Lançador de Anel Eletromagnético

Sajjad Haidar | 21 de novembro de 2016

Há uma demonstração muito comum em museus de ciências e salas de aula de física chamada "Anel de Salto" ou "Lançador de Anel Eletromagnético". O experimento envolve um núcleo de ferro cilíndrico de vários centímetros de comprimento inserido em um grande solenóide e um anel de cobre atravessa o núcleo de ferro estendido. Quando o solenóide é alimentado pela rede elétrica CA, o anel salta para fora do núcleo.

Existem várias razões para o experimento ser tão popular e tão significativo na ciência e na engenharia. Em primeiro lugar, é interessante observar um anel de metal saltando ou pairando. Em segundo lugar, ele utiliza a lei de indução de Faraday, a lei de Lenz, indutância mútua e forças devido à indução eletromagnética para possibilitar que o anel flutue ou salte. O principal problema com este tipo de lançador de anel convencional é seu tamanho e peso volumosos, pois requer um grande número de voltas de fio de cobre grosso para o solenóide e núcleo de ferro pesado no interior. Além disso, como opera na tensão da rede elétrica (115 V ou 230 V, CA), não é seguro operar. Os cálculos mostram que o lançamento do anel é muitas vezes mais eficiente em frequências várias vezes superiores às da rede CA (50/60Hz).

Neste projeto utilizei um gerador de onda quadrada de frequência ajustável de 700 Hz a 18 kHz empregando um CI temporizador 555; cuja saída aciona um MOSFET de potência. O MOSFET aciona uma pequena bobina de ~ 50 – 60 voltas enroladas em um cilindro de ferrite de 10 cm de comprimento em vez de um núcleo de ferro. Um anel de cobre é colocado através da parte estendida do cilindro de ferrite. Um capacitor de filme de 16 micro Farad é colocado em paralelo com a bobina para obter ressonância paralela. Na ressonância, a corrente através da bobina pode ser várias vezes maior do que a fornecida pela fonte de energia. Usando um fio de cobre grosso (AWG #14) para fazer a bobina, a resistência da bobina é reduzida, o que torna o fator de qualidade (Q) da bobina alto. O alto Q da bobina mantém aproximadamente ~ 8 vezes mais corrente do que a fonte de alimentação pode fornecer. A alta corrente primária é essencial para induzir alta corrente no anel de cobre, o campo interativo faz o anel levitar. O circuito precisa apenas de 24V DC para levitar, pairar e atirar no anel. Um resistor de 10 Ohm é usado em série com a fonte de alimentação de 24 V, pois a frequência do oscilador aumenta lentamente e a corrente de alimentação diminui gradualmente. Na frequência ressonante, a corrente de alimentação atinge o mínimo (~1,2 A), e também neste ponto o anel de cobre levita e paira no meio da haste de ferrite estendida. Outra chave é usada para encurtar o resistor de 10 Ohm, quando está em curto, o anel salta alguns centímetros para fora da haste. Agora, mantendo o resistor de 10 Ohm em curto, se a fonte for ligada, o anel salta dezenas de centímetros acima da haste. Este vídeo mostra esses efeitos.

Instruções completas de construção e lista de peças continuam abaixo:

O circuito:

O circuito consiste em um oscilador de onda quadrada implementado por um temporizador 555 IC, um MOSFET de potência e um circuito driver MOSFET (Fig.1). O circuito precisa de duas fontes de alimentação, uma fonte de 15V, 0,8A para fornecer energia ao oscilador e ao driver MOSFET e uma fonte de 24V, 4A para alimentar a bobina.

Para atingir um resistor de ciclo de trabalho próximo a 50%, R1 é escolhido 180 Ohm, que é um valor muito menor comparado a R2+R7 (mínimo ~ 4,7k). Variando R2 de 100K a 0 Ohm, a saída de onda quadrada é obtida de 700Hz a 18 kHz. Esta saída de onda quadrada no pino 3 do 555 timer IC não deve ser usada diretamente para conduzir o MOSFET (Q3), para a capacitância do gate. Um driver MOSFET é implementado usando dois transistores, Q1 e Q2. Para limitar a corrente inicial de porta alta, R5 é usado. Um MOSFET de alta potência e alta corrente (Q3) é usado para acionar a combinação bobina-capacitor. Um diodo de recuperação rápida, D1, é usado para deixar o circuito LC funcionar livremente durante o tempo OFF do MOSFET. Um indutor de 5 micro Henry (L1) é usado para limitar a alta corrente inicial, quando o MOSFET é ligado. Este L1 pode ser feito facilmente enrolando ~40 voltas em um pedaço de tubo de plástico de 1 cm de diâmetro. Quando o MOSFET está LIGADO, a energia é entregue ao circuito LC, quando o MOSFET está DESLIGADO, a energia armazenada no capacitor C e na bobina L começa a fluir entre L e C.