Como funciona o solenóide (MEC095)

Os solenóides são utilizados numa grande quantidade de aplicações na industria, em eletrodomésticos de todos os tipos, em eletrônica embarcada (automotiva, aeronaútica 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, conforme exemplo da figura 1.

 

Usando um fio SMA como músculo de um braço mecânico.
Usando um fio SMA como músculo de um braço mecânico.

 

Por outro lado, materiais com pripriedades 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.
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 solenóide.

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

 

O Solenóide

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

 

Campo magnético num solenóide.
Campo magnético num solenóide.

 

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:

a) Número de espiras da bobina

b) Intensidade da corrente

c) Existência ou não de um núcleo no seu interior

Observa-se que se colocarmos nas proximidades de um solenóide 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 solenóide puxa para seu interior objetos ferrosos.
O solenóide 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 solenóides. Na figura 5 temos um exemplo de um solenóide comum.

 

Um solenóide comum.
Um solenóide comum.

 

Quando a bobina está desligada, a mola mantém o núcleo de material ferroso do solenóide 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 solenóide 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.
A força varia com a posição do núcleo.

 

Solenóides 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 solenóide se mostra ideal para esta tarefa.

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

 

Tipos de Solenóides

Para cada aplicação podemos construir um solenóide 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 solenóides.
Tipos comuns de solenóides.

 

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

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

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

A construção típica deste solenóide é mostrada na figura 8.

 

Um solenóide rotativo
Um solenóide rotativo "por dentro".

 

Um solenóide este tipo pode produzir movimento giratório a partir de pulsos de corrente, funcionando como uma espécie de motor. Observe, entretanto, que a ação deste solenóide 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 solenóides é preciso saber interpretar suas características ou mesmo descobrí-las quando elas não são especificadas pelos fabricantes.

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

 

a) Tensão nominal

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

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

Na realidade, qualquer solenóide 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 solenóide comum, que no entanto pode variar já que nem todos os tipos têm esta característica linear.

 

 

Curvas típicas de funcionamento de solenóides.
Curvas típicas de funcionamento de solenóides.

 

Podemos descobrir a tensão de funcionamento de um solenóide de uma forma relativamente simples, porém que não leva a resultados ansolutamente exatos a não ser que conheçamos a força que o solenóide deva produzir.

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

 

Medindo a força de um solenóide.
Medindo a força de um solenóide.

 

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.

 

b) Corrente nominal

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

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

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

 

Medindo a resistência da bobina de um solenóide.
Medindo a resistência da bobina de um solenóide.

 

I = V/R

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

R é a resistência da bobina (?)

I é a corrente nominal do solenóide (A)

 

c) Resistência da bobina

A resistência da bobina de um solenóide vai determinar a intensidade da corrente que o aciona quando a tensão nominal é aplicada (Lei de Ohm). Para os solenóides 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 solenóide (V)

I é a corrente de acionamento (A)

 

d) Força produzida

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

Nas especificações dos solenóides 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 dinâmometro 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 dinâmometro corre-se o risco de se ler o deslocamento do núcleo e não a força exercida.

Uma balança comum também pode ser usada para se medir esta força, conforme mostra a figura 12.

 

Usando uma balança comum
Usando uma balança comum

 

Lembre que a força F exercida pelo solenóide será dada por:

 

F = D/d x Fo

 

Onde: F é a força exercida pelo solenóide

d é o braço menor da alavanca

D é o braço maior da alavanca

Fo é a força lida no dinamômetro

 

e) Dissipação de potência

Quando a tensão nominal é aplicada ao solenóide 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 solenóide 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 solenóide 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)

 

Conclusão

Solenóides são enconrados 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.

Artigos Relacionados

Informativo Mensal

 Para se manter atualizado com nossas novidades e notícias, Siga-nos pelo:
Twitter
Facebook
Linkedin

ou torne-se membro de nosso grupo:
Google Group 
Yahoo Group


Tempo
Matamos o tempo; o tempo nos enterra.
Machadoi de Assis (1839 - 1908) - Memórias Póstumas de Brás Cubas

Instituto Newton C Braga - 2014 - Entre em contato - Como Anunciar - Políticas do Site
+conexões

Seja mais um amigo facebook
Siga-me twitter
Apoio Social
Lions Clube de Guarulhos Sul SOS Mater Amabilis
Advertise in Brazil
If your business is Electronics, components or devices, this site is the correct place to insert your advertisement (see more)