Projetar um atuador eletromagnético que empurre horizontalmente uma peça ferrosa (m = 0,050 kg) contra uma…
Publicado por Alexandre Lombardi dos Santos, fundador do GeraProva
Investigar e analisar o funcionamento de equipamentos elétricos e/ou eletrônicos e sistemas de automação para compreender as tecnologias contemporâneas e avaliar seus impactos sociais, culturais e ambientais.
Fonte: Base Nacional Comum Curricular (MEC).Questão
Projetar um atuador eletromagnético que empurre horizontalmente uma peça ferrosa (m = 0,050 kg) contra uma mola k = 800 N/m com deslocamento x = 5,0×10^-3 m (atrito desprezível). Núcleo A = 2,0×10^-4 m², folga g = 2,0×10^-3 m. Solenóide: N = 600 voltas, l = 0,08 m, resistência R = 4,0 O. Use µ0 = 4p×10^-7 H/m. Determine a corrente I necessária, potência dissipada e avalie impactos energéticos e ambientais, propondo melhorias.
✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.
Resposta esperada
Força requerida F = k x = 800·5,0×10^-3 = 4,0 N. Pressão magnética F ˜ B^2 A /(2 µ0) ? B = v(2 µ0 F / A) = v(2·4p·10^-7·4,0 / 2,0×10^-4) ˜ 0,224 T. Para o solenóide B ˜ µ0 N I / l ? I = B l /(µ0 N) = 0,224·0,08/(4p·10^-7·600) ˜ 23,8 A. Potência dissipada P = I^2 R ˜ (23,8)^2·4,0 ˜ 2,26×10^3 W. Energia armazenada na mola U = ½ k x^2 = 0,01 J. Conclusão: corrente e potência exigidas são muito altas em relação à energia útil (0,01 J), implicando grande desperdício, aquecimento e custos/impactos ambientais (consumo elétrico elevado, necessidade de dissipação térmica, maior uso de cobre/ferro). Melhorias: aumentar N, reduzir folga g, usar núcleo ferromagnético de alto permeabilidade ou ímã permanente para reduzir I; otimizar resistência do enrolamento; empregar acionamento por curta descarga capacitiva ou PWM para reduzir consumo médio; avaliar ciclo de vida dos materiais.
Explicação
A análise da força necessária para comprimir a mola e a pressão magnética resultante permite calcular o campo magnético e, consequentemente, a corrente necessária para o solenóide. A potência dissipada é significativamente alta em comparação com a energia útil armazenada na mola, indicando ineficiência e impactos ambientais. As sugestões de melhorias visam otimizar o sistema, reduzindo o consumo de energia e os custos associados.
Raio-X da questão
atuador eletromagnético
avaliacao
lei de Ohm · força eletromagnética
Revisar conceitos de eletromagnetismo e potência elétrica.
O aluno pode confundir a relação entre corrente e resistência, aplicando a fórmula de forma incorreta e não considerando a potência dissipada corretamente.
ciencia_tecnologia
pensamento_critico
cientifico
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