RESULTADO DA CARACTERIZAÇÃO MAGNÉTICA DO COLCHÃO DA NIPOBRASILEIRA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA INSTITUTO DE FÍSICA Laboratório de Propriedades Óticas RESULTADO DA CARACTERIZAÇÃO MAGNÉTICA DO COLCHÃO DA NIPOBRASILEIRA Autor: Erick Santana Data: 17 de fevereiro de 2009 Orientador: Denis G. F. David

2 Índice 1.0 INTRODUÇÃO O Campo Magnético Fontes do campo magnético Linhas de força do campo magnético (linhas de indução magnética) Fenômenos magnéticos apresentados pelos imãs Propriedades magnéticas da matéria Magnetismo da matéria Substâncias Diamagnéticas (Dia-magnetismo) Substâncias paramagnéticas (Para-magnetismo) Substâncias ferromagnéticas (Ferro-magnetismo) DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO Descrição Mecânica Descrição Eletrônica Processo de Aquisição RESULTADOS EXPERIMENTAIS RESULTADOS DOS MAGNETOS DO COLCHÃO CONCLUSÃO

3 1.0 INTRODUÇÃO 1.1 O Campo Magnético Podemos definir o vetor campo magnético B de forma semelhante a que definimos o vetor do campo elétrico E (como lembrança, recordaremos que definimos E como força que, num ponto do espaço, atua, por unidade de carga, sobre uma carga de prova colocada neste ponto. 1.2 Fontes do campo magnético As mais antigas e conhecidas fontes de magnetismo foram, durante muito tempo, os imãs naturais. Depois da descoberta de Oersted, em setembro de 1820, da reflexão de uma agulha de bússola por uma corrente elétrica, foram investigadas, por diversos cientistas, as propriedades do magnetismo associado às correntes. Um mês depois da descoberta, Jean Baptiste e Félix Savart anunciaram os resultados das medidas de força magnética nas vizinhanças de um condutor retilíneo e analisaram os resultados em termos de um campo magnético produzido pelos elementos de uma corrente. Ampère ampliou as experiências e mostrou que os elementos da corrente, pôr sua vez, sofrem uma força em presença desse campo magnético; em partículas, mostrou-se que duas correntes exercem forças mútuas entre si. Ampère confirmou o resultado obtido por Biot e Savart sobre o campo magnético de uma corrente e desenvolveu um modelo que explicava o comportamento dos imãs permanentes em termos de pequeninas correntes no interior do material magnético. 1.3 Linhas de força do campo magnético (linhas de indução magnética) É usual indicar a direção da indução magnética B pelo traçado de linhas que são paralelas, em cada ponto, a B cuja densidade é proporcional ao módulo de B. Estas linhas são as linhas de indução magnética. Dado um campo magnético de indução B, as linhas de indução podem ser mapeadas por uma agulha imantada ou por limalha de ferro, cujos pequenos pedaços imantados se orientam na direção de B. No espaço externo ao imã, as linhas de indução deixam o pólo norte e entram no pólo sul. Esta convenção é consistente com o fato de a força sobre um pólo norte estar na direção de B e com a repulsão de dois pólos norte ou dois pólos sul Fenômenos magnéticos apresentados pelos imãs Começaremos o nosso estudo espalhando limalha de ferro sobre uma cartolina, embaixo da qual existe um imã. A configuração da limalha de ferro sugere que o imã possui dois pólos. Convencionamos designar estes pólos como norte e sul. O pólo norte magnético é aquele do qual emergiam as linhas de força do campo magnético; estas linhas de indução penetram no imã pelo seu lado sul magnético. 3

4 Todas as tentativas para isolar os pólos de um imã foram infrutíferas. Se quebrarmos o imã, obteremos imãs menores, cada um com seu respectivo pólo norte e sul. Você pode continuar quebrando o imã até obter seus átomos e elétrons constituintes e ainda assim não obterá um pólo magnético isolado, ou um monopolo magnético, como costumamos chamá-lo. 1.4 Propriedades magnéticas da matéria Magnetismo da matéria Na natureza, o dipolo magnético fundamental responsável pelas propriedades magnéticas da matéria está associada aos elétrons. Os elétrons podem produzir magnetismo de três modos: 1.0) O magnetismo de carga em movimento deslocando-se no espaço vazio ou desviando-se através de um fio condutor, um elétron assim como qualquer partícula carregada- pode gerar um campo magnético externo. 2.0) O magnetismo e o Spin um elétron isolado pode ser tratado classicamente como uma minúscula carga negativa, com um momento angular de spin S intrínseco. Associado ao seu momento angular de spin existe um momento magnético de spin µ s. 3.0) O magnetismo e o movimento orbital os elétrons ligados aos átomos existe um estado em que apresentam um momento angular orbital intrínseco L orb, que corresponde classicamente ao movimento do elétron numa órbita em torno do núcleo do átomo Substâncias Diamagnéticas (Dia-magnetismo) Os materiais diamagnéticos são fracamente repelidos pelo pólo de um imã. Os átomos destes materiais não possuem dipolos magnéticos intrínsecos. Contudo, é possível ocorrer a indução de um momento de dipolo mediante a ação de um campo magnético externo, sendo que o dipolo induzido tem sentido contrário ao sentido do campo magnético externo. O bismuto, fósforo, antimônio, vidro flint e mercúrio, são exemplos de substâncias diamagnéticas Substâncias paramagnéticas (Para-magnetismo) Materiais paramagnéticos são fracamente atraídos por imãs e hastes desses materiais se alinham, paralelamente, a campos magnéticos. Alumínio, érbio e cloreto férrico são exemplos de substâncias paramagnéticas Substâncias ferromagnéticas (Ferro-magnetismo) O ferro, o níquel, o cobalto e certas ligas como Permalloy, supermalloy e o Alnico, apresentam um ferro-magnetismo excepcionalmente acentuado. São fortemente atraídos pelos imãs. Devido às suas propriedades peculiares e aos fenômenos físicos responsáveis por essas propriedades, que os diferenciam das substâncias paramagnéticas, elas, são agrupadas na classe das substâncias ferromagnéticas. 4

5 2.0 DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO 2.1 Descrição Mecânica O equipamento consta basicamente de uma mesa de coordenadas XY com dois motores de passos, um responsável pelo deslocamento na direção X e o outro para o deslocamento na direção Y, fixados em uma armação de alumínio. O eixo do motor X (motor responsável pelo deslocamento nessa direção) tem um comprimento de 420 mm com engrenagens em suas extremidades, as dimensões do equipamento são indicadas na figura 1. Figura 1: Dimensões do equipamento O movimento na direção X é realizado por duas correias, uma em cada extremidade, onde utilizamos como guia dois eixos de aço-carbono, o primeiro no lado do motor e o segundo na outra extremidade da armação de alumínio. Estes guias servem como suporte para a estrutura responsável pelo deslocamento na direção Y, ou seja, todo o suporte responsável pelo deslocamento nesta direção é feito sobre estes guias sendo necessário um perfeito alinhamento entre as duas extremidades para evitar uma inclinação ou um travamento durante o percurso de leitura dos sinais. O movimento na direção Y é feito por uma correia tendo como guia um terceiro eixo de aço-carbono responsável pela sustentação da base dos sensores. Cada passo dado pelos motores representa um deslocamento linear de (0,78 ± 0,02) mm. 5

6 2.2 Descrição Eletrônica Para medida do campo magnético utilizamos três sensores Hall Alegro A1302 colocados perpendiculares entre si com a finalidade de medir o campo magnético nas três direções (X, Y e Z). Estes sensores enviam o sinal para um conversor analógicodigital, o TLC 1542 da Texas Instruments, que o transforma em um sinal binário que será lido pelo computador. Os motores são controlados pelo multiplexador 74LS138 que envia o comando para duas portas NAND (SN74HCT00N) independentes, cuja função é ativar cada passo dos motores através do chip ULN2803. O esquema completo é mostrado a seguir. Figura 2: Esquema eletrônico O processo de leitura dos sinais e controle dos motores é feito através do chip USB FT232RL da FTDI com uma interface de programação em Visual Basic. A conexão com este chip é descrita na tabela a seguir: FT232RL SN74HCT00N TLC1542CN TERMINAL PINO BIT TERMINAL TERMINAL RTS 3 D2 B DTR 2 D4 A TXD 1 D0 C CTS 11 D EOC RI 6 D DO DSR 9 D ADRESS DCD 10 D CLOCK RXD 5 D1 G2* CS Tabela 1: Conexões de controle dos motores e aquisição de dados O processo de leitura ocorre da seguinte maneira: o programa envia o comando para o chip USB e este por sua vez o envia para o 74LS138 que irá dá um passo no motor X. Dado este passo, o TLC1542 converte os sinais vindo dos sensores A1302 e os envia de volta ao chip USB que por sua vez manda-os para o programa que armazena os valores independentemente. Recebido este sinal, o programa envia um comando para o chip USB avançar um passo na direção Y, então o chip repassa a informação para o 6

7 74LS138 fazendo com que o motor Y avance um passo e efetue uma nova leitura no TLC1542. Depois de armazenado esta nova leitura, o processo se repete até o fim do curso na direção Y e só assim é dado um segundo passo na direção X, recomeçando todo o processo. Figura 3: Disposição física do circuito. A alimentação do circuito é feita diretamente pela porta USB do computador com exceção dos motores de passo que possuem uma alimentação externa de 12V. A disposição física é mostrada na figura 3. Este circuito pode ler campos magnéticos de aproximadamente 1900 Gauss e apresenta uma margem de erro de ±8,0 Gauss na leitura dos sinais. Informações mais detalhadas dos sensores Hall e dos CI s utilizados poderá ser encontrada nos datasheets encontrados no site dos fabricantes destes dispositivos. 7

8 2.3 Processo de Aquisição Na tela inicial do programa, temos duas áreas gráficas, onde um apresenta o valor em cada direção do campo magnético (em cima) e o outro a intensidade resultante. As escalas de leitura destes sinais estão em Gauss para as duas áreas gráficas, mas o primeiro está em forma de linha e o outro em forma de cores para uma melhor visualização do valor lido. Para efetuar a leitura do sinal devemos posicionar o magneto em alguma parte da área de medição e clicar em Abrir Dispositivo, que se aberto corretamente dará as informações básicas do chip USB. Em seguida, devemos levar os motores X e Y até a posição final de aquisição, isto fará com que o programa armazene esta posição, onde encerrará a leitura. Feito isso devemos levar os motores até o ponto inicial que queremos e clicar no botão Iniciar Aquisição. Pronto, a partir daí o programa controla todo o processo de aquisição e no final retorna os motores X e Y para os pontos inicias determinadas pelo usuário, onde aguarda a decisão do mesmo em reconfigurar as posições, para efetuar uma nova leitura, ou encerrar o processo clicando em Fechar Dispositivo. Figura 4: Tela do programa de aquisição 8

9 3.0 TESTES EM ÍMÃS DE FORMA CONHECIDA Inicialmente realizamos um teste no equipamento com alguns imãs de diferentes formatos e tamanhos para garantirmos a confiabilidade das medidas. Todos os imãs ficaram a aproximadamente 3 mm dos sensores. A calibração do equipamento foi realizada aplicando um campo magnético diretamente aos sensores e verificando o valor máximo da tensão fornecida por eles que de acordo com o fabricante era de 5V, então teríamos um campo de aproximadamente 1900G. O primeiro teste foi realizado com um imã em forma de U, retangular, de dimensões indicadas na figura com os pólos alinhados na direção do eixo X e obtivemos os campos nas três direções juntamente com o campo resultante. Figura 5: Dimensões do imã em U retangular. 9

10 Figura 6: Campo magnético nas direções X (a), Y (b) para o imã em U. O pólo norte do imã está na parte positiva dos gráficos, enquanto o pólo sul na parte negativa. Observe que as intensidades nas três direções variaram, juntamente com a forma do gráfico, isto se deve ao seguinte fato: os sensores Hall fazem uma leitura exata apenas nos campos magnéticos que incidem perpendicularmente sobre uma das faces, mas não temos informações quando o campo incide com alguma inclinação, logo, assumindo que as linhas de campo saem do pólo norte e entram no pólo sul, a medida que se movimenta na direção X, por exemplo, o sensor responsável pela medida nesta direção percebe o campo magnético pela parte de trás formando assim o primeiro pico negativo (no caso da figura 6.a). Á medida que se aproxima do centro do imã, temos uma variação no sinal, indicando que as linhas de campo estão incidindo frontalmente no sensor e quando afastamos volta a incidir na parte traseira. O mesmo ocorre na figura 6.b com uma diferença, o sensor responsável pela leitura na direção Y detecta o campo incidindo sobre sua face frontal quando se aproxima de um dos pólos e na parte de trás quando se afasta. Isto gera os quatros picos mostrados na figura. 10

11 Figura 7: Campo magnético na direção Z para o imã em U. Então, o único meio de saber a polaridade do imã é observado a figura formada pelo sensor na direção Z, como mostrado acima. Assim, para este imã, iniciamos a leitura pelo pólo sul e terminamos pelo pólo norte. Observando a figura 8.a vemos que existe uma diferença na intensidade dos campos em cada pólo em torno de 100 Gauss. Esta variação pode ter sido ocasionada por uma inclinação do imã em relação aos sensores, ou então os sensores não estarem totalmente perpendiculares entre si ou não estarem na origem das coordenadas. De qualquer forma este nível de intensidade representa uma variação muito pequena de uma destas causas, que foi percebida durante a leitura do campo magnético nas três direções e não seria percebida se medíssemos apenas na direção Z, por exemplo. Para podermos eliminá-la seria necessária a construção de um segundo equipamento para realizar o alinhamento dos sensores e bem como verificar o comportamento destes com o campo magnético aplicado em várias inclinações, mas isto foge ao tema proposto pelo equipamento em si. Este problema pode mostrar que quando medimos o campo nas três direções aumentamos razoavelmente a sensibilidade de leitura, o que tornou estes resultados bastante confiáveis. 11

12 Agora vejamos o campo magnético de um imã cilíndrico de 9 mm de diâmetro por 6 mm de altura. 9 mm Figura 8: Diâmetro do imã cilíndrico. A forma deste imã produz um campo magnético bastante comportado, pois todos os resultados vistos apresentaram um grau de coerência ao campo do imã. Neste caso os pólos do imã estão nas bases superiores e inferiores do cilindro, que no nosso caso realizamos a leitura no pólo sul. A intensidade dos campos magnéticos nas direções X e Y apresentara um pico e um vale cada um, como é de se esperar, pois o formato circular da base do cilindro gera linhas de campo homogêneas que saem em todas as direções fazendo que entrem por uma das faces dos sensores quando eles aproximam-se do imã e pela outra face quando eles afastam-se. Um fator importante é a intensidade do campo magnético lido pelos sensores na direção X e Y, onde são aproximadamente iguais como deveriam ser devido ao campo uniforme. Isto mostra que um dos problemas descrito anteriormente está descartado, pois se houvesse uma variação na origem da posição destes sensores provocaria valores diferentes nas intensidades destes eixos, o que não ocorreu aqui. 12

13 Figura 9: Intensidade do campo magnético nas direções X (a) e Y (b) do imã cilíndrico. Figura 10: Intensidade do campo magnético na direção Z do imã cilíndrico. 13

14 4.0 RESULTADOS DOS MAGNETOS DO COLCHÃO Não foi possível realizar a medida com os imãs fixados ao colchão devido a distância que ficavam dos sensores, o que causava um valor muito baixo na intensidade do campo magnético. Então para realizarmos as medidas retiramos dois imãs com polaridades opostas da espuma do colchão e fixamos a uma distância de 2 mm dos sensores. Figura 11: Intensidade resultante do campo magnético do imã do colchão. 14

15 Estes imãs apresentavam uma forma cilíndrica, mas com um pequeno cone no pólo norte e ranhuras no pólo sul. Aqui não apresentamos a forma do campo lido nas três direções, pois as mesmas apresentavam comportamento parecido com o do imã cilíndrico variando apenas na intensidade. Figura 12: Intensidade resultante do campo magnético do imã do colchão. Esta diferença na forma dos imãs fica evidente quando comparamos as figuras 29 e 30. Enquanto o pólo norte forma um campo um pouco mais achatado, o campo no pólo sul assume uma forma mais esférica com pequenas variações devido à ranhura presente em sua superfície. 15

16 Na tentativa de reproduzir o comportamento do campo magnético dos magnetos no colchão, realizamos medidas com os imãs na mesma distância em que se encontram no colchão onde obtemos as seguintes figuras: Figura 13: Intensidade resultante do campo magnético dos dois imãs a 30 mm de distância. 16

17 Figura 14: Intensidade resultante do campo magnético dos dois imãs a 95 mm de distância. A variação nas intensidades registrada foi ocasionada durante a retirada e instalação dos imãs no suporte, pois seria extremamente impossível ajustá-lo manualmente a mesma altura anterior visto que o equipamento tem uma sensibilidade alta. A importância destas medidas é demonstrar o alcance do campo magnético quando os imãs estão instalados no colchão, e a forma apresentada não será em conta (forma cilíndrica), pois distância em que se encontravam os imãs é muito maior que o alcance do campo magnético deles. Por fim realizamos mais duas medidas, a primeira com os imãs distanciados 55 mm e a segunda com eles em contato: 17

18 Figura 15: Intensidade resultante do campo magnético dos dois imãs a 55 mm de distância. 18

19 Figura 16: Intensidade resultante do campo magnético dos dois imãs juntos. Este último resultado mostra que apesar dos imãs estarem juntos o valor máximo da intensidade continua sendo sobre o eixo de cada um deles e que varia da mesma forma que o apresentado no imã em U. O magneto estudado apresenta uma forma cilíndrica de 5 mm de altura por 8 mm de diâmetro com uma das faces em forma de cone. O campo magnético obteve um alcance máximo de 25 mm na horizontal, o que impossibilita a interligação das linhas de campo com imã vizinho, pois os mesmos estão dispostos a 30 e 95 mm um do outro. Em compensação eles apresentam uma boa intensidade no eixo central podendo atingir os 750 G em sua superfície. 19

20 800 Campo Magnético 700 Intensidade (Gauss) Distância (mm) Figura 17: Variação da intensidade do campo magnético em função da distância dos sensores. Á medida que aumentamos a distância do imã aos sensores as formas das curvas continuam as mesmas, variando em amplitude até obtermos um campo magnético nulo a uma distância de aproximadamente 10 mm, este é o alcance vertical do campo magnético deste imã. A ultima figura mostra como os três componentes do campo variam ao deslocar os sensores segundo o eixo x. Intensidade (Gauss) "Intensidade na direção X" "Intensidade na direção Y" "Intensidade na direção Z" "Intensidade Resultante" Posição (mm) Figura 18: Intensidades do campo magnético no eixo central. 20

21 5.0 CONCLUSÃO Um equipamento foi desenvolvido com sucesso para caracterizar o campo magnético gerado por imãs incorporados nos colchões da Nipobrasileira. Os principais resultados obtidos são: (1) O campo gerado no topo dos imãs é de 750 Gauss. Esse campo diminui de metade com uma distância da ordem de 2 mm, caindo para um quarto em 7 mm. (2) O equipamento permitiu também caracterizar as linhas do campo magnético e mostrou que esse campo fica sempre localizado em torno de cada imã. (3) Os componentes do campo paralelos à superfície do colchão são fracos, enquanto o componente perpendicular é sempre maior. (4) A alternância do campo (pólo norte / pólo sul) foi verificada. O equipamento desenvolvido no laboratório fica à disposição da Nipobrasileira conforme acordado. 21

22 RESULTADO DA CARACTERIZAÇÃO MAGNÉTICA DO COLCHÃO DA NIPOBRASILEIRA (RESUMO)

23 Esse Resumo relata o trabalho que foi realizado no Laboratório de Propriedades Óticas, no Instituto de Física da UFBA, para caracterizar o campo magnético gerado por imãs incorporados nos colchões da NipoBrasileira, como também as propriedades infravermelho do material entrando na composição da espuma utilizada para a fabricação desses colchões. Caracterização do campo magnético Um equipamento foi desenvolvido para caracterizar o campo magnético gerado por imãs incorporados nos colchões. Os principais resultados obtidos são: (1) O campo gerado no topo dos imãs é de 750 Gauss. Esse campo diminui de metade com uma distância da ordem de 2 mm, caindo para um quarto em 7 mm. (2) O equipamento permitiu também caracterizar as linhas do campo magnético e mostrou que esse campo fica sempre localizado em torno de cada imã. (3) Os componentes do campo paralelos à superfície do colchão são fracos, enquanto o componente perpendicular é sempre maior. (4) A alternância do campo (pólo norte / pólo sul) foi verificada. Intensidade do campo magnético num plano distante de 2 mm do topo do imã

24 800 Campo Magnético 700 Intensidade (Gauss) Distância (mm) Intensidade do campo magnético do imã em função da distância segundo o eixo z Caracterização infravermelha Com exceção de algumas estruturas mais pronunciadas nos espectros obtidos, a amostra do pó utilizada pela empresa NipoBrasileira para impregnar as espumas de seus colchões apresenta uma absorção média em torno de 50% da absorção produzida pelo carvão vegetal, suposta ideal (100% de absorção). Isso confirma que a mistura de óxidos metálicos que compõem esse pó, além do óxido de silício, apresenta uma boa absorção do IV, além da boa condutividade térmica. No entanto, observa-se um ligeiro aumento dessa absorção na região de 4,6 µm e, sobretudo de 7,5 µm a 15 µm, faixa que corresponde à emissão térmica do corpo humano. Dessas medidas conclui-se que a emissividade, capacidade dessa amostra de emitir radiação no infravermelho, é da ordem de 0,5. Como foi posto na introdução, um corpo em equilíbrio térmico com certo ambiente emitirá tanto quanto absorver de radiação, bem como, dentro das mesmas faixas de freqüências. No caso da amostra do pó fornecida pela empresa NipoBrasileira, por toda a região do visível e do IV.

25 Em função das propriedades observadas na amostra do pó em análise, os colchões impregnados com esse material terão a capacidade de absorver cerca de 50% da radiação incidente sobre ele e de refletir 50% em direção à pessoa deitada sobre ele. Sinal Fotoacústico (au) 1,0 0,8 0,6 0,4 Absorsão Fotoacústica Amostra Fonte Fonte Sinal Fotoacustico (au) 1,0 0,8 0,6 0,4 Amostra Fonte Absorsão Fotoacústica Sinal Fotoacustico(au) 1,0 0,8 0,6 0,4 Absorção Fotoacústica Fonte Amostra 0,2 0,2 0,2 0,0 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 Comprimento de onda (µm) 0,0 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 Comprimento de Onda (µm) 0,0 9,0 10,5 12,0 13,5 15,0 16,5 18,0 19,5 Comprimento de Onda (µm) Em Salvador, em 15 de maio de 2009,