o

disco e quando girar transmitir movimento para o outro eixo que produz eletricidade

pelo ímã posto em sua extremidade. Os outros três eixos servem para dar

sustentação ao anel, os quais deslizam no mesmo. As dimensões do eixo central

são: 440 mm de comprimento e 8 mm de diâmetro. E as dimensões dos eixos do

anel são: 350 mm de comprimento e 8 mm diâmetro.

2.2.1.6 Rolamentos

Com a finalidade de que o eixo não fique preso nas cabeceiras, é preciso

utilizar rolamentos. Como são duas cabeceira, serão 2 rolamentos, com dimensões

de: 22 mm de diâmetro e 7 mm espessura.

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2.2.1.7 Tampa de Proteção

Nesse projeto o material da tampa é feito de acrílico. Deve-se pegar uma

placa de 570 x 350 mm e 5 mm de espessura e dividi-la em três partes iguais. Essas

três partes são conectadas por cantoneiras e dobradiças.

2.2.1.8 Ímãs de neodímio

Os ímãs de neodímio formam a parte mais importante do projeto. Sem eles

o projeto não teriam significado. Com a repulsão magnética dos ímãs acontece a

rotação de discos, eixos e os ímãs dos eixos.

2.2.2 Parte elétrica

2.2.2.1 Bobina

A bobina tem uma das principais funções do projeto, que é gerar eletricidade.

Ela feita de fios de cobre enroladas em forma de espiras formando uma solenoide.

Quanto maior a quantidade de espiras e a espessura do fio de cobre a corrente fluirá

melhor. Os terminais dos fios de cobre da bobina serão ligadas à leds. A bobina terá

66 espiram com e um diâmetro 0,1 mm.

2.3 Fluxograma

INÍCIO IMPULSO INICIAL

GIRA EIXO CENTRAL FECHA DISCO E ANEL

GERA CORRENTE NA BOBINA LIGA LEDS

FIM

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2.4 Planilha de custos

CUSTO DO MATERIAL

Descrição Dimensão Valor

unidade Quantidade Total

Placa de PP 410x350x15

mm R$ 75,00 1 R$ 75,00

Tubo de Nylon 130x80x75

mm R$ 50,00 1 R$ 50,00

Tarugo PP 90x75 mm R$ 25,00 1 R$ 25,00

Eixo de alumínio 3 8" x1000

mm R$ 15,00 2 R$ 30,00

Tampa de proteção de

acrílico

570x350x5 mm

R$ 60,00 1 R$ 60,00

Ímã de neodímio 10x4 mm R$ 1,00 30 R$ 30,00

R$ 270,00

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3 Desenvolvimento

3.1 Materiais

1 (uma) placa de 410 x 350 x 15 mm de Polipropileno para fazer a estrutura

do projeto;

1 (um) tudo de 130 x 80 x 75 mm de Nylon para fazer os anéis;

1 (um) tarugo de 90 x 75 mm de Polipropileno para fazer os discos;

1 (uma) placa de 570 x 350 x 5 mm de Acrílico para fazer a tampa de

proteção de projeto;

2 (dois) eixos de 3 8" x 1000 mm;

27 (trinta e dois) ímãs de neodímio de 10 x 4 mm;

2 (dois) rolamentos;

2 (dois) metros de fio de cobre nu;

3.2 Usinagem dos materiais

Para a estrutura do projeto, começamos cortando a base. Pegamos a placa

de PP, cortamos na medida de 350 x 250 mm e fizemos o corte triangular, onde uma

lateral terá forma trapezoidal (figura 12). Todos os cortes da base foram feitos com o

manuseio de makita.

Figura 12: Ilustração da base.

Com a mesma makita, cortamos o que restou do corte da base para originar

as cabeceiras do projeto. Feito esses cortes, usinamos na fresa para chegarem à

forma quadrada de 160 mm de lado e fizemos três furos de diâmetro de 8 mm nas

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duas placas de forma que, ligando os furos, formasse um triangulo equilátero e que

o centro dele seria o centro da cabeceira. E, por ultimo, furamos o centro da placa

para encaixar o rolamento de 22 mm de diâmetro (figura 13).

Figura 13: Ilustração de uma cabeceira.

Para os discos, utilizamos o torno para a maior parte da usinagem.

Primeiramente, desbastamos o tarugo de PP até chegar a 75 mm de diâmetro.

Depois, cortamos a peça em três partes iguais de 20 mm de espessura com o

bedame. Tendo os três discos em mãos, desenhamos em um deles as linhas de

angulação e o centro do furo para os ímãs. Fizemos dez furos para os ímãs com

angulação de 20° em relação à superfície do disco e finalmente um furo no centro

para a fixação de eixo central de 8 mm de diâmetro (figura 14).

Figura 14: Ilustração de um disco com os ímãs posicionados.

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Do tubo é que vão sair os anéis. Usinamos o diâmetro interno do tubo até

chegar a 94 mm. Feito isso, cortamos o tubo também em três partes de 20 mm cada

com o bedame. Desenhamos as linhas de angulação e dos furos para os ímãs em m

deles e depois fizemos 15 furos passantes de 8 mm Em seguida aumentamos para

10 mm. Por último, furamos o anel com a mesmas coordenadas dos três furos para

os eixos da cabeceira (figura 15).

Figura 15: Ilustração de um anel com os ímãs posicionados.

Dos dois eixos comprados, cortamos em três partes com medida de 350 mm

cada e usinamos no torno até chegarem ao diâmetro de 8 mm e fizemos um rebaixo

de 1,5 mm no diâmetro nas extremidades para a fixação de porcas. Para isso,

fizemos as roscas nos três eixos. Depois, cortamos outro com medida de 440 mm e

também usinamos até chegar a 8 mm. Com os 500 mm que restaram, utilizamos 100

mm para fazer a função de empurrar a barra de ímã dentro da bobina e gerar

energia.

Para finalizar a parte de usinagem, cortamos a placa de acrílico, que é a

tampa de proteção do dispositivo, com a makita em três partes iguais.

3.3 Montagem

3.3.1 Montagem da parte mecânica

Primeiramente, foi colocado os ímãs nos respectivos furos nos discos e anéis

sobre pressão. Em seguida, encaixamos os eixos de sustentação nos anéis e o eixo

central nos discos (figura 16).

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Figura 16: Eixos, discos e anéis ligados.

Feito isso, fixamos os rolamentos nas cabeceiras e em seguida os eixos nos

seus respectivos lugares, sendo que o eixo central é posicionado nos rolamentos,

sendo que os eixos dos anéis foram fixados com porcas na cabeceira. Depois,

colocamos um disco de maneira excêntrica no eixo central que faz movimentar o

eixo que é posicionado radialmente e é colada uma barra de ímã na outra

extremidade. Para finalizar, posicionamos a cabeceira em cima da base e soldamos

as mesmas uma na outra.

3.3.2 Montagem da parte elétrica

Primeiramente, pegamos os fios de cobre e os enrolamos de forma espiral

para originar uma solenoide. Depois de enrolados os fios, a bobina solenoidal é

posicionado em frente à barra de ímã para que possa ocorrer a indução

eletromagnética. Para terminar, ligamos um led nos terminar da bobina para provar a

teoria do nosso projeto.

3.4 Finalização

Após todas as peças encaixadas e firmes na estrutura, colocamos a tampa de

proteção em volta da estrutura (figura 17), para que não ocorram acidentes que

possam envolver pessoas.

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Figura 17: Estrutura do projeto sem a bobina e sua respectiva proteção.

3.5 Vistas

Figura 18: Vista lateral esquerda.

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Figura 19: Vista frontal.

Figura 20: Vista superior.

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4 RESULTADOS OBTIDOS

Foram utilizadas várias horas de usinagem até o primeiro teste. Inicialmente,

sem a montagem completa do dispositivo, foi posicionado o eixo principal na vertical.

Dado o impulso no disco dentro do anel, não foi possível a manutenção movimento

de rotação através das forças de repulsão magnética. Entretanto, ao deslocar o

disco em relação ao plano do anel constatou-se que as forças de repulsão entre os

ímãs se anulavam com a força da gravidade, sustentando a peça por um período

maior de rotação em relação ao posicionamento original.

Após uma análise detalhada dos componentes, evidenciou-se que os ímãs

não estavam equidistantes, o que poderia ser a causa principal do problema. Assim

sendo, foi usinado outro disco com novas furações mais precisas. Repetidos os

testes, o problema persistiu.

Devido aos ângulos dos ímãs incorretos, difíceis de acertar pela

complexidade do cálculo, além da falta de ferramentas, de tempo e a exigência de

elevada precisão nas posições dos ímãs, o resultado do projeto foi insatisfatório.

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5 CONCLUSÃO

Com o objetivo de desenvolver uma alternativa para energia limpa e a

divulgação do Gerador magnético de energia elétrica, o projeto foi iniciado com

muita confiança e empolgação, pois abordava um tema inovador para a sociedade.

Porém, para o sucesso do projeto é necessário conhecer a fórmula para

calcular a angulação dos ímãs em relação à superfície e a distancia dos mesmos

entre o disco e o anel. Essa mesma fórmula é camuflada por ser uma alternativa de

fonte de energia autossustentável e fácil de montar se conhecendo os valores, além

dela ser extremamente complicada de se desenvolver. Se esse projeto fosse

liberado para o público, teríamos energia gratuita para alimentar nossas residências

sem a necessidade de pagar impostos, o que seria prejudicial ao governo.

Os protótipos existentes são montados por pessoas que não mostram essa tal

fórmula e poucos a conhecem. Eles desenvolvem o projeto com o auxilio de

simuladores de altos custos e difíceis de serem encontrados. Portanto, isso torna o

projeto muito complexo.

Com a ajuda de terceiros, o grupo continua motivado e tentará desenvolver

um protótipo mais simples e fácil de ser montado sem a necessidade de fórmulas ou

simuladores, sendo possível fazer testes à mão e obter sucesso rapidamente.

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6 REFERÊNCIAS

http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador_el%C3%A9trico

http://pt.wikipedia.org/wiki/Magnetismo

http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/CampoMagnetico/im

asemagnetos.php

http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Faraday-Neumann-Lenz

http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dm%C3%A3_de_neod%C3%ADmio

http://pt.wikipedia.org/wiki/Polipropileno

http://www.infoescola.com/eletricidade/bobina/