Concurso do Museu das Comunicações, 2009 - Construção de Dispositivos Electrónicos

Exemplar - "Construção de um Guindaste Electromagnético"

Princípio
Aplicação do Princípio da Alavanca e da Lei de Ampère (Indução Electromagnética)
Material
Partes principais:
  1. Varetas de plástico e de madeira (podem ser encontradas em papelarias)
  2. Placa de espuma (pode ser encontrada em papelarias)
  3. Ímanes permanentes fortes: Ímanes de Neodymium (NIB, podem ser encontrados em centros de artigos electrónicos em Zhuhai)
  4. Parafusos, porcas e anilhas (à venda nas lojas de ferramentas)
  5. Pregos (à venda nas lojas de ferramentas)
  6. Fio esmaltado de 0,3-0,5 mm de diâmetro (pode ser comprado em lojas de artigos eléctricos ou obtido de um transformador fora de uso)
  7. Madeira de balsa (usada geralmente no aeromodelismo, à venda em papelarias)
  8. Caixa plástica (à venda em papelarias ou obtida de certas embalagens)
  9. Elástico (à venda em papelarias)
Peças para o controle:
  1. Caixa de bateria de tipo D: 2 peças por série x 2 ou 4 peças por série x 1 (à venda em lojas de artigos eléctricos)
  2. Caixas de controlo (podem ser encontradas em lojas de artigos eléctricos)
  3. Interruptores: Interruptores instantâneos - Botões - x 2;l Interruptor Geral - Botão - x 1; Comutadores x 2 (podem ser encontrados em lojas de artigos eléctricos)
  4. Vários conectores (à venda em lojas de artigos eléctricos)
Construção
1. Criação da Torre (eixo vertical) e do Braço (eixo horizontal):
As varetas plásticas ocas são usadas para fazer a Torre e o Braço do Guindaste (Fig. 1) porque este material é duro e leve. Usamos fita adesiva para ligar todas as junções porque se as aparafusarmos, podemos causar danos à estrutura. Para detalhes, veja as Fig. 2, 3 e 4.
Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4
Usando o Princípio da Alavanca para levantar objectos, um dos extremos do Braço está ligado a um electroíman e o outro extremo está ligado por elásticos à Torre (Fig.5 ); o fulcro do Braço está fixo à Torre por um fio metálico duro (arame), que permite o seu movimento (Fig. 6).
Para permitir que a Torre possa girar, é usado um prego como parte do eixo de rotação da Torre; dois tubos estáveis e seguros são também colocados debaixo da Torre (Fig. 7) para a equilibrar enquanto está a girar.
Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7
2. Electroímanes e blocos de íman:
O núcleo de ferro de um electroíman é composto por parafusos, porcas e anilhas. Estes electroímanes estão ilustrados na Fig.1. De acordo com a Lei de Ampère, quanto mais voltas a bobina possui, maior será a força de atracção e a força de repulsão, facilitando o movimento do Guindaste Electromagnético.
Como se mostra na Fig.3, a Torre pode girar através da interacção entre o electroíman A e os blocos de íman. Assim, a distância entre os dois blocos de íman não pode ser demasiado grande. Para aumentar o alcance do movimento, recomendamos o uso de um parafuso mais curto (um parafuso de 43 mm foi usado neste exemplo) para o núcleo da bobina com 700 voltas. Como o diâmetro da porca não é suficiente para conter todas as voltas do fio esmaltado da bobina, duas anilhas devem ser acrescentados aos dois extremos.
Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3
Como se mostra na Fig. 4, o Braço pode subir ou descer devido à interacção entre o electroíman B e o bloco de íman correspondente. Como no caso anterior, para haver uma maior força de repulsão e de atracção, recomendamos o uso de um parafuso mais curto (25 mm) para o núcleo da bobina com cerca de 250 voltas, colocando anilhas em sítios apropriados.
O electroíman C não possui nenhuma anilha (Fig. 5). Como a força de repulsão gerada pelo electroíman B é limitada, o electroíman C deve ser mais leve para facilitar o movimento de subida e descida. Recomendamos o uso de um prego curto (cerca de 25mm) e uma bobina com cerca de 50 voltas para o núcleo, o que é suficiente para gerar atracção.
Fig. 4 Fig. 5
O objectivo é criar blocos de íman capazes de manter a distância entre os electroímanes e os ímanes fortes. Sabemos que os núcleos são feitos de ferro. Quando o núcleo se aproxima do íman forte, a atracção vai ser maior e esta força não é proporcional à distância, e portanto precisamos de manter uma distância limite entre o electroíman e o íman forte. Esta distância faz com que a força de repulsão gerada seja maior que a atracção entre o núcleo e o íman forte. Conforme as figuras abaixo (Fig.6 a Fig.10), foram instalados dois ímanes fortes nos dois lados do bloco cuja distância limite é de 15mm e foram usadas peças de madeira de balsa e placas de espuma para a separação.
Fig. 6 Fig. 7 Fig. 8 Fig. 9 Fig. 10
Usamos o mesmo método para criar o bloco de íman para o Braço. São usados três ímanes fortes, neste caso para manter a distância limite de 8mm (Fig. 11).
Fig. 11
3. Produção de uma caixa de equilíbrio de peso e de uma haste ajustável:
Para obter um movimento de rotação suave, foi criada uma caixa de equilíbrio de peso na Torre, para ajustar a posição do centro de gravidade. O material desta caixa é plástico (Fig. 1 e 2)
Fig. 1 Fig. 2
A haste ajustável é composta por duas partes: uma vareta de plástico colocada por cima da Torre e um clipe que prende o electroíman B, de tal forma que é possível ajustar a distância entre o electroíman B e o bloco de íman (Fig.3).
Fig. 3
Construção da Parte de Controlo
1. Produção do Fornecedor de Energia:
Duas caixas, cada uma contendo duas séries de baterias do tipo D, são instaladas dentro e fora da caixa de controlo (Fig. 1 e Fig. 2 respectivamente). Essas 4 baterias do tipo D são ligadas em série.
Fig. 1 Fig. 2
2. Produção de interruptores de controlo:
Usamos aqui três tipos de interruptores para controlar todas as acções do Guindaste Electromagnético: um interruptor geral, um comutador e um interruptor instantâneo. O interruptor geral mantém o circuito fechado quando carregamos nele e só quebra o circuito se é pressionado de novo. Logo, é adequado para o controlo do electroíman C. O interruptor instantâneo não é capaz de manter o circuito fechado sem ser pressionado, e, assim, este pode ser conjugado com o comutador para controlar o movimento dos electroímanes A e B, conforme a Fig. 3. Estes interruptores são ligados em paralelo. Além disso, usamos uma série de conectores para ligar as partes principais às partes controladoras do guindaste (Fig. 4).
Fig. 3 Fig. 4