Eletromagnetismo: ``E TOME CHOQUE”

Eletromagnetismo: ''E TOME CHOQUE” !
“ Uma boa oportunidade para se aprender um pouco mais sobre a entusiasmaste 'Ciência de
Maxwell' ''
Instrutora: Rosana Nascimento(Bolsista do PET de Física- UFRN)
Lei de Faraday
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Objetivo: Esse experimento visa a comprovação da lei de Indução de Faraday, uma das quatro
leis fundamentais do Eletromagnetismo e que representa a base do funcionamento dos geradores
elétricos.
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Material Utilizado:
· Ímã
· Espira condutora
· Amperímetro
· Fios condutores
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Procedimento Experimental:
Com a espira conectada ao amperímetro através de fios condutores movimenta-se o imã
relativamente à espira (tanto no sentido de aproximação quanto de afastamento), com isso
observa-se registro de corrente elétrica no amperímetro. Mantendo-se o imã em repouso a
marcação no amperímetro é nula.
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Fundamentação Teórica:
Fluxo: é uma propriedade de qualquer campo vetorial. A palavra Fluxo vem do latim e
significa fluir, é apropriado descrever o fluxo de um determinado campo vetorial como a
medida do fluxo de ou penetração dos vetores do campo através de uma superfície
imaginária fixa no campo.
Força eletromotriz (fem): por razões históricas, esse termo é usado para designar a
diferença de potencial produzida por uma fonte de tensão,embora não se trate de uma
força.
Lei de Gauss: é a lei que estabelece a relação entre o fluxo elétrico que passa através de
uma superfície fechada e a quantidade de carga elétrica que existe dentro desta superfície.
Lei de Ampère é a lei que relaciona o campo magnético sobre um laço com a corrente
elétrica que passa através do laço. É o equivalente magnético da lei de Gauss
De acordo com a lei de Faraday a variação de fluxo magnético através de uma espira condutora
elétrica induz uma força eletromotriz induzida nessa espira, a qual é responsável pela corrente
elétrica observada no amperímetro. Com a movimentação do imã em relação à espira o número
de linhas de campo magnético que atravessa a espira por unidade de tempo irá variar sendo esse
o motivo da variação do fluxo magnético. Há de se observar que o fluxo magnético é expresso
por:
Com isso, alterações na área da espira ou no ângulo entre a espira e o imã também induziria
corrente elétrica.
Pela lei de Lenz, que pode ser vista como uma reformulação do princípio da
conservação de energia, a corrente induzida na espira irá originar um campo magnético que
irá se opor à variação de fluxo magnético que induziu essa corrente.
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Para refletir:
1) Como você explicaria, de uma forma simples, o porquê da relação entre a lei de Lenz e o
princípio de conservação de energia?
2) Se em vez de um ímã, se aproximasse da espira conectada ao amperímetro uma outra
espira submetida a uma CORRENTE não nula seria observada indução de corrente elétrica nessa
espira?
Anel Saltitante
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Objetivo: Verificar o efeito da levitação de um anel condutor elétrico ao ser inserido em um
núcleo metálico envolto numa bobina onde circula (submetido a) uma corrente elétrica
alternada.
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Material Utilizado:
· Anel metálico (ALUMINIO OU COBRE..)
· Bobina primária
· Núcleo metálico instalado sobre a bobina
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Procedimento Experimental:
Insere-se o anel metálico ao redor do núcleo de FERRO (metálico) acoplado à bobina que é
submetida a uma corrente elétrica alternada. Observa-se a levitação do anel, caso se tente
abaixar o anel nota-se que ocorre resistência a esse movimento e aquecimento do anel.
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Fundamentação Teórica:
A corrente elétrica alternada no núcleo metálico acoplado à bobina induzirá corrente elétrica no
anel metálico (lei de Faraday) e esta corrente induzida (com isso) um (forte) campo magnético
(lei de àmpere) (é gerado em sua volta,) o qual se “opõe” ao produzido pela corrente alternada
inicial que o originou (Lei de Lenz), ocorrendo então a repulsão do anel em relação à base do
núcleo metálico.
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Para refletir:
1) Por que o anel aquece ao ser aproximado da base do núcleo metálico?
2) Se o anel fosse resfriado, o que resultaria em uma menor resistência à condução de corrente
elétrica, que efeito seria esperado em relação à sua levitação?
Forno de Indução (Magnético)
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Objetivo: observar o efeito Joule, criado pela corrente induzida, para se aquecer água .
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Material Utilizado:
· fontes de tensão.
·uma barra de ferro para colocar dentro das bobinas, servindo como núcleo de um eletroímã.
·fios de ligação.
·um suporte adequado para funcionar como frigideira.
·bobinas de várias indutâncias
·água.
Procedimento Experimental:
Esse experimento é similar ao experimento anterior. Coloque a frigideira, com um pouco de
água, no núcleo metálico, ligue o circuito e verifique o que ocorre com a água.
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Fundamentação Teórica:
O funcionamento dos fornos de indução baseia-se na indução eletromagnética. Faraday estudou
este fenômeno e concluiu que num condutor elétrico submetido a um fluxo magnético variável,
surge uma f.e.m. induzida tanto maior quanto maior for a variação ΔΦ do fluxo. (Para que a
variação do fluxo no tempo seja grande é preciso que o fluxo Φ seja elevado e / ou que o tempo
de variação Δt seja pequeno. Esta última condição corresponde a uma freqüência elevada).
Sendo muito usado para fusão de materiais condutores, formam-se nestes materiais correntes de
Foucault (correntes induzidas em massas metálicas) que produzem grande elevação de
temperatura. Se os materiais forem magnéticos, haverá também o fenômeno da histerese, que
contribui para o aumento de temperatura.
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Para refletir:
1) É preciso usar uma tensão alternada ou pode-se usar uma fonte de tensão contínua para essa
experiência?
2) Explique os processos de envolvidos no aquecimento da água, relacionando com as
indutâncias das bobinas.
.Freio Magnético
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Objetivo: Observar as correntes de Foucault e o poder de freio magnético.
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Material Utilizado:
· Aparato com cano pvc e um cano metálico
· “pentes” metálicos (com abertura e fechado)
· ímãs
Obs: fabricação industrial
Procedimento Experimental:
Basta soltar os imãs nos canos e ver a diferença de tempo que eles irão chegar ao pé do
experimento e soltar os ''pentes” do lado. Observe o que acontece.
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Fundamentação Teórica:
diversas partes de equipamentos elétricos possuem massa metálicas que se deslocam no interior
de campos magnéticos ou localizadas em campos magnéticos variáveis. Nessas circunstancias,
podem surgir correntes induzidas que circulam ao longo do volume do material. Essas correntes
são chamadas correntes de Foucault (não entraremos em detalhe).
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Para refletir:
1) Explique o porquê das hastes pararem de oscilar quando elas atravessam as fendas.
2) Existe algum efeito térmico nas hastes?
Motor elétrico.
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Objetivo: observação de transformação de energia mecânica em elétrica.
Material Utilizado:
· correia e manivela para dar início ao movimento
· bobinas
· lâmpadas
· fios
· ímãs
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Procedimento Experimental:
Basta girar a manivela que se pode observar a transformação de energia mecânica em elétrica ao
acender as pequenas lâmpadas na parte superior do experimento.
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Fundamentação Teórica:
A energia é uma idéia fundamental da Ciência que supõe uma capacidade de realizar
trabalho. A forma mais evidente de energia é a energia cinética ou de movimento. Sua
definição formal é:
Ecin = (1/2)mv2
onde Ecin é a energia cinética expressa em joules, m é a massa do corpo em movimento
expressa em quilogramas e v é a velocidade do mesmo expressa em metros por segundo.
A energia também pode encontrar-se armazenada em substâncias químicas, ou nucleares
ou ainda nas águas de uma represa. Nesses estados latentes ela se denomina energia
potencial. Na ausência de forças dissipativas, a energia mecânica total do sistema se
conserva, ocorrendo transformação de energia potencial em cinética e vice-versa.
Podemos escrever:
E mec = E p + E c = constante
Ao girar a manivela, as bobinas começam a girar e então aparece uma corrente induzida
que acenderá as lâmpadas. Todos os motores elétricos valem-se dos princípios do
eletromagnetismo, mediante os quais condutores situados num campo magnético e
atravessados por correntes elétricas sofrem a ação de uma força mecânica, ou eletroímãs
exercem forças de atração ou repulsão sobre outros materiais magnéticos. Na verdade, um
campo magnético pode exercer força sobre cargas elétricas em movimento. Como uma
corrente elétrica é um fluxo de cargas elétricas em movimento num condutor, conclui-se
que todo condutor percorrido por uma corrente elétrica, imerso num campo magnético,
pode sofrer a ação de uma força.Todo dispositivo cuja finalidade é produzir energia elétrica
à custa de energia mecânica constitui uma máquina geradora de energia elétrica (diz-se
também, impropriamente, máquina geradora de eletricidade -eletricidade não é uma
grandeza física, é um ramo da Física).
O funcionamento dessas máquinas se baseia ou em fenômenos eletrostáticos (como no
caso do gerador Van der Graaff), ou na indução eletromagnética (como no caso do disco de
Faraday). Nas aplicações industriais a energia elétrica provém quase exclusivamente de
geradores mecânicos cujo princípio é o fenômeno da indução eletromagnética (e dos quais
o disco de Faraday é um simples precursor); os geradores mecânicos de corrente alternante
são também denominados alternadores; os geradores mecânicos de corrente contínua são
também denominados dínamos. Vale, desde já, notar que: "dínamo" de bicicleta não é
dínamo e sim 'alternador'.Numa máquina elétrica (seja gerador ou motor), distinguem-se
essencialmente duas partes, a saber: o estator, conjunto de órgãos ligados rigidamente à
carcaça e o rotor, sistema rígido que gira em torno de um eixo apoiado em mancais
fixos na carcaça. Sob ponto de vista funcional distinguem-se o indutor, que produz o
campo magnético, e o induzido que engendra corrente induzida.
No dínamo o rotor é o induzido e o estator é o indutor; nos alternadores dá-se geralmente o
contrario.
A corrente induzida produz campo magnético (LEI DE AMPÉRE) que, em acordo com a
Lei de Lenz, exerce forças contrárias à rotação do rotor; por isso em dínamos e alternadores, o
rotor precisa ser acionado mecanicamente. O mesmo conclui do Princípio de Conservação da
Energia: a energia elétrica extraída da máquina, acrescida de eventuais perdas, é compensada por
suprimento de energia mecânica.
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Para refletir:
1) Será que o funcionamento dos motores elétricos que temos em nossas casas é semelhante ao
observado no experimento?
2) Explique como seria o motor com corrente contínua.
Radiômetro
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Objetivo: ilustrar a energia da luz e do calor, observando o movimento das folhas de mica (em
formato de cruz) pela incidência de luz, ou uma fonte de radiação infravermelha (calor).
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Material Utilizado:
· Folhas de mica (prateadas e enegrecidas com fuligem)
· Bulbo de vidro contendo ar rarefeito
Obs: fabricação industrial
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Procedimento Experimental:
Incide um feixe de radiações sobre o aparelho, as faces escuras absorvem maior quantidade de
energia, ficando com maior temperatura que as faces prateadas. Ora, as plaquinhas são
constantemente bombardeadas pelas moléculas do ar rarefeito; o choque das moléculas contra as
plaquinhas é elástico, mas aquelas que se chocam contra as faces escuras possuem uma energia
cinética ligeiramente maior que as moléculas que se chocam contra a face clara. Resulta daí uma
pequena diferença de pressão sobre os braços do molinete - que é suficiente para colocá-lo em
rotação.
Fundamentação Teórica:
Além de carregar energia, ondas eletromagnéticas também podem transportar momento
linear.Em outras palavras, é possível exercer uma pressão (uma pressão de radiação) sobre um
objeto ao fazer incidir luz sobre ele. Tais forças podem ser muito pequenas em relação ás que
estamos acostumados,por isso não nos damos conta delas.
Suponha que um feixe de luz paralelo incida sobre um objeto por um intervalo de tempo t
,sendo totalmente absorvida por ele. O campo elétrico da onda luminosa faz com que as cargas
(elétrons) no material se movam na direção transversa à direção do feixe. A força q.v × B sobre
as cargas em movimento, devida ao campo magnético da onda, está na mesma direção do
feixe.Logo a absorção da luz transfere momento na direção do feixe para as partículas do
objeto.Se U é a energia absorvida, o momento P transferido ao objeto durante este tempo é dado
por:
p =U/c
A direção de p é a direção do feixe incidente. e se a energia da luz U for inteiramente
refletida, o momento transferido será o dobro do caso da absorção.
p=2.U/c
Para que qualquer máquina térmica funcione, deve haver uma diferença de temperatura. Neste
caso, o lado escuro da hélice é mais quente que o outro lado, uma vez que a energia radiante da
fonte de luz aquece o lado negro por absorção do corpo negro mais rapidamente que o lado
metálico ou branco. As moléculas internas de ar são "aquecidas" (apresentam um aumento de
velocidade) quando tocam o lado escuro da hélice.
- Para refletir:
1) O que acontece quando o radiômetro é aquecido na ausência de uma fonte de luz?
2) Explique de maneira simples, o porquê de o lado escuro avançar (girar as plaquinhas pelo
lado escuro e não o prateado).
3) Este fenômeno seria observado no váuo
Blindagem Eletrostática (Gaiola de Faraday)
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Objetivo: Comprovar o fenômeno da blindagem eletrostática sofrida por um corpo localizado
no interior de um condutor elétrico e o consequente efeito na propagação de ondas
eletromagnéticas dentro desse condutor.
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Material Utilizado:
· Telefone celular
· Corpo metálico fechado – Ex: Lata de leite.
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Procedimento Experimental:
Insere-se o celular no condutor metálico e então se disca o número desse telefone, percebe-se
então que o aparelho não acusa a chamada. Para a comprovação de que esse fato não se deve a
defeito no aparelho retira-se o celular do condutor e novamente faz-se a chamada. Nota-se que o
telefone toca normalmente.
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Fundamentação teórica:
Em um condutor elétrico em equilíbrio eletrostático as cargas elétricas livres se localizam em
sua superfície externa, situação na qual estarão maximamente afastadas entre si devido a
repulsão elétrica, com isso o campo elétrico no interior do condutor é nulo. Com a ausência de
variação de campo elétrico dentro do condutor a propagação da onda eletromagnética
característica da telefonia celular cessa (já que esse onda é formada por campos elétricos e
magnéticos oscilantes, sendo que a variação de um gera o outro). É importante ressaltar que esse
efeito de blindagem só é eficiente até as situações onde o comprimento de onda se aproxima das
dimensões da malha metálica, para comprimentos de onda inferiores as ondas eletromagnéticas
difratariam e atravessariam o condutor.
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Para refletir:
1) Por que as antenas dos carros se localizam na parte externa do veículo?
2) Se a lata de leite utilizada possuísse tampa plástica o efeito de blindagem seria observado?
.Globo de Plasma
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Objetivo:
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Material Utilizado:
· Globo industrializado contendo:.
● Plasma ( hélio e neônio).
● Ânodo (bola escura do centro) e catodo(vidro)
Procedimento Experimental:
Ligado na tomada observa-se raios do ânodo para o catodo podendo formar filetes mais fortes se
estiver em contato com um Fio terra(mão humana por exemplo).
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Fundamentação Teórica:
O globo de plasma é essencialmente constituído por uma esfera de vidro com um gás a baixa
pressão e por um eletrodo central a alta voltagem. Descargas elétricas provocam a excitação
e a ionização de alguns átomos de gás. Os átomos excitados, ao voltarem ao estado inicial,
emitem luz. Em Física, designa-se por plasma um fluido condutor constituído por uma
mistura de átomos, íons e elétrons. A descarga elétrica é capaz de excitar a lâmpada
fluorescente, mesmo estando esta a uma certa distância da bola - uma prova de que a energia
da radiação se propaga através do espaço. Quando uma pessoa coloca a mão na lâmpada
acima da zona iluminada, esta ilumina-se até à zona em que a mão encosta, pois a pessoa
atua como transmissor. Na superfície da Terra o plasma só se forma em condições especiais.
Devido a força gravitacional da Terra ser fraca para reter o plasma, não é possível mantê-lo
confinado por longos períodos como acontece no Sol. O Sol, assim como todas estrelas que
emitem luz se encontram no quarto estado da matéria. Na ionosfera terrestre, temos o
surgimento da Aurora Boreal, que é um plasma natural, assim como o fogo. São sistemas
compostos por um grande número de partículas carregadas, distribuídas dentro de um
volume (macroscópico) onde haja a mesma quantidade de cargas positivas e negativas.
Este meio recebe o nome de Plasma, e foi chamado pelo fisico inglês W. Clux de o quarto
estado fundamental da matéria, por conter propriedades diferentes do estado sólido, líquido
e gasoso.
Para refletir:
1) Porque surgem filetes mais fortes ao estarmos em contato com o globo?
2) Preste atenção e descubra se esse fenômeno tem algo em comum com um famoso fenômeno
da natureza.
LED'S (Light Emitting Diode)
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Objetivo: Observar as linhas de campo magnético de uma carga puntual, comprovar as
superfícies equipotenciais e ver como funciona a luz do futuro.
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Material Utilizado:
· Cuba Eletrolítica
· Fonte e fios
· LED'S
· água e sal
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Procedimento Experimental:
Insere-se água e sal na cuba ligada a fonte e coloca os LED'S na solução, então o LED gera luz
por um processo de recombinação(aniquilamento mútuo de elétrons e lacunas),uma
característica importante dos LED'S é o espectro de emissão que pode ser observado na faixa do
visível. A cor da luz é definida pelo gap do material semicondutor.
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Fundamentação teórica:
Light Emitting Diode (LED), ou diodo emissor de luz. O diodo é um componente amplamente
utilizado em circuitos eletrônicos, porém nenhum deles emite luz. A característica principal do
diodo é permitir que a corrente siga somente em uma direção. Pela característica intrínseca do
diodo e pelos materiais utilizados em sua construção, uma vez ligado em posição correta, alguns
elétrons pulam do positivo para o negativo (anodo para catodo). Nessa "queda", os elétrons que
se encontravam em órbitas atômicas mais altas caem a órbitas mais baixas. Quando isso ocorre,
há uma perda de energia. Essa perda gera uma energia excedente, liberada por meio de fótons,
que são quantum de radiação eletromagnética que não possuem massa, mas tem energia. É a luz.
O LED, embora emita luz, é um dispositivo muito distinto das lâmpadas de filamento ou mesmo
das lâmpadas de gases que conhecemos. Uma de suas vantagens é o comprimento quase exato
da onda, a temperatura exata em Kelvin, a excelente durabilidade (até 100 mil horas, ou seja 11
anos ligado ininterruptamente, contra poucos meses da lâmpada) e o baixíssimo consumo. E
encontramos hoje uma extensa variedade de modelos, que variam em potência luminosa e no
espectro de cor. Certamente a matriz luminosa do planeta mudará nas próximas décadas, e onde
hoje vemos lâmpadas, certamente amanhã veremos leds.
- Para refletir:
1) Qual a semelhança entre o funcionamento de uma pilha e de um LED?