PARTE-3: TERMOLOGIA, ÓPTICA e ELETRICIDADE ELETRODINÂMICA: Lei de Ohm, Campo Magnético, Eletromagnetismo

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1 PARTE-3: TERMOLOGIA, ÓPTICA e ELETRICIDADE ELETRODINÂMICA: Lei de Ohm, Campo Magnético, Eletromagnetismo 8 LEI DE OHM 8.1.CIRCUITO ELÉTRICO e INTENSIDADE da CORRENTE ELÉTRICA Corrente elétrica (I) é o deslocamento ordenado (dirigido) de cargas elétricas em um meio condutor sujeito a uma DDP. Nos meios metálicos as cargas são os elétrons livres. O dispositivo que mantém a DDP é o GERADOR, que faz isto às custas da transformação de algum tipo de energia em ENERGIA ELÉTRICA, pois na natureza nada é de graça. O CIRCUITO ELÉTRICO é o ambiente onde circula a corrente e acontecem as transformações elétricas. Figura 4.1: Esquema e Elementos do circuito elétrico a) Elementos do Circuito: O circuito é constituído de 03 elementos básicos (figura 4.1): GERADOR: Qualquer dispositivo capaz de manter uma DDP em seus terminais ou polo Sul (S): Pilha: ddp = 1,5V, Energia química em Energia Elétrica; Dínamo: ddp = 12V, Energia Mecânica em Energia Elétrica); LINHA de TRAMSMISSÃO: São os condutores ou a rede elétrica. Liga o gerador ao receptor ou carga; RECEPTOR ou CARGA: Dispositivo onde a Energia Elétrica é consumida ou transformada: Lâmpada: transforma energia elétrica em Calor e Luz; Motor: transforma energia elétrica em Calor e Movimento. Existem dois sentidos para a corrente elétrica: CONVENCIONAL: considera cargas positivas se deslocando do polo(+) para o (-); REAL: considera cargas negativas (elétrons) se deslocando do polo (-) ao (+). b) Portadores de cargas: Nos Sólidos e Líquidos condutores, são os elétrons; Nos Líquidos (ELETRÓLITOS) são os ÍONS, que formam uma corrente em sentidos contrários (ÃNIONS(+): para eletrodo (-) e CÁTIONS(-): para eletrodo (+) (figura 4.2). Nos Gases forma-se o PLASMA: estágios iniciais na maioria dos casos, com a corrente sendo constituída por elétrons, cátions e ânions em sentidos contrários (Relâmpagos, solda ao arco elétrico, lâmpadas fluorescentes,...). Figura 4.2: Portadores de cargas nos sólidos e fluídos

2 Nos isolantes normalmente não acontece a corrente elétrica. Somente quando a DDP aplicada gera um campo elétrico superior à sua RIGIDEZ DIELÉTRICA é que o isolante permite a passagem (catastrófica) da corrente elétrica. Para os gases, de modo geral, isto ocorre para campos elétricos da ordem de E = 3x10 6 N/C ou 3x10 6 V/m. c) Intensidade da corrente elétrica (I): É a razão entre a quantidade de carga (Q) que passa pela secção reta do elemento condutor e o intervalo de tempo (t) considerado (figura 1.2): I = Q / t unidade: C / s = Ampere = A); µa = 10-6 A; ma = 10-3 A = 0,001A Por definição, 1A é a intesidade de corrente elétrica quando pela secção reta do elemento condutor passa 1C por 1s* O aparelho que mede I é o AMPERÍMETRO, enquanto o VOLTÍMETRO mede a diferença de potencial entre dois pontos ou polos elétricos. d) Tipos de Corrente Elétrica: CC: Corrente Contínua: As cargas deslocam-se sempre no mesmo sentido e com a mesma intensidade. É gerada por pilhas, baterias e fontes reguladas, CP: Corrente Pulsada ou Pulsante: As cargas deslocam-se no mesmo sentido mas a intensidade varia regularmente ou aleatoriamente. É gerada pelos retificadores e pulsadores. CA: Corrente Alternada: O sentido e o valor da corrente muda periodicamente. É a utilizada nas redes elétricas (produzida pelos alternadores) na frequência de 60Hz (Hertz). Isto significa que a corrente troca de sentido 120 vezes ou seja duas vezes por período (figura 1.3). Figura 1.3: Tipos de Corrente Elétrica Muitos livros fazem uma analogia hidráulica, comparando a corrente elétrica com o fluxo de água num encanamento. Esta analogia deve ser considerada com cuidados, pois o comportamento dos elétrons um meio metálico é muito mais complexo de se descrever que o fluxo de água num cano. A energia elétrica residencial passou a ter impulso a partir de coma invenção da lâmpada elétrica por T. A. Edson. 8.2 RESISTÊNCIA ELÉTRICA e LEI de OHM Assim como num cano a água vai perdendo PRESSÃO ao longo do caminho, algo semelhante ocorre com a corrente elétrica. Ou seja: o movimento dos elétrons num meio condutor sofre resistências de causas térmicas, estruturais, geométricas, atômicas e etc. A principal causa são os choques dos elétrons móveis com os átomos(fixos) do condutor. São estes choques que geral CALOR ou o chamado EFEITO JOULE. a) Resistência Elétrica RESISTÊNCIA ELÉTRICA é a dificuldade (maior/menor) que os diferentes meios apresentam à passagem da corrente elétrica. Por exemplo: Al, Cu, Ag: têm baixíssima resistência elétrica (bons condutores); Grafite, Constantã : têm média resistência elétrica ( RESISTORES); Vidro, porcelana, ar: têm altíssima resistência elétrica (isolantes). A unidade de resistência elétrica é o OHM (Ω), e os RESISTORES são os dispositivos construídos para

3 apresentarem determinado valor de resistência elétrica, largamente utilizados em eletricidade e eletrônica. Os tipos mais comuns são os de Carvão, Filme Metálico/Grafite e de fio (liga Niquel-Cromo). A resistência elétrica de um fio condutor é calculada segundo a fórmula: R = ρ (L / S) S = Área da Secção Reta (m 2 ) R = Resistência Elétrica em (W) L = Comprimento fio Condutor (m) ρ = Resistência específica ou resistividade que é uma característica do tipo de material ( Ω m). A tabela a seguir mostra valores da resistividade de alguns materiais na temperatura de 20ºC. Observa-se que a prata (Ag), Cobre (Cu) e Ouro (Au) são os elementos de mais baixa resistividade, enquanto o vidro e o enxôfre (S) tem elevados valores e são considerados isolantes. MATERIAL ρ (Ωm) MATERIAL ρ (Ωm) Ag 1,6x10-8 Hg 28,1x10-8 Cu 1,8x10-8 Liga Ni-Cr 30,2x10-8 Au 2,4x10-8 Carvão/Grafite 3500x10-8 Al 2,7x10-8 Vidro a Fe 10,2x10-8 S b) LEI de OHM ( ) Esta lei estabelece uma relação entre a DDP (U) nos terminais de um RESISTOR ou carga e a Intensidade da corrente elétrica (I) que passa por este elemento, ou seja: O quociente entre a DDP e a correspondente intensidade da corrente elétrica (I) é uma constante para um dado elemento. Esta constante é a resistência elétrica do resistor ou do elemento. A figura 4.4 ilustra a situação. R = U / I ou U = R I R = Resistência elétrica do elemento (Ω), U = Diferença de potencial ou Tensão aplicada no elemento (V); I = Intensidade da corrente elétrica (A).

4 Figura 4.4: Verificação da lei de Ohm Por definição, Um Ohm é a resistência de um resistor quando sob uma U = 1V nele circula uma intensidade de corrente igual a I = 1A. c) Materiais Ôhmicos e Não-Ôhmicos Os gráficos da figura 4.5 mostram o comportamento das substâncias ÔHMICAS (Niquelina, carvão, platina) e NÃO-ÔHMICAS (W, Gases, Fe, Semicondutores). Quando o material é ôhmico o valor da resistência permanece constante: R1 = U1 / I1 = 15V/3A = 5Ω R2 = U2 / I2 = 30V/6A = 5Ω Quando o material é não Ôhmico o valor da resistência varia ao longo da curva ou varia em função da intensidade da corrente: R1 = U1/I1 = 6V / 3A = 2Ω R2 = U2/I2 = 30V / 5A = 6Ω. Ambos materiais tem utilidade em eletricidade ou eletrônica. Os resistores são construídos para manterem a resistência constante. As lâmpadas de gás (fluorescentes) e o arco de solda são exemplos de meios não Ôhmicos. Figura 4.5a : Gráfico de substância Ôhmica. A resistência é constante não importando o valor da intensidade da corrente. Figura 4.5b: Gráfico de substância Não-Ôhmicas. A resistência varia com a intensidade da corrente. 8.3 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES a) Associação em SÉRIE: A figura 4.6 mostra o esquema de uma associação em série. As características principais são: (i) A intensidade da corrente elétrica é a mesma em qualquer parte do circuito, pois o caminho para a corrente é um só; (ii) A interrupção em qualquer ponto bloqueia a corrente (circuito aberto); (iii) A soma das quedas de tensão ou voltagem em cada resistor é igual à DDP ou tensão aplicada no circuito ou malha; (iv)todos os resistores podem ser substituídos por um único RESISTOR EQUIVALENTE da SÉRIE (Res):

5 Uab = Uac + Ucd + Udb Res = R1 + R2 + R3 Haverá tanto mais parcelas quanto maior for o número de resistores ligados em série. Uma vantagem desta associação é que utiliza menor quantidade de fios condutores. É muito utilizada em enfeites de natal e circuitos eletrônicos. Figura 4.6: Associação de RESISTORES em SÉRIE b) Associação em PARALELO: Na figura 4.7 é mostrado o esquema da ligação em PARALELO, onde cada caminho para a corrente é denominado de ramo ou malha. As principais características deste circuito são: (i).haverá tantos caminhos para a corrente quantos forem os resistores em paralelo; (ii). A soma das correntes em cada RAMO ou MALHA é igual à intensidade total da corrente elétrica: I = I1 + I2 + I3 + I (iii). A corrente em um ramo é independente dos demais e a DDP é mesma em todo o circuito. (iv).todos os resistores podem ser substituídos por um único Resistor Equivalente, designado por Rep, que pode ser calculado pela fórmula: 1 / Rep = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R Assim, numa associação em paralelo o inverso da resistência equivalente é igual à soma dos inversos das resistências de cada um dos resistores. Esta associação é utilizada nas redes elétricas (residencial e distribuição). A grande vantagem é o que acontece num ramo não interfere no outro. A desvantagem é necessidade de maior quantidade de fios condutores. Figura 4.7: Associação de RESISTORES em PARALELO c)- Associação Mista Neste caso o circuito é uma combinação de associação em SÉRIE e PARALELO. O cálculo do RESISTOR EQUIVALENTE (Re) é obtido calculando-se o resistor equivalente de cada uma das associações parciais, ORDENADAMENTE, e no final determina-se o resistor equivalente do tipo de associação resultante. Nos casos mais complicados faz-se uso das LEIS de KIRCHOFF. São os circuitos eletrônicos que utilizam, de modo geral, esta associação. Este assunto não é tratado neste curso. Os

6 interessados poderão acessar a bibliografia citada para maiores esclarecimentos. d) INSTRUMENTOS DE MEDIDA ELÉTRICA São dispositivos capazes de medir as GRANDEZAS ELÉTRICAS. Os principais tipos de instrumentos são (ver figura 4.8): VOLTÍMETRO: mede a DDP, Tensão ou Voltagem entre dois pontos ou polos do circuito. É ligado em PARALELO com o elemento a medir. Deve ter a MAIOR RESISTÊNCIA INTERNA possível para não carregar o circuito. Milivoltímetro: mede milivolts = mv = 10-3 V. AMPERÍMETRO: mede a intensidade da corrente elétrica que passa por um ponto do circuito. É ligado em SÉRIE com o elemento. Deve ter a MENOR RESISTÊNCIA INTERNA possível para não interferir no circuito. Miliamperímetro: mede miliamperes = ma = 10-3 A. Microamperímetro (instrumento delicado) mede microamperes = ma = 10-6 A. OHMÍMETRO: mede a resistência elétrica dos elementos PASSIVOS. Pode ser calibrado em kω = 10 3 Ω; MΩ=10 6 Ω etc. WATTÍMETRO: mede a potência elétrica demandada por uma carga ou resistor. É ligado parte em Série e parte em Paralelo. Figura 4.8: Ligação dos instrumentos: a) Voltímetro (paralelo); b) Amperímetro (série); c) Watímetro. Os instrumentos podem ser ainda classificados como: ANALÓGICOS, mostram o resultado na movimentação de um ponteiro ou barra indicadora; DIGITAIS, mostram o resultado da medida em forma de números (leitura mais fácil). Há instrumentos que incorporam mais de uma função, são os chamados MULTÍMETROS, indicados para atividade técnica/industrial, e não tanto para laboratório. 8.4 EFEITO JOULE e POTÊNCIA ELÉTRICA É a transformação DIRETA de Energia ELÉTRICA em CALOR. É o denominado efeito térmico da corrente elétrica. Origina-se, nos condutores, devido principalmente às colisões e outras interações dos elétrons livres acelerados pelo campo elétrico, com as camadas eletrônicas dos átomos da estrutura cristalina ou amorfa. Ver Figura Figura 4.9: Ilustração do EFEITO JOULE nos sólidos Potência de uma força é a razão entre o trabalho mecânico executado, e o tempo decorrido para completar o trabalho. A unidade de potência é o J/s = Watt = W. Da mesma forma a potência elétrica é a taxa de transformação da energia elétrica na forma de energia consumida ou transformada no dispositivo considerado: Lâmpada: En. Elétrica Þ En. Luminosa + Calor;

7 TV: En. Elétrica Þ En. Luminosa + En. Acústica + En. Magnética + Calor. A Potência elétrica (P) é dada por: P = U I U = DDP em Volts(V); I = Intensidade da corrente elétrica (A); P = Potência em Watts (W) No caso específico da transformação de energia elétrica em calor, ou efeito JOULE, a potência pode ser calculada por: P = R I 2 R = Resistência elétrica em Ohms (Ω) I = Intensidade da Corrente elétrica(a) P = Potência Elétrica taxa de geração de calor (W) Esta expressão só é válida para aquecedores por resistores, chuveiros e ferros de passar onde o efeito predominante é o calor produzido por aquecimento de um resistor. Uma aplicação comum do efeito joule é nos FUSÍVEIS, utilizados na proteção dos circuitos elétricos. Quando há uma sobrecarga de corrente o fusível se rompe (abre o circuito), devido a FUSÃO rápida do elemento ( liga de chumbo,...), sob a ação do calor gerado, antes de comprometer o restante do circuito. 8.5 LEI DE OHM GENERALIZADA EQUAÇÃO DO CIRCUITO a) FORÇA ELETROMOTRIZ O gerador é o dispositivo capaz de manter em seus polos ou bornes uma DDP (U). Isto é feito às custas de transformação ou consumo de energia. A quantidade de energia recebida por unidade de carga (q) transportada internamente entre seus polos recebe o nome de FORÇA ELETROMOTRIZ (E) ou FEM. Conforme mostra a figura Figura 4.10: Circuito elétrico: Externo e Interno Verifica-se que no circuito externo as cargas circulam a favor da tendência natural, enquanto no circuito interno as cargas, para completar o circuito, movem-se contra ela. Por exemplo, o gerador da figura 2.1 realiza um trabalho de -30J para transportar 20C de cargas negativas entre os polos B e A. Assim, a FEM deste gerador será: E = Wba / -q = -30J / -20C = 1,5V que é o valor da FEM de uma pilha de lanterna que transforma Energia Química em Energia Elétrica. Como os dispositivos tecnológicos não são perfeitos, nem toda energia é aproveitada no transporte das cargas. Uma pequena parte desta energia é dissipada no próprio gerador. Esta EFICIÊNCIA na conversão da energia está associada à denominada RESISTÊNCIA INTERNA (Ri) do gerador. Quanto menor a Ri mais eficiente ou de melhor qualidade é o gerador.

8 b) EQUAÇÃO DO CIRCUITO U = E - (Ri) I U = DDP (Vab) nos polos externos do gerador (V), E = FEM (V) é o valor nominal do gerador; Ri = Resistência Interna do gerador(ohms) I = Intensidade da corrente elétrica (A). O gráfico desta equação é mostrado na figura A inclinação da reta é negativa, significando que quanto maior a corrente no circuito menor será a tensão ou DDP (U) nos polos do gerador. O limite máximo é quando acontece o CURTO CIRCUITO. Nesta situação a DDP se anula e a corrente é a máxima possível, sendo limitada apenas pela resistência interna (Ri), e em alguns casos pode acontecer até a explosão do gerador (Baterias de Lítio). Figura 4.11: a) Circuito para traçar o gráfico; b) Gráfico da equação do gerador c) ASSOCIAÇÃO DE GERADORES Os geradores podem ser associados em SÉRIE ou em PARALELO, dependendo da finalidade. c.1) Associação em Série: Na associação em série SOMAM-SE as FEM de cada um dos geradores, se o polo (+) de um deles for ligado ao polo (-) do outro. A desvantagem é que neste caso a resistência interna aumenta, reduzindo a eficiência do gerador equivalente. Figura 4.12(a). Figura 4.12: a) Associação em Série de geradores e o respectivo gerador equivalente; b) Associação de geradores em paralelo e o respectivo gerador equivalente c.2) Associação em Paralelo Na associação em paralelo somente podem ser ligados geradores com IGUAL fem. A vantagem é que a resistência interna do gerador equivalente diminui, aumentando sua durabilidade ou capacidade de fornecer maior corrente. Figura 4.12 (b). EXEMPLOS: 1.a) Calcular a resistência equivalente de um circuito com resistores de 3Ω, 7Ω e 5Ω associados em série,

9 ligados a uma fonte de 60V. (b) Em qual deles existirá a maior ddp? c) Qual deles aquecerá mais? Solução: a) Na associação em série, simplesmente somam-se os valores: Res = R1 + R2 + R3 = 3Ω + 7Ω + 5Ω = 15Ω; b) Cálculo da corrente: I = U / Res => I = 60V/15Ω = 4A esta é a intensidade da corrente que circula em todos os resistores. Calcula-se, agora, as ddp s em cada resistor: U1 = R1.I = 3Ω.4A = 12V;...U2 = R2.I = 7Ω.4A = 28V;...U3 = R3.I = 5Ω.4A = 20V. Verificase que a maior ddp está sob R2 que é U2=28V. Assim numa série o resistor de maior valor suporta a maior tensão ou ddp; c) Efeito Joule: P1=R1.I = = 3.16=48W;...P2=R2.I = = 7.16 = 112W;...P3=R3.I = = 80W. Logo o maior aquecimento se dará no resistor de maior valor R3, onde P= 112W 2. a) Calcular a resistência equivalente de um circuito com os resistores 3Ω, 7Ω, 5Ω, ligados a uma fonte de 60V, associados em paralelo. b) Em qual deles passará maior corrente? c) Qual deles aquecerá mais? Solução: a) Cáculo do R equivalente: 1/Rep = 1/3Ω +1/7Ω + 1/5Ω = 71/105 => Rep = 105/71 => Rep = 1,48Ω b) Num circuito paralelo a tensão é a mesma em qualquer resistor: I1 = 60V/3Ω = 20A;...I2 = 60V/7Ω = 8,57A;...I3 = 60V/5Ω = 12A => I1 = 20A em R1, que é o de menor valor; c) Efeito Joule: P1 = R1.I1 2 = = 1200W...P2 = R2.I2 = 7.(8,57) 2 = 514,3W...P3=R3.I3 = = 720W. Logo o maior aquecimento acontece sobre o resistor de menor valor R1 e vale P1 = 1200W 9. CAMPO MAGNÉTICO 9.1 Ímãs e Linhas de Força Magnéticas (bússola) As primeiras observações dos fenômenos magnéticos vem da antiga Grécia (Magnésia), por volta de 550 a.c., onde existia e existe ainda um minério natural chamado de MAGNETITA (Fe 3 O 4 ) com a misteriosa capacidade de atrair partículas de ferro ou de alguns de seus compostos. Na China, século III a.c. existia a Geomancia, meio de adivinhação baseado nos movimentos de uma agulha de magnetita, de onde surgiu o invento da BÚSSULA, século I, cuja maior aplicação foi nas Grandes Navegações. A primeira explicação do funcionamento da bússola foi proposta por William Gilbert, século XVII, autor do livro De Magnete, no qual explicava que a terra se comporta como um gigantesco ÍMÃ para cujos polos N e S alinham as bússolas. Daí nasceu a ciência do Magnetismo a) Ímãs: Os ímãs podem ser NATURAIS (magnetita) ou ARTIFICIAIS (ligas de Fe-Ni-Co). Todo ímã tem dois polos: NORTE e SUL e uma linha neutra onde o campo magnético é nulo. Os polos sempre existem aos pares, ou seja: NÃO É POSSÍVEL A EXISTÊNCIA DE UM polo ISOLADO. A razão deste fato é que a origem do campo magnético, nos materiais, deve-se á aos átomos comportarem-se como pequenos ímãs (dipolo atômico). Mesmo separando-se o átomo em suas partes ainda assim existiriam os dipolos ainda menores devido aos prótons e elétrons (spin) e estes minúsculos ímãs são irredutíveis. Em torno de um ímã existe um campo magnético, que é representado por linhas de força. As linhas se CONCENTRAM nos polos e, por convenção, SAEM do polo NORTE e ENTRAM no polo SUL. Os ímãs obedecem à Lei Fundamental: Polos de mesmo nome se repelem e polos de nomes contrários se atraem. Ver figura 5.1. Figura 5.1: a) Inseparabilidade dos Polos de um Ímã; b) Campo magnético ou Linhas de Força devido a

10 um ímã; c) Visualização das linhas de força espalhando-se limalhas numa lâmina de vidro em cima de um ímã (fonte: FISICA para o 2º grau. Marcos J. Chiquetto, ed. Scipione, 1993) Um ímã natural ou artificial pode ser desmagnetizado se aquecido até atingir a temperatura ou PONTO CURIE (Tc), que para a Magnetita vale 550ºC e para o Ferro vale 700ºC. Vibrações fortes também podem causar a perda de magnetismo dos ímãs. O ímãs são utilizados em: Alto-falantes, Sensores para alarmes, Geradores elétricos (dínamos, alternadores), bússolas, Fones e Microfones, etc. O polo norte da bússola aponta para o polo sul magnético, que corresponde ao norte geográfico, pois polos de nomes contrários se atraem. Sabe-se, hoje, que os polos magnéticos terrestres se deslocam, aproximadamente a 0,2º por ano, em relação aos polos geográficos. O norte magnético se desloca para Oeste e sul para leste. Atualmente o SUL magnético está a uns 2000km do NORTE geográfico (Ilhas ao norte do Canadá). Ver figura 5.2. Figura 5.2: a) polos magnético e geográficos da terra; (b) Força de atração de ímã em Formato de C ou Yoke. (fonte: FISICA para o 2º grau. Marcos J. Chiquetto, ed. Scipione, 1993) 9.2 Materiais Mangéticos e Não-Magnéticos: Quanto ao comportamento magnético os materiais são classificados em três tipos básicos: FERROMAGNÉTICOS: respondem fortemente à ação de um ímã. Formam os DOMÍNIOS magnéticos, conforme ilustrado na figura 5.3. Os domínios magnéticos são partes do corpo cujos átomos ou dipolos magnéticos (spin) têm a mesma orientação. As fronteiras entre são designadas por paredes de Bloch. São materiais com altos valores de permeabilidade magnética (500 a 1000). Exemplos: Fé, Co, Ni, Dysprósio, Gadolínio e suas ligas. Figura 5.3: Domínios nos materiais ferromagnéticos. Um material ferromagnético está magnetizado quando tem os domínios orientados a uma dada direção PARAMAGNÉTICOS: são fracamente (imperceptível) atraídos por um ímã. Têm baixa permeabilidade(1 a 10) Exemplos: Al, Pt, Mn, Oxigênio, Zn, Ca, Cloreto Férrico, etc; DIAMAGNÉTICOS: são fracamente (imperceptível) repelidos por um ímã. Tem permeabilidade menor que 1 Exemplos: Cu, Pb, Água, Ag, Quartzo, Papel, Madeira, Sb, etc.

11 Muito utilizados são os materiais CERÂMICOS conhecidos como Ferrites ou Ferrita que possuem elevadas propriedades magnéticas para as mais diferentes aplicações ( Alto-Falantes, Cabeças gravadores, Rádio e TV). Permeabilidade magnética (m) é a grandeza associada á facilidade maior ou menor com que os materiais são magnetizados ou em permitirem a passagem do fluxo magnético. 9.3 Efeito Oersted: Em 1819 o físico Hans Christian Oersted descobriu acidentalmente que a direção de uma bússola era modificada quando colocada próxima a um fio condutor percorrido por uma corrente elétrica. Este importante fato e os experimentos subsequentes resultaram na unificação dos estudos da Eletricidade e do Magnetismo que até então eram considerados como ciências independentes. A figura 5.4 ilustra o EFEITO OERSTED: desvio da agulha de uma bússola provocado pela corrente elétrica. Figura 5.4: Demonstração do efeito Oersted Assim, se verifica que a corrente elétrica gera um campo magnético. O valor (módulo) direção e sentido deste campo é determinado através da lei de Ampére. As aplicações do efeito Oersted ou lei de Ampére são: eletroímãs, relés, motores elétricos, bobinas de indução, campainhas, trancas magnéticas de portas Lei de Ampère: O físico André M. Ampére utilizando-se de limalha de ferro determinou as linhas de força ou de INDUÇÃO MAGNÉTICA em torno de um condutor, espira e solenóide no qual circula uma corrente I, estabelecendo uma regra prática (REGRA DA MÃO DIREITA) que permite determinar a DIREÇÃO e SENTIDO do campo magnético num ponto próximo: O polegar da o sentido convencional da corrente (I) e os demais dedos (dobrados) dão a direção e sentido do campo magnético em torno do condutor no qual circula esta corrente. A figura 5.5 exemplifica a situação. Enquanto na figura 5.6 é mostrado a forma simplificada do campo gerado por uma espira e por um solenóide ou bobina. Figura 5.5: a) Campo magnético em torno de um fio condutor; b) Aplicação da regra de Ampere para determinar a direção e sentido do campo magnético. (fonte: FISICA para o 2º grau. Marcos J. Chiquetto, ed. Scipione, 1993). O módulo ou valor do campo magnético (vetor indução magnética) pode ser calculado ( lei de Ampère ou Biot-Savart), mas foge ao nível deste curso a sua abordagem. Para os interessados poderá ser consultada a bibliografia referenciada ou o site: (ensino REGULAR).

12 Figura 5.6: a) Campo magnético produzido por uma única espira conduzindo corrente; b) Campo gerado por um solenóide, que é semelhante ao produzido por um ímã em barra (fonte: FISICA para o 2º grau. Marcos J. Chiquetto, ed. Scipione, 1993) Resumindo: O campo magnético é expresso matematicamente pelo VETOR INDUÇÃO MAGNÉTICA (B) onde: Módulo (B) : expresso pela lei de Ampère ou de Biot-Savart (fórmula) Direção e Sentido: regra de Ampère (reta tangente); Mão Direita: sentido convencional da corrente; Mão Esquerda: sentido real da corrente. 9.5) Aplicações e Questionário: a) Aplicações: Os materiais magnéticos são utilizados em: Eletroímãs, motores e geradores elétricos, cartões, memórias, fitas de áudio e vídeo, campainhas, guindastes magnéticos, separação de minérios, alto-falantes, TV (bobinas de deflexão), transformadores, bobinas de rádio, microfones e etc. b) Questionário: 1) É possível se isolar um polo magnético? 2) O que o efeito Oersted demonstrou? 3) Qual foi a conseqüência do efeito Oersted? 4) Como funciona a bússola? 5) Quais são os tipos de materiais magnéticos? 6) Qual o significado de permeabilidade magnética? 7) Dar alguns exemplos de utilização de materiais magnéticos; 8) Qual a finalidade da Regra de Ampére? 9) O que são domínios magnéticos? 10) O que significa magnetizar um corpo? 10. FORÇA MAGNÉTICA e INDUÇÃO MAGNÉTICA 10.1 FORÇA MAGNÉTICA (LORENTZ) Uma carga elétrica em movimento quando penetra num campo magnético pode sofrer a ação de uma força de origem magnética denominada de FORÇA DE LORENTZ, que altera a sua trajetória dependendo da relação entre a direção da velocidade da carga e da direção do campo magnético. Deve ser destacado que uma partícula sem carga não sofrerá qualquer efeito do campo magnético. Resumidamente tem-se: trajetória SEM DESVIO: direção paralela entre a direção da velocidade e direção do campo (ângulo de ZERO graus); trajetória CIRCUNFERENCIAL: trajetória da partícula perpendicular à direção do campo (ângulo de 90 graus); trajetória HELICOIDAL: ângulo entre 0 e 90 graus entre a trajetória da partícula e a direção do campo magnético. A figura 6.1 mostra os desvios provocados pelo campo.

13 Figura 6.1: a) Carga não sofre desvio por que as direções da velocidade e campo são paralelas; b) A carga sofre um desvio máximo e a trajetória é circunferencial por que as direções da velocidade e campo são perpendiculares; c) A carga sofre um desvio e a trajetória é uma hélice por que o ângulo entre as direções da velocidade e campo está entre Zero graus e 90 graus; d) Regra do Tapa ou da palma da mão direita. (fonte: Eletricidade e Eletromagnetismo, FISICA HOJE, 2º grau, Vasco P. Moretto, ed. Ática, 3ª ed., 1989) Uma forma prática de determinar a direção e o sentido da força magnética é através da REGRA do TAPA, conforme mostrado na figura 6.1d. Os dedos da palma da mão direita indicam a direção do campo, o polegar indica a direção e sentido da velocidade da partícula. A força atuará pela palma da mão se a partícula for positiva e pelas costas da mão se a partícula for negativa. O Valor da força que atua numa partícula carregada é expresso pela fórmula: F = B. Q. v. sen ß F = valor da força de Lorentz (N); B = módulo ou valor do vetor indução magnético (T); Q = valor carga da partícula (C); v = velocidade da partícula (m/s); ß = ângulo entre as direções da velocidade e do campo magnético. Exemplo: Na figura ao lado (6.2) identificar as partículas carregadas e o sinal. O campo magnético penetra perpendicularmente no plano do papel de cima para baixo. Da esquerda vem um feixe de partículas que ao passar pelo campo separam-se em três trajetórias(1, 2, 3). Solução: O feixe 1 é o das partículas positivas (força na palma da mão direita); O feixe 2 é o das partículas sem carga (não sofre desvio); O feixe 3 é o das partículas negativas (força nas costas da mão direita). O valor da força que atua num condutor retilíneo transportando uma corrente I é expresso pela fórmula:

14 F = B. I. l. sen ß F = valor da força de Lorentz (N); B = módulo ou valor do vetor indução magnético (T); I = intensidade da corrente elétrica (A); l = comprimento do condutor dentro do campo (m); ß = ângulo entre as direções da velocidade e do campo magnético. Estas fórmulas são apenas citadas para ilustração, pois foge ao nível deste curso a sua abordagem. Mas através delas pode-se entender o princípio do motor elétrico 10.2 PRINCÍPIO DO MOTOR ELÉTRICO É uma aplicação direta do estudo sobre a força magnética atuando em um condutor perpendicular às linhas de força, conforme mostrado na figura 6.2a. Ao circular uma corrente I, surge uma força F que comprime as molas. Com um adequado arranjo este efeito é utilizado para construir o motor elétrico, que está esquematizado na figura 6.2b. Basicamente é constituído de uma armadura ou ESTATOR que gera um forte campo magnético uniforme entre os polos, no interior do qual é colocado o INDUZIDO, ou rotor de espiras enroladas sobre um núcleo de ferro (Fe-Si), que vai sofrer a ação de um TORQUE ou força de giro magnética, quando a corrente circular pelas suas espiras. O COMUTADOR garante que somente as espiras que estão cortando o campo conduzam a corrente para girar o rotor. Figura 6.2: a) Força magnética ou de Lorentz atuando num condutor retilíneo com corrente I imerso num campo magnético; b) Ilustração do princípio de funcionamento do motor elétrico A figura 6.3 mostra uma aplicação da força de Lorentz nos instrumentos de medida elétrica de bobina móvel ou analógicos (amperímetro e voltímetro). Em (a) o instrumento está na posição de equilíbrio ( I = 0). Em (b) ao circular uma corrente I surge uma força ou torque na bobina que produz uma deflexão proporcional à intensidade da corrente elétrica. Figura 6.3: Esquema do funcionamento do galvanômetro de bobina móvel. a) Corrente zero deflexão nula; b) Deflexão proporcional à corrente. (fonte: FISICA para o 2º grau. Marcos J. Chiquetto, ed. Scipione, QUESTIONÁRIO 1. O que é a força de Lorentz? 2. Uma carga em repouso num campo magnético sofre a ação de uma força magnética? 3. Sempre que uma carga atravessar um campo magnético ela vai sofrer algum desvio? 4. Explicar com é utilizado a regra do tapa ou da palma da mão direita. 5. Baseado em qual efeito funcionam os instrumentos de bobina móvel? 6.Descreva o princípio de funcionamento do motor elétrico.

15 6.4 INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA A indução magnética significa a geração de corrente elétrica ou força eletromotriz induzida quando houver uma variação do fluxo magnético numa espira condutora ou circuito elétrico fechado. É o inverso do efeito Oersted em que uma corrente produz um campo magnético. A indução magnética é descrita pela Lei de Faraday-Lenz. Na figura 6.4a um campo magnético entrando perpendicularmente no papel é cortado por uma espira circular que se movimenta até sair completamente do campo. Neste caso houve uma variação máxima do fluxo, ou seja de uma situação de total imersão no campo a espira passou para uma situação de campo nulo. Assim, Variação de fluxo = Fluxo final menos Fluxo inicial Para haver geração de corrente elétrica é necessário ocorrer uma variação do FLUXO MAGNÉTICO, seja aumentado ou diminuindo. O efeito é o mesmo se é a espira que se movimenta e o campo é fixo, ou se é o campo que varia e a espira é fixa. Se não houver variação não há geração de corrente induzida, conforme mostrado na figura 6.4b. Figura 6.4: a) Variação de fluxo magnético no interior da espira; b) Não há geração de corrente, pois tanto a espira quanto o campo estão em repouso ou estacionários Figura 6.5: a) A espira é introduzida no campo magnético. A variação do fluxo gera a corrente indicada no instrumento; b) Também há geração de corrente, só que de sentido contrário, pois a espira está sendo retirada do campo magnético e há variação de fluxo. (fonte: Eletricidade e Eletromagnetismo, FISICA HOJE, 2º grau, Vasco P. Moretto, ed. Ática, 3ª ed., 1989) PRINCÍPIO DO GERADOR ELÉTRICO

16 Figura 6.6: Esquema simplificado de geração de energia elétrica numa usina hidrelétrica. a) Gerador elétrico tipo alternador com rotor acionado por uma roda de água; b) Ilustração em corte de uma turbina e respectivo gerador. (fonte: FISICA, Volume Único, Antônio Máximo e Beatriz Alvarenga) (continuará)