Construa um canhão eletromagnético (MEC120)

Além dos eletroímãs, campainhas e vibradores, existem alguns outros dispositivos interessantes que podem ser construídos para demonstrar os princípios do eletromagnetismo. Uma montagem, que pela sua facilidade pode ser implementada até mesmo por alunos de cursos fundamentais e de primeiro grau, é a do canhão eletromagnético. Apesar de representar uma "arma" ele atira pequenos grãos a uma distância que depende da habilidade do montador. Uma pequena "guerra" entre dois exércitos de soldadinhos de papel pode ser programada como uma interessante atividade que envolve a tão falada Educação Tecnológica.

A idéia básica é muito simples e usa somente componentes de baixo custo, até retirados de material de sucata:

Enrolamos um pequeno solenóide com núcleo livre.

O núcleo é um prego ou parafuso de metal ferroso, exatamente como mostra a figura 1.

Solenóide com núcleo liver.

Este núcleo pode deslizar livremente dentro do solenóide e é posicionado de modo a ficar parcialmente para fora.

Quando o solenóide é alimentado por um conjunto de pilhas, o campo magnético criado puxa violentamente o parafuso para seu interior arremessando uma bolinha de papel ou outro material à distância, conforme mostra a figura 2.

Atirando

Uma vez interrompida a alimentação, após o "tiro", o parafuso desliza de volta para sua posição inicial, permitindo a recarga do canhão.

Um novo tiro pode então ser dado.

Como atividades escolares existem diversos princípios que podem ser associados ao pequeno canhão e diversas atividades complementares podem atiçar o entusiasmo dos alunos.

Evidentemente, trata-se de um projeto que poderá ser implementado como atividade para os cursos de ciências e físicas de diversos níveis do ensino.

Assim, antes de descrevermos sua montagem, analisemos os princípios básicos que podem ser associados ao canhão através do estudo de seu funcionamento.

Como Funciona

Quando uma corrente elétrica percorre uma bobina cilíndrica que denominamos solenóide, um campo magnético com a orientação de linhas de força mostrada na figura 3 é criado.

Criação de um campo magnético.

Conforme podemos ver este campo é mais intenso no seu interior, o que significa que objetos de metal ferroso colocados na sua proximidade tendem a ser atraídos para esse local.

A intensidade do campo e portanto a força com que ele pode atrair os objetos, dependem de diversos fatores como:

a) O número de voltas de fio

A cada volta de fio que dermos, o campo criado se somará ao da espira anterior.

Assim, quanto mais voltas de fio dermos, mais intenso será o campo criado para uma determinada corrente no solenóide.

b) A intensidade da corrente

Quando mais intensa for a corrente no solenóide, mais forte será o campo criado.

No entanto, a intensidade da corrente também depende do número de voltas e do tipo de fio usado.

Quando mais voltas de fio dermos, mais longo será o fio usado e portanto maior será sua resistência elétrica.

Assim, se o fio for muito fino e dermos muitas voltas a corrente não será muito intensa e não teremos muita força.

Por outro lado, se o fio for muito grosso, teremos menor resistência e, portanto maior corrente, mas no espaço físico de que dispomos para enrolar a bobina não caberão muitas espiras.

Existe um valor ideal que vai depende de experimentação, conforme veremos na parte prática que explica a montagem do canhão.

c) As dimensões físicas

As dimensões físicas dependem dos fatores anteriores.

Juntamente com estas dimensões temos o parafuso que deve ter um comprimento apropriado.

Se somente uma parte pequena de sua ponta ficar dentro do solenóide ele não poderá ser puxado.

Por outro lado, se uma parte muito grande do parafuso já ficar dentro o puxão o movimentará muito pouco.

Em alguns casos será necessário envolver o parafuso num pedacinho de fita adesiva ou papel para que ele deslize melhor no canudinho.

Se usarmos fio muito grosso o canhão precisa ser grande, ou se fizermos um canhão muito grande com um parafuso muito pesado no núcleo, precisaremos de uma fonte de energia muito potente para "dispará-lo".

As medidas que damos na parte prática foram obtidas experimentalmente e portanto devem ser seguidas como referência.

A fonte de energia que usaremos consistirá num conjunto de pilhas médias ou grandes.

Não será conveniente usar pilhas pequenas ou bateria de 9 V pois estas fontes de energia têm pequena capacidade de corrente, esgotando-se rapidamente e não proporcionado uma boa força de tiro.

A partir do princípio de funcionamento os professores podem perceber que temos diversos temas do curso de ciências e físicas que podem ser associados ao experimento tais como:

* A experiência de Oesterd

* Eletromagnetismo

* Faraday

* Eletroímãs

Atividades Escolares

As atividades práticas com o canhão podem envolver algumas competições interessantes tais como:

* Ver quem monta o canhão que consegue o maior alcance.

* Fazer um combate em que dois "exércitos" são formados e devem derrubar os soldados inimigos, como mostra a figura 4. Vence quem derrubar todos os inimigos em primeiro lugar.

Combate entre dois atiradores.

* Tiro ao alvo - ver quem acerta um determinado alvo com menos ritos, ou derruba mais alvos com um determinado número de tiros fixo.

Enfim, o tipo de competição a ser realizada depende da imaginação do professor e da habilidade dos alunos.

Montagem

A única parte do material mais difícil de obter ou que dá um pouco mais de trabalho é o fio esmaltado.

Este fio é usado em transformadores e motores e pode ter as mais diversas espessuras.

Para nosso projeto recomendados o uso de fio com espessura de 28 a 32 AWG.

Como obter este fio e como saber de que espessura ele é?

O melhor lugar para obter este fio é em motores e transformadores que tenham sofrido algum tipo de pane, mas que não seja a queima no sentido de que não tenham aquecido até "solta fumaça" antes de deixarem de funcionar.

Eles simplesmente pararam de funcionar por uma interrupção do fio.

Podemos reconhecer isso pelo fato de que o fio dos motores ou transformadores que queimaram estarem enegrecidos e cheirando queimado.

Um fio em bom estado é marrom claro indicando que seu fino isolamento de esmalte está intacto.

Desmontamos então o transformador ou o motor e tiramos com cuidado quanto fio pudermos, tomando cuidado para não arranhá-lo ou raspá-lo.

Depois enrolamos de 200 a 500 voltas de fio esmaltado deixando um pedaço ou ponta de pelo menos 30 cm em cada extremidade do enrolamento.

A base do canhão é preparada cortando-se um pedaço de plástico ou papelão e fazendo sua dobra da forma indicada na mesma figura.

As rodinhas podem ser tiradas de qualquer brinquedo e são fixadas num pedaço de canudinho plástico que é colado na base,

Colamos nesta base uma peça em "L" com um encaixe para colar e fixar o canhão.

Observe que o posicionamento desta peça deve ser tal que a bobina fique afastada da parte posterior que limita o movimento do parafuso de uma distância apropriada.

Colada esta parte, o parafuso que serve de propulsor para o canhão deve ser encaixado.

Na figura 5 temos detalhes e dimensões para a montagem.

Dados para a montagem.

Quando o canhão estiver inclinado, conforme mostra a figura 6, o parafuso deve sempre deslizar sozinho para a posição em que ele encosta no anteparo.

Exemplo de montagem.

Passamos depois à parte elétrica do projeto.

O circuito para alimentação do canhão é mostrado na figura 7.

Figura 7 - Circuito de alimentação do canhão.

A soldagem ou ligação dos fios do solenóide deve ser feita depois de rasparmos com um estilete suas pontas.

Sem isso, o fino esmalte que recobre este fio impede a passagem da corrente.

Prova e Uso

Posicione o canhão, coloque pilhas no suporte e como bala use um pedacinho de macarrão que caiba no canudinho ou outro objeto.

Ao apertar S1 o parafuso deve ser puxado com força para o interior do solenóide lançando longe o macarrão.

O alcance vai depender de diversos fatores que eventualmente devem ser modificados tais como:

a) Altere o número de voltas da bobina.

b) Verifique também o peso do parafuso usado, tentando um mais leve

c) Veja se o parafuso não está prendendo no canudinho, não tendo seu movimento livre.

Depois, é só usar seu canhão, programando as competições.

Observação importante:

Ao atirar aperte apenas por um momento o interruptor.

Não o mantenha pressionado por muito tempo pois isso, além de causar o esgotamento rápido das pilhas, também aquece a bobina do solenóide.