Glauco Diniz Duarte Diretor – Solenoide como funciona

Segundo o Dr. Glauco Diniz Duarte, os solenoides são utilizados numa grande quantidade de aplicações na indústria, em eletrodomésticos de todos os tipos, em eletrônica embarcada (automotiva, aeronáutica e náutica) além de muitas outros campos em que a eletrônica esteja presente. O solenoide é um dos mais importantes de todos os dispositivos eletromecânicos conhecidos. Aprenda neste artigo um pouco mais sobre os solenoides e onde eles são usados.

Existem diversas maneiras de se obter força mecânica a partir de energia elétrica. Os motores elétricos são consistem no exemplo mais conhecido disso, onde aproveitando-se o efeito magnético da corrente podemos criar forças capazes de mover um rotor.

Menos comuns são as formas que aproveitam propriedades de certos materiais como por exemplo as SMAs (Shape Alloy Memories) e os materiais piezoelétricos.

No primeiro caso podemos fabricar fios de certas ligas, como o Nitinol que mudam de forma quando percorridas por uma corrente produzindo uma considerável força mecânica neste processo. Os chamados “músculos elétricos” de robôs utilizam estas fibras.

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Usando um fio SMA como músculo de um braço mecânico.

Por outro lado, materiais com propriedades piezoelétricas como certas cerâmicas, contraem-se ou dilatam-se de algumas partes por milhão quando submetidos a uma tensão elétrica e neste processo também podem produzir força mecânica. Com estes materiais podemos elaborar motores piezoelétricos, como o mostrado na figura 2, que encontra aplicações em eletrônica de precisão, principalmente onde se necessita de um grau de miniaturização extremo.

O movimento oscilatório da cerâmica pode ser usado para girar um eixo.

No entanto, baseado no velho princípio da produção da uma força mecânica a partir do campo magnético criado por uma corrente numa bobina existe um dispositivo de grande utilidade e que é encontrado numa infinidade de aplicações importantes: o solenoide.

É justamente deste dispositivo que vamos falar nas próximas linhas deste artigo.

O Solenoide

Uma bobina cilíndrica com as características mostradas na figura 3 recebe o nome de solenoide.

Campo magnético num solenoide.

 Ao ser percorrida por uma corrente a bobina cria um campo magnético que é mais intenso no seu interior.

A intensidade deste campo depende de diversos fatores como:

1. a) Número de espiras da bobina

2. b) Intensidade da corrente

3. c) Existência ou não de um núcleo no seu interior

Observa-se que se colocarmos nas proximidades de um solenoide um núcleo de material ferroso, que concentre as linhas do campo magnético, uma força aparece no sentido de puxar este núcleo para o interior da bobina, conforme mostra a figura 4.

O solenoide puxa para seu interior objetos ferrosos.

A partir deste fato podemos elaborar dispositivos capazes de produzir força mecânica ao puxar um núcleo e que justamente são denominados solenoides. Na figura 5 temos um exemplo de um solenoide comum.

Um solenoide comum.

 Quando a bobina está desligada, a mola mantém o núcleo de material ferroso do solenoide fora do núcleo da bobina.

Quando fechamos o circuito e a bobina é percorrida por uma corrente o campo magnético criado puxa o núcleo para o interior liberando desta forma, força mecânica.

É fácil perceber que o solenoide só pode realizar um esforço mecânico num percurso relativamente pequeno (que é a distância que ele percorre ao ser puxado).

Um outro fato que deve ser levado em conta é que, para a construção mostrada, a força não tem a mesma intensidade no percurso realizado pelo núcleo, pois ela aumenta à medida que ele penetra na bobina, conforme mostra a figura 6.

A força varia com a posição do núcleo.

Solenoides comuns podem produzir forças que vão de fração Newton (N) até diversos Newtons.

No entanto, quando se necessita de um puxão ou um empurrão numa parte mecânica de algum dispositivo, o solenoide se mostra ideal para esta tarefa.

Na verdade, dependendo do tipo de empurrão ou puxão que se deseja produzir o solenoide pode ser construído de diversas formas.

Tipos de Solenoides

Para cada aplicação podemos construir um solenoide com características específicas.

Isso nos leva a uma linha enorme de tipos que são encontrados nas mais diversas aplicações e de que vamos falar a seguir e que são mostrados na figura 7.

Tipos comuns de solenoides.

Em (a) temos um solenoide com núcleo cilíndrico típico que empurra (push) alguma coisa quando é ativado. O tipo de solenoide mostrado em (b) puxa (pull) alguma coisa quando é energizado e usa um núcleo cilíndrico.

Em C mostramos um solenoide de alta potência que usa núcleo laminado e que, portanto, opera com corrente alternada.

Um tipo importante de solenoide que encontramos em certas aplicações é o solenoide rotativo que é mostrado em (d). Neste solenoide, a cada pulso de corrente na bobina o seu eixo avança de um certo ângulo.

A construção típica deste solenoide é mostrada na figura 8.

Um solenoide rotativo “por dentro”.

Um solenoide este tipo pode produzir movimento giratório a partir de pulsos de corrente, funcionando como uma espécie de motor. Observe, entretanto, que a ação deste solenoide é unilateral, ou seja, o rotor só pode girar num único sentido.

Outros tipos com construções que são variações dos tipos indicados podem ser encontrados em muitos equipamentos de uso comum.

Características

Quando se trabalha com solenoides é preciso saber interpretar suas características ou mesmo descobri-las quando elas não são especificadas pelos fabricantes.

Vamos analisá-las e ver como podemos descobri-las:

1. a) Tensão nominal

É a tensão que precisamos aplicar a bobina parfa que ele produza a força esperada.

Para os solenoides comuns, esta tensão pode variar entre 1,5 V e 48 V (tipos DC) e 12 a 220 V (tipos AC)

Na realidade, qualquer solenoide sempre vai produzir força quando uma tensão for aplicada, por menor que seja. No entanto, numa aplicação ele deve produzir uma certa força bem definida e esta depende, portanto, de se aplicar uma tensão de valor certo.

Na figura 9 temos a curva força x tensão para um solenoide comum, que, no entanto, pode variar já que nem todos os tipos têm esta característica linear.

Curvas típicas de funcionamento de solenoides.

Podemos descobrir a tensão de funcionamento de um solenoide de uma forma relativamente simples, porém que não leva a resultados absolutamente exatos a não ser que conheçamos a força que os solenoides devam produzir.

Para isso basta ligar os solenoides a uma fonte variável de tensão e medir a força produzida com um dinamômetro, conforme mostra a figura 10.

Medindo a força de um solenoide.

Não é simples determinar a tensão máxima que pode ser aplicada. O que se pode fazer neste caso é verificar quando a bobina do solenoide começa a se aquecer. Um aquecimento excessivo indica que a tensão aplicada superou o valor máximo suportado pelo componente.

1. b) Corrente nominal

É a c horrente que percorre a bobina dos solenoides quando a tensão nominal ou tensão de funcionamento é aplicada. Esta corrente varia entre algumas dezenas de miliamperes e alguns amperes dependendo do tamanho, força e aplicação dos solenoides.

Se conhecermos a tensão nominal ou tensão de operação normal de um solenoide podemos medir a corrente simplesmente usando um multímetro comum (para solenoides DC). Na figura 11 mostramos como fazer esta medida.

Se a resistência da bobina dos solenoides for conhecida (ou medida) podemos facilmente calcular a corrente nominal usando a Lei de Ohm:

Medindo a resistência da bobina de um solenoides.

I = V/R

Onde: V é a tensão nominal do solenoide (V)

R é a resistência da bobina (?)

I é a corrente nominal do solenoide (A)

1. c) Resistência da bobina

A resistência da bobina de um solenoide vai determinar a intensidade da corrente que o aciona quando a tensão nominal é aplicada (Lei de Ohm). Para os solenoides comuns pode variar entre alguns? e alguns milhares de?

Quando esta resistência não é conhecida temos duas formas para determiná-la:

A primeira é medindo-a diretamente com um multímetro.

A segunda é usando a Lei de Ohm com a tensão e corrente nominais, conforme a fórmula:

R = V/I

Onde R é a resistência da bobina (?)

V é a tensão nominal do solenoide (V)

I é a corrente de acionamento (A)

1. d) Força produzida

Esta é uma característica importante de um solenoide, principalmente para quem faz projetos. Nem sempre esta força é conhecida e é preciso determiná-la.

Nas especificações dos solenoides a força é expressa em Newtons (N) quando a tensão nominal é aplicada. Em alguns tipos, cuja força não é linear ao longo do percurso do núcleo, esta força pode ser dada na forma de um gráfico.

Podemos determinar esta força usando um dinamômetro e um dispositivo formado por uma alavanca, conforme mostramos na figura 10.

A alavanca é indicada para se obter maior precisão já que os dinamômetros comuns operam segundo a tensão de numa mola e esta depende do percurso. Com um percurso maior necessário para acionar o dinamômetro corre-se o risco de se ler o deslocamento do núcleo e não a força exercida.

Usando uma balança comum

 Lembre-se que a força F exercida pelo solenoide será dada por:

F = D/d x Fo

Onde: F é a força exercida pelo solenoide

d é o braço menor da alavanca

D é o braço maior da alavanca

Fo é a força lida no dinamômetro

1. e) Dissipação de potência

Quando a tensão nominal é aplicada ao solenoide a intensidade da corrente que o percorre é determinada pela sua resistência ohmica (nos solenoides de CA pela impedância). Ocorre então a produção de calor que deve ser dissipado.

Se este calor não for dissipado corre-se o risco de um superaquecimento que acaba por queimar o componente.

A potência máxima que o solenoide pode dissipar normalmente é especificada e pode até ser maior do que a que ele normalmente produz na operação normal. Isso permite que em aplicações em que ele opere por curtos intervalos de tempo (pulsos) uma tensão maior seja usada.

Podemos calcular a quantidade de calor dissipada por um solenoide se conhecermos a tensão e a corrente aplicando a Lei de Joule:

P = V x I

Onde: P é a potência dissipada (W)

V é a tensão aplicada (V)

I é a corrente nominal (A)

Solenoides são encontrados em uma infinidade de aplicações práticas o que leva o profissional à necessidade de conhecê-los. O que vimos é apenas uma introdução a estes dispositivos que cada dia mais se tornam presentes em dispositivos que unem a mecânica à eletrônica, ou seja, os dispositivos mecatrônicos.

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