Apostila da oficina de Eletromagnetismo - DFTE

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA TEÓRICA E EXPERIMENTAL
PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL
''E TOME CHOQUE”
Eletromagnetismo
“Uma boa oportunidade para se aprender um pouco mais
sobre a entusiasmaste 'Ciência de Maxwell' ''
Maxwell Santana Libório
Francisco Biagione de Lima Junior
Natal-RN
2010.1
-2-
Eletromagnetismo: ''E tome choque” !
1. Introdução:
“Uma boa oportunidade para se aprender um pouco mais sobre a entusiasmante 'ciência de
Maxwell’ ”. A oficina consiste de nove experimentos educativos: → Lei de Faraday → Anel
Saltitante → Forno de indução → Freio Magnético → Motor (transformação de energia mecânica
em elétrica) → Radiômetro → Blindagem Eletrostática → Globo de Plasma → LED’S (Light
Emitting Diode); que associam a teoria e a prática com os conceitos fundamentais do
eletromagnetismo. Os experimentos apresentados são simples, mas podem ser empregados a vários
fenômenos observados, desde o acendimento de uma lâmpada até a produção de energia elétrica
em uma usina. Tivemos o cuidado de selecionar desde experimentos clássicos como a “Blindagem
Eletrostática” até experimentos quânticos como LED’S e o Globo de Plasma, mostrando o caráter
evolutivo da Física.
2. Lei de Faraday
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.
Material Utilizado:
Ímã
Espira condutora
Amperímetro
Fios condutores
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 observase registro de corrente elétrica no amperímetro. Mantendo-se o imã em repouso a marcação no
amperímetro é nula.
www.dfte.ufrn.br/petfisica
-3Fundamentação 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.
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?
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
www.dfte.ufrn.br/petfisica
-4________________________________________________________________________________
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?
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
3. Anel Saltitante
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.
Material Utilizado:
Anel metálico (ALUMINIO OU COBRE..)
Bobina primária
Núcleo metálico instalado sobre a bobina
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.
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.
www.dfte.ufrn.br/petfisica
-5-
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?
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
4. Forno de Indução (Magnético)
Objetivo: observar o efeito Joule, criado pela corrente induzida, para se aquecer água .
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.
www.dfte.ufrn.br/petfisica
-6-
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.
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 ∆Φ 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 ∆t 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.
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.
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
5. Freio Magnético
Objetivo: Observar as correntes de Foucault e o poder de freio magnético.
www.dfte.ufrn.br/petfisica
-7Material Utilizado:
Aparato com cano PVC e um cano metálico
“pentes” metálicos (com abertura e fechado)
Ímãs
Observação: 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.
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).
Para refletir:
1) Explique o porquê das hastes pararem de oscilar quando elas atravessam as fendas.
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
www.dfte.ufrn.br/petfisica
-82) Existe algum efeito térmico nas hastes?
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
6. Motor elétrico.
Objetivo: observação de transformação de energia mecânica em elétrica.
Material Utilizado:
Correia e manivela para dar início ao movimento
Bobinas
Lâmpadas
Fios
Ímãs
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.
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:
www.dfte.ufrn.br/petfisica
-9Ec =
1 2,
mv
2
onde Ec 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
uma represa. Nesses estados latentes ela se denomina energia
ou ainda nas águas de
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 M = E c + E p = 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
Faraday é um simples precursor); os geradores mecânicos de corrente alternante são
de
também
denominados alternadores; os geradores mecânicos de corrente contínua são também denominados
dínamos. Vale, desde já, notar que: "dínamo" de bicicleta não é
máquina elétrica (seja gerador ou motor), distinguem-se
dínamo e sim 'alternador'.Numa
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
www.dfte.ufrn.br/petfisica
- 10 contrário.
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.
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.
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
7. Radiômetro
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).
Material Utilizado:
Folhas de mica (prateadas e enegrecidas com fuligem)
Bulbo de vidro contendo ar rarefeito
Observação: fabricação industrial
www.dfte.ufrn.br/petfisica
- 11 -
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
www.dfte.ufrn.br/petfisica
- 12 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
www.dfte.ufrn.br/petfisica
- 13 lado escuro e não o prateado).
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
3) Este fenômeno seria observado no vácuo
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
8. Blindagem Eletrostática (Gaiola de Faraday)
Objetivo: Comprovar o fenômeno da blindagem eletrostática sofrida por um corpo localizado
no interior de um condutor elétrico e o conseqüente efeito na propagação de ondas eletromagnéticas
dentro desse condutor.
Material Utilizado:
Telefone celular
Corpo metálico fechado – Ex: Lata de leite.
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.
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.
www.dfte.ufrn.br/petfisica
- 14 -
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?
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
9. Globo de Plasma
Objetivo:
Apresentar à alunos o chamado quarto estado da matéria, o plasma. Para isto, empregaremos
o uso do globo de plasma.
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).
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
www.dfte.ufrn.br/petfisica
- 15 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.
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
10. LED'S (Light Emitting Diode)
Objetivo: Observar as linhas de campo magnético de uma carga puntual, comprovar as
superfícies equipotenciais e ver como funciona a luz do futuro.
Material Utilizado:
Cuba Eletrolítica
Fonte e fios
LED'S
Água e sal
www.dfte.ufrn.br/petfisica
- 16 -
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.
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.
www.dfte.ufrn.br/petfisica
- 17 -
Para refletir:
1) Qual a semelhança entre o funcionamento de uma pilha e de um LED?
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
www.dfte.ufrn.br/petfisica