Correntes de Foucault

Apresentação Quando um corpo metálico oscila, cruzando o entreferro de um ímã ou eletroímã, ocorre uma variação de fluxo através dele, ocasionado por uma variação de área. Essa variação de fluxo magnético induz uma f.e.m. (força eletromotriz) no corpo, que determina, por sua vez, o aparecimento de uma corrente elétrica em sua massa. Essa corrente induzida gera um novo campo magnético que se opõe ao campo magnético indutor (lei de Lenz). É sobre tais correntes, sua geração e controle é que iremos comentar. Resumo teórico Correntes de Foucault --- recebem esse nome e também de 'correntes parasitas', as correntes elétricas que aparecem em massas metálicas, como conseqüência da variação de fluxo que as atravessam. Em outros idiomas, tais correntes elétricas em trajetórias imprecisas têm denominações equivalentes a 'correntes em rodamoinho ou turbilhonares' (eddy currentes, wirbelströme) --- alguns autores colocam 'correntes de Eddy', dando a entender que Eddy é nome de gente! Essas correntes, vantajosas em alguns casos, são nocivas em muitos outros, porque podem acarretar grandes dissipação de energia e, sobre tudo, porque elevam a temperatura das peças metálicas (dentro das quais se originam) ocasionando, por vezes, a destruição de partes de aparelhos. A razão disso é que sua intensidade é alta, devido ao fato de que a resistência ôhmica dessas massas metálicas é pequena; o efeito Joule incumbe-se de propiciar uma grande elevação da temperatura. Essas correntes podem ser evidenciadas por seus efeitos, dai os experimentos que propomos. Breve histórico Jean Bernard Leon Foucault nasceu em Paris em 18 de Setembro de 1819. No início de sua carreira estudou medicina; concluído o curso, cedo o abandonou para se dedicar à Física. Em 1851 ele constrói o então famoso experimento que conhecemos como Pêndulo de Foucault, constituído por uma esfera metálica 28 kgf de peso, suspensa por um fio de aproximadamente 67 m, e que serve para demonstrar a rotação da Terra. Alguns anos após, inventa e constrói o giroscópio, um aparelho que lhe permitiu realizar novas experiências sobre o movimento da Terra. Foucault recebeu pela descoberta do giroscópio a medalha Copley, da Royal Society de Londres. Em 1855 se torna assistente de física do Observatório Imperial de Paris. Junto com Armand Fizeau consegue aprimorar e medir a velocidade da luz no ar e na água, além de conseguir a primeira fotografia solar tirada depois de aprimorar o daguerreótipo, que foi um aparelho fotográfico criado por Daguerre. Deve-se a Foucault, a descoberta das correntes induzidas em um condutor quando em movimento na presença de um campo magnético intenso. As Correntes de Foucault são utilizadas para amortecer oscilações em alguns aparelhos (balanças de precisão, medidores de corrente, tensão etc.), frenagens, fornos de indução etc. Foucault morreu em 11 de Fevereiro de 1868, em Paris. Experimentos 1.- Coloquemos um disco de cobre R, que pode girar com facilidade, entre os pólos de um eletroímã E. Enquanto não passa corrente elétrica pela bobina B, o disco gira facilmente quando acionado pela manivela M. Porém, ao se ligar a corrente que passa por B, iremos experimentar um certo grau de dificuldade para fazer girar o disco, algo como se este estivesse submetido a um intenso atrito que antes não existia. Apesar disso, se insistirmos em fazer girar o disco, esse passará a exibir um intenso aquecimento. Este fenômeno se aplica, com freqüência, como regulagem de velocidades de rotação e na determinação do equivalente mecânico do calor. O que ocorre com nosso disco é bem explicado pela corrente de Foucault que surge em sua massa; por seu efeito eletromagnético (e de acordo com a lei de Lenz) ela se opõe à rotação do disco (que é uma das causas de seu aparecimento). 2.- Entre os pólos de um eletroímã (o mesmo do experimento 1) façamos oscilar um pêndulo P, em torno do eixo AB, formado por uma lâmina de cobre (alumínio, latão etc., material não ferromagnético) suspensa por uma vareta de mesmo metal. Observaremos o seguinte: o pêndulo oscilará normalmente enquanto não passar corrente elétrica pela bobina B, ou seja, enquanto não existe campo magnético entre as faces polares do eletroímã, porém, quando se liga a corrente, o pêndulo se detém bruscamente. O fenômeno se deve às correntes de Foucault nascidas na massa P que está submetida a um fluxo variável enquanto oscila. Substituindo-se essa lâmina por outra de mesmo material e formato, porém dotada de fendas (cortes na direção perpendicular às linhas de campo magnético), o amortecimento será muito mais fraco. Essa diferença de comportamento exibido pelas duas lâminas tem a seguinte explicação: as correntes de Foucault podem desenvolver-se com grande intensidade na lâmina inteiriça, assim dissipando rapidamente a energia oscilatória do pêndulo; isto não pode suceder na lâmina com fendas. A descontinuidade do material afeta (aumenta) seriamente a resistência elétrica da lâmina. O experimento acima descrito é denominado Pêndulo de Waltenhofen. 3.- Efeito semelhante se observa quando se dispõe entre os pólos do eletroímã (o mesmo do experimento 1) uma esfera metálica M, suspensa por um fio h (uma espécie de pêndulo simples). O experimento pode ser feito como 'pêndulo' ou como 'rotação'. Para o efeito 'pêndulo', repita o procedimento do experimento anterior. Para se observar o efeito 'rotação', basta torcer bem o fio, libera-lo e deixar a massa M girar; esse giro se detém bruscamente quando se liga a corrente elétrica, estabelecendo o campo magnético entre as extremidades polares do eletroímã. 4.- Dentro de uma caixa C, geralmente de vidro, cujo objetivo é evitar as correntes de ar, se dispõe um ímã permanente NS que pode girar na horizontal por ação da manivela M. Paralelamente ao ímã se encontra um disco de cobre DD, que pode também girar livremente ao redor do eixo vertical E. Entre o ímã e o disco há uma lâmina de vidro V cujo objetivo é evitar que a corrente de ar originada pela rotação do ímã possa atuar sobre o disco. Fazendo o ímã girar, observaremos que o disco DD começa a girar e pouco a pouco vai aumentando sua velocidade de rotação, até adquirir uma velocidade angular pouco inferior à do ímã. O fenômeno, novamente, se deve às correntes de Foucault que se originam em DD e cujos sentidos são tais que se opõem à rotação do ímã; como conseqüência, o disco gira com ele. Se permutarmos disco e ímã, e fazemos girar o primeiro, o segundo também sofrerá arrastamento e a razão é exatamente a mesma. 5.- Em lugar de um eletroímã, podemos usar também um 'forte' ímã permanente. Para tanto você precisará de um desses ímãs em forma de U ou C, suporte e placas de alumínio (cobre ou latão). Observe a frenagem da placa de alumínio, quando posta a oscilar entre os pólos do ímã. Esse efeito é usado para a frenagem do movimento de trens (sistema de freios eletromagnéticos). Essa corrente induzida na massa de metal é indesejável nos núcleos de transformadores. Para minimizar isso, o núcleo é construído com lâminas de ferro¬silício, isoladas entre si, para restringirem o percurso dessas correntes. Atenuação das correntes de Foucault Há muitos casos, conforme já salientamos, que é conveniente reduzir a intensidade destas correntes 'parasitas', já que não é possível fazê-las desaparecer totalmente nem evitar seu 'nascimento' nas massas metálicas. Os núcleos de eletroímãs de corrente alternada e dos transformadores são, entre outros aparelhos, os mais afetados pelos inconvenientes das correntes de Foucault. A técnica que amiúde se emprega para tal minimização é a de secionar as massas metálicas, dando-lhes numerosos cortes (o que corresponde montá-las a partir de lâminas) e isolar, uma das outras, as porções resultantes. Assim se faz, e por isso observamos que os núcleos de ferro de certos aparelhos (as bobinas de Rumkorff são bons exemplos), em lugar de ser constituído por um cilindro maciço de metal, se constroem reunindo boa quantidade de 'arames' envernizados, ou recobertos por seus próprios óxidos, que são isolantes elétricos. Os núcleos de transformadores, como outro exemplo, são formados por lâminas de ferro separadas por uma pintura isolante. Desse modo, as correntes de Foucault, que são geradas nos distintos elementos isolados, não podem adquirir senão pequenas intensidades, porque a resistência de cada porção é relativamente grande em comparação com a que a massa toda, unida, apresentaria.