Explicação qualitativa do "anel de Thomson": como ocorre a "levitação magnética"?

Abstract

A "levitação magnética" de um anel condutor ("anel de Thomson" ou "anel saltante")é uma demonstração bem conhecida; mais fácil de realizar do que de explicar. No presente trabalho propomos uma explicação qualitativa com o objetivo de esclarecer alguns aspectos obscuros das explanações comumente encontradas na literatura.The "magnetic levitation" of a conducting ring ("Thomson's ring" or "jumping ring" experiment) is a wellknown demonstration, easier to perform than to explain. In this paper we propose a qualitative way to explain it, to clarify some obscure aspects of explanations found in literature. I IntroduçãoUma fascinante demonstração sobre eletromagnetismoé a "levitação magnética" de uma argola de alumínio. Conforme mostra a figura 1a, a argolaé posicionada ao redor de um longo núcleo de ferro-doce, instalado em uma bobina queé alimentada com tensão alternada 1 . Essa demonstraçãó e conhecida como "anel saltante" ou "anel de Thomson", em homenagem ao físico norte-americano Elihu Thomson, que a inventou no século XIX.Pelo interesse que desperta nos alunos, e por ser uma prática de laboratório simples, o experimento da levitação magnéticaé freqüentemente demonstrado em cursos de eletromagnetismo. Infelizmente, não se explica a levitação da argola num simples "abano de mãos". Essa dificuldade pode estar sendo subestimada em certas explicações demasiadamente resumidas que se encontram na literatura. Por exemplo, alguns autores apresentam explicações como as seguintes: "a polaridade do campo magnético gerado pela argolaé idênticaà polaridade do campo gerado na bobina do primário, resultando então uma força de repulsão entre ambos" (Araújo e Müller, 2002; p. 118) ou "o campo magnético dessa corrente induzida (corrente induzida na argola) se opõe ao campo magnético da bobina" (Walker, 1990; p. 470). Na verdade estas justificativas constituem petição de princípio -"erro lógico que consiste em tomar por estabelecida, sob uma forma um pouco diferente, a própria tese que se trata de demonstrar" (Lalande, 1993; p. 815) -. O que precisa ser explicadoé como ocorre a repulsão da argola, já que também poderia existir atração sobre ela 2 . Demonstraremos adiante que em algumas etapas do ciclo das correntes elétricas que circulam na bobina e na argola ocorre atração, ao passo que em outras ocorre repulsão, sendo o efeito médio, ao longo do ciclo completo, 1 O dispositivo mostrado nessa figuraé uma espécie de transformador, com 500 espiras na bobina primária, alimentada em 127 V e 60 Hz. O secundário consiste em uma ou duas argolas de alumínio que levitam em função de correntes elétricas induzidas nessas argolas. O núcleo de ferro foi montado empilhando três núcleos convencionais.2 Uma bobina e uma espira próximas uma da outra, podem interagir atrativa ou repulsivamente quando percorridas por correntes elétricas. Desta forma, uma explicação satisfatória para a levitação, deverá reconhecer a possibilidade da existência desses dois efeitos e justificar como acaba prevalecendo o efeito repulsivo que faz a argola levitar.

Levitação acústica

“…A ideia básica para suspender partículas e objetos em aré aplicar algum tipo de força de tal forma a contrabalancear a força gravitacional [1]. Existem diversas formas de levitar uma partícula, tais como utilizar campos magnéticos [2], campos eletrostáticos [3], feixes de laser [4,5], ou através de ondas acústicas [6,7].…”

“…A ideia básica para suspender partículas e objetos em aré aplicar algum tipo de força de tal forma a contrabalancear a força gravitacional [1]. Existem diversas formas de levitar uma partícula, tais como utilizar campos magnéticos [2], campos eletrostáticos [3], feixes de laser [4,5], ou através de ondas acústicas [6,7].Um dos métodos de levitação mais conhecidosé a levitação magnética [2,8]. Na maioria dos casos, campos magnéticos são utilizados para levitar objetos metálicos, mas campos magnéticos intensos também podem ser utilizados para levitar materiais não magnéticos, como gotas deágua por exemplo.…”