Bancada Didática para ilustração das Leis do

BANCADA DIDÁTICA PARA ILUSTRAÇÃO DE LEIS DO ELETROMAGNETISMO
Micheli Silva, Nilton Lima, Luiz Roberto Nogueira
Universidade do Vale do Paraíba/FEAU, Av. Shishima Hifumi, 2911, [email protected],
[email protected] , [email protected]
Resumo - O projeto consiste no desenvolvimento de 1 kit com 3 projetos que irão demonstrar algumas leis
do eletromagnetismo, explorando os conceitos de indução magnética, interação entre corrente elétrica e
campo magnético.
Na prática, será abordado os conceitos das Leis de Faraday-Lenz e Biot-Savart. A utilização de aplicações
práticas é extremamente recomendada ao ensino, pois torna-se um atrativo, despertando a curiosidade.
Estes fenômenos físicos, não triviais de serem observados sem demonstração, ficam mais claros para o
entendimento e desenvolvimento dos alunos.
Palavras-chave: Indução Magnética, Campo Magnético, Lei de Faraday, Lei de Biot-Savart.
Área do Conhecimento: Eletromagnetismo, Engenharias.
Introdução
No início da década de 1830, Michael Faraday,
na Inglaterra, e Joseph Henry, nos Estados
Unidos, descobriram independentemente que um
campo magnético variável pode induzir uma
corrente em um condutor. As tensões e correntes
causadas por campos magnéticos variáveis são
denominadas tensões induzidas e correntes
induzidas. O fenômeno é conhecido como
indução magnética. Um campo magnético
variável pode ser produzido por uma corrente
variável ou por um ímã em movimento. Uma
corrente também é induzida quando uma bobina é
agitada nas proximidades de um ímã permanente
ou quando se faz girar uma bobina submetida a
um campo magnético fixo. Uma bobina girando em
um campo magnético é o elemento básico do
gerador, um dispositivo que transforma energia
mecânica em energia elétrica (TIPLER, 2000);
(FMC, USC).
A corrente que aparece na bobina é chamada
de corrente induzida e o trabalho realizado por
uma unidade de carga durante o movimento dos
portadores de carga que constituem essa corrente
denominamos fem induzida (HALLIDAY, 1996)
induzida.
Todos os fenômenos de indução magnética
podem ser descritos por uma única equação,
conhecida como lei de Faraday, que relaciona a
tensão induzida em um circuito à variação do fluxo
magnético que atravessa o circuito (TIPLER,
2000); (LF, CSF).
Os ímãs podem ser permanentes ou
transitórios. Os permanentes são aqueles que,
depois de imantados, continuam com os ímãs
elementares orientados, mesmo que não estejam
mais sujeitos à ação de um campo magnético. Os
transitórios são aqueles que deixam de funcionar
como ímãs quando não estão sob a ação de um
campo magnético, isto é, distantes de um ímã,
eles perdem a orientação dos seus ímas
elementares (BONJORNO, 1997).
Em 1819, o físico dinamarquês Hans Christian
Oersted, procurando ver se uma corrente elétrica
atuaria sobre um ímã, colocou uma bússola
(agulha imantada) perpendicular a um fio retilíneo
por onde passava corrente, e não observou
nenhum efeito. Entretanto, descobriu que, quando
ela era colocada paralelamente ao fio, a bússola
sofria uma deflexão, acabando por orientar-se
perpendicularmente a ele (NUSSENZVEIG, 1997).
A partir das investigações de Oersted no início
do século XIX sobre a força entre um condutor
com corrente e um ímã, Jean-Baptiste Biot e Félix
Savart chegaram a uma expressão para o campo
magnético em um ponto do espaço em termos da
corrente que produz o campo. Não existem
correntes pontuais comparáveis com cargas
pontuais (porque temos de ter um circuito
completo para uma corrente). Assim, devemos
investigar o campo magnético devido a um
elemento infinitesimalmente pequeno de corrente
que é parte de uma distribuição de corrente maior
(SERWAY, 2004); (CMB - LBS, UEL - 2009).
A idéia do projeto, consiste no desenvolvimento de
1
kit
para
ilustração
dos
conceitos
eletromagnéticos acima. Este será disponibilizado
para aplicação na UNIVAP, facilitando o
entendimento dos alunos devido a dificuldade na
absorção dos conceitos da disciplina, tanto pela
abstração necessária para se entender os
conceitos, quanto pelo modo que é tratado em
sala de aula, com foco na utilização de fórmulas,
sem aplicações práticas.
XIII Encontro Latino Americano de Iniciação Científica e
IX Encontro Latino Americano de Pós-Graduação – Universidade do Vale do Paraíba
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Projeto 1 - Interação entre campo magnético e
corrente elétrica
O primeiro projeto demonstra a interação entre
dois fios metálicos conduzindo correntes elétricas,
que ilustrará os fenômenos observados por
Ampère, mas com uma material facilmente
acessível nos dias de hoje.
fechado, logo observa-se uma atração ou repulsão
da espiral, dependendo do sentido da corrente
elétrica e da polaridade do ímã que faceia a
espiral. Se invertermos a polaridade do ímã,
teremos um efeito contrário. Também pode-se
inverter o efeito mantendo sua polaridade, mas
trocando a direção da corrente.
Interação entre correntes elétricas
Materiais utilizados
1 placa de circuito impresso 15 cm x 20 cm;
2 bobinas enroladas com cerca de 2,50 m
de fio esmaltado 26 AWG;
Solda;
1 fonte de 3V;
2 ímãs.
Para que haja interação entre as espirais é
necessário que circule corrente elétrica por elas.
Pressiona-se simultaneamente os interruptores.
As espirais devem se unir ou se afastar,
dependendo do sentido das correntes elétricas.
Na Figura 2, ilustrativa, é mostrada a placa de
circuito impresso com as trilhas.
O Esquema Elétrico
Na placa de circuito impresso serão
esquematizados e construídos dois circuitos
elétricos idênticos, que serão posicionados
faceando um ao outro.
O circuito será composto de uma fonte de
alimentação de 3V, dois interruptores e duas
bobinas.
Segue abaixo na Figura 1 o esquema elétrico.
Figura 2 - Ilustração da Placa de Circuito
Figura 1 - Esquema Elétrico
Desenvolvimento
A interação eletromagnética é caracterizada
pela atração e repulsão entre um ímã e um fio com
corrente. Para observar esta interação no
desenvolvimento proposto, utilizou-se apenas uma
espiral e seu circuito correspondente, juntamente
com um ímã.
Aproxima-se o ímã da primeira espiral e nada
acontece caso não passe corrente pela espiral.
Pressiona-se o interruptor e mantém-se o circuito
Para dar uma idéia das ordens de grandeza, foi
medida a corrente do circuito, obtendo 1,3A. Como
a tensão de alimentação é 3V, pela lei de Ohm, a
resistência total do circuito é de 2,3Ω. Esta
resistência é composta pela resistência interna da
fonte, mais a resistência das trilhas e resistência
da espiral.
Observa-se facilmente que correntes elétricas
de mesmo sentido se atraem, enquanto que
correntes opostas se repelem. Invertendo a
polaridade da fonte, tem-se um efeito contrário.
Com este artigo e com o desenvolvimento
proposto, a obra fundamental de Ampère será
mais conhecida e entendida pelos estudantes de
engenharia.
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Projeto 2 - Princípio de funcionamento do
motor de indução trifásico
O segundo projeto demonstra o princípio de
funcionamento de um motor de indução trifásico,
que visa mostrar uma utilização extremamente
importante do conceito físico de indução
eletromagnética e campo girante.
Uma questão fundamental é entender como se
produz um torque eletromecânico no rotor do
motor de indução. A criação do torque no rotor
baseia-se na lei de indução de Faraday e na lei de
Lenz.
Quando temos uma variação do fluxo
magnético com o tempo em uma bobina, surge
uma tensão na mesma, e consequentemente
surge uma corrente circulando por ela. Esta
corrente tem o sentido de circulação definido pela
Lei de Lenz (enunciada aqui de forma simplificada:
”O fluxo criado pela corrente induzida deve se
opor à variação de fluxo que a criou”). Deste modo
surge polaridade na bobina opostas as do fluxo.
Em um motor de indução esse fluxo variável é
feito pelo campo girante. Esse fluxo atravessa o
rotor tipo gaiola.
Note que a gaiola possui aros metálicos na
tampa e na base, de tal modo a curtocircuitar as
varetas e permitir a circulação de correntes por
elas.
No caso do motor induzido, temos a utilização
de bobinas que são percorridas por uma corrente
elétrica alternada, que por sua vez geram um
campo magnético dentro da mesma.
A idéia principal é de criar um campo
magnético girante com três bobinas fixas,
separadas de 120º e alimentadas por uma
corrente alternada trifásica, e defasadas de 120º.
De tal forma que se no meio destas bobinas for
colocado um rotor metálico, este se orientará de
acordo com este campo girante.
Figura 3 - Esquema de montagem ilustrativo
Desenvolvimento
Após toda a montagem, fez-se necessário o
uso do inversor de frequência, para que pudesse
ter controle da tensão aplicada no sistema.
Como a tensão da rede é 230V se fosse aplicado
uma tensão dessa ordem diretamente nas
bobinas, certamente estas iriam queimar, portanto,
o inversor de frenquência tem a função de retificar
a tensão de entrada para que a tensão aplicada
nas bobinas seja da ordem de 10 a 20 volts.
Ao estabilizar a tensão, é gerado um campo
magnético em cada bobina fazendo com que
aconteça a indução e logo o rotor gire em
velocidade constante.
Na Figura 4 observa-se o suporte, as bobinas
colocadas sobre o mesmo e o rotor tipo gaiola,
colocado no eixo para sofrer o efeito de indução
do campo magnético girante. A ligação entre as
bobinas foi feita em Y.
Materiais utilizados
3 bobinas idênticas;
1 inversor de frequência;
Fios de ligação;
Rotor tipo gaiola em alumínio;
Parafusos para fixação.
O Esquema de Montagem
A Figura 3 mostra a ilustração, com a
disposição das bobinas e a ligação entre elas,
além de mostrar o ponto de encontro dos eixos
magnéticos. Neste ponto foi instalado um rotor tipo
gaiola.
Figura 4 - Disposição de montagem
Esta demonstração tem
uma grande
importância para que os alunos entendam melhor
o fenômeno da indução e campo girante, bem
como exemplifica o funcionamento de muitos
motores elétricos atuais, a noção de tensão
alternada e a conversão de energia.
Para projetos futuros a orientação é que se
desenvolva este em dimensão menor, para que o
professor ou alunos não tenham dificuldades em
locomover-se com o equipamento.
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Projeto 3 - Indução Magnética
Todo dispositivo que produz um fluxo
magnético a partir de uma corrente elétrica é
chamado de indutor. Basicamente precisamos ter
um núcleo de material ferromagnético (para
aumentar a magnitude e densidade do fluxo) e
uma bobina enrolada neste material. Quando a
bobina é percorrida por uma corrente de
intensidade i surge um fluxo em torno do núcleo
que se expande por sua vizinhança.
Um indutor é linear se o fluxo magnético é
diretamente proporcional à corrente, ou seja:
Materiais utilizados
1 bobina;
1 íma permanente;
1 base de madeira;
1 lâmpada ou milivoltímetro.
Esquema de Montagem
Na Figura 6 é mostrado o esquema de
montagem do projeto de indução magnética.
Φ=Lxi
A constante de proporcionalidade L é chamada
indutância, cuja unidade é em henry (símbolo H).
Para expressar a equação descritiva de um indutor
linear em termos das variáveis tensão e corrente é
necessário aplicar a Lei de Faraday. Esta lei pode
ser enunciada da seguinte forma: “Todo condutor
atravessado pelas linhas de força de um campo
magnético variável sofre a indução de uma tensão
proporcional à variação do fluxo que o enlaça.”
O significado da Lei de Faraday pode ser
compreendido com a ajuda da ilustração do
projeto proposto a seguir na Figura 5:
Figura 6 - Esquema de Montagem
Com o esquema proposto foi possível mostrar
a variação ocorrida na corrente produzida pela
passagem do ímã por dentro da bobina. Foi fácil
perceber também que existe uma relação entre a
velocidade do ímã e a corrente produzida
respectivamente. Esse projeto pode auxiliar o
ensino dos conceitos eletromagnéticos produzindo
uma visão qualitativa do fenômeno físico em
questão.
Agradecimentos
Figura 5 - Ilustração da Indução Magnética
Quando o imã vai se proximando da bobina, as
linhas de força do campo magnético vão cortando
cada vez mais as espiras condutoras (fluxo
variável), gerando uma tensão nos terminais da
bobina. Fechando-se o circuito com um
amperímetro, este indicará uma corrente fluindo. O
importante é a variação do fluxo que enlaça o
condutor.
Utilizando-se o conceito de derivada, a Lei de
Faraday, pode ser expressa da seguinte forma:
v=
Agradecemos a colaboração do Prof. Luiz
Roberto Nogueira, por ter nos ajudado na
orientação deste projeto, pois sem esta ajuda com
certeza o projeto não seria tão bem sucedido.
Agradecemos também ao Engenheiro José
Donizete da Cápua Engenharia por nos ter cedido
o inversor de frequência.
dΦ
dt
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Referências
- Bonjorno, José Roberto, 1946 - Temas de Física,
3: Eletricidade / Bonjorno, Clinton. — São Paulo:
FTD, 1997.
- Halliday, Resnick e Walker. Fundamentos de
Física. Eletromagnetismo. 4. ed. vol. 3. Ed. LTC,
1996.
- Nussenzveig, Herch Moysés. Curso de Física
Básica. Eletromagnetismo. vol. 3 / H. Moysés
Nussenzveig - 1ª edição - São Paulo: Editora
Blücher, 1997
- Serway, Raymond A. Princípios de Física.
Eletromagnetismo. vol. III, 2004.
- Tipler, Paul A. Eletricidade e Magnetismo, Ótica.
Física para cientistas e engenheiros. 4. ed. vol. 3.
Ed. LTC, 2000.
(LF, CSF) Colégio São Francisco. Lei de Faraday.
Disponível em:
http://www.colegiosaofrancisco.com.br/alfa/eletrici
dade-e-magnetismo/lei-de-faraday.php.
Acesso
em 31 de março de 2009.
(CMB - LBS, UEL 2009) Toginho Filho, D. O.;
Laureto, E; Campo Magnético em uma Bobina –
Lei de Biot-Savart. Catálogo de Experimentos do
Laboratório
Integrado
de
Física
Geral
Departamento de Física. Universidade Estadual de
Londrina, Janeiro de 2009. Disponível em:
http://www.uel.br/cce/fisica/docentes/dari/d4_ativid
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2009.
(FMC, USC) Universidade Santa Cecília. Força
Magnética sobre condutores. Disponível em:
http://professores.unisanta.br/santana/downloads
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Sistema Trifásico. Disponível em:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_trif%C3%A1sic
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http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_indu%C3%A7
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Campo Girante. Disponível em:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla.
Acesso em 28 de agosto de 2009.
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