EXP BALANÇA DE CORRENTE

Transcrição

1 EXP ALANÇA DE CORRENTE 0.1 OJETIVOS Estudar a nteração entre o campo de ndução magnétca produzdo por um ímãpermanente e a corrente elétrca em um fo. 0.2 PARTE TEÓRICA A le de Ampère Quando um pedaço de fo reto e muto longo conduz uma corrente elétrca, umcampo de ndução magnétca aparece ao seu redor. Para pontos próxmos ao fo, as lnhas de força, ou mesmo as lnhas de campo, são círculos concêntrcos ao fo (Fg. 1). Esse fato fo descoberto em 1819 pelo físco dnamarquês Oersted. O sentdo convenconal desse campo édadopelaregra da mão dreta onde o dedo polegar aponta no sentdo da corrente e os demas dedos apontam no sentdo do campo (Fg. 2). Fgura 1: Lnhas de campo de ndução magnétca próxmo a um fo longo por onde passa uma corrente elétrca. Fo determnado expermentalmente que o módulo do campo a uma dstânca r desse fo (ver também o expermento Medda do Componente Horzontal da Indução Magnétca Terrestre) vale: = μ 0 2 πr. (1) 1

2 2 N.. de Olvera DFES-I. FÍSICA-UFA-Rev Fgura 2: Regra da mão dreta aplcada a um fo por onde passa uma corrente elétrca. Integrando o vetor ao longo de um camnho crcular C de rao r emtornodofo temos: dl = μ 0 dl = μ 0 C 2 πr C 2 πr 2 πr= μ 0 dl = μ 0. (2) C Essa equação é conhecda como a le de Ampère e dz a ntegral de camnho fechado C do campo de ndução magnétca é proporconal à corrente que fura qualquer superfíce apoada nesse camnho. 0.3 Força de Lorentz Quando um portador de carga elétrca q em movmento com uma velocdade v penetra uma regão do espaço onde exste um campo elétrco E e um campo de ndução magnétca, ele fca submetdo a uma força F conhecda por força de Lorentz dada por: = q(e + v ). (3) Na ausênca do campo elétrco, resta apenas a força magnétca F m = q v. (4) Um caso smples e mportante é o do movmento das cargas elétrcas no nteror de um fo condutor retlíneo, merso em um campo de ndução magnétca unforme e perpendcular a esse fo. A fgura (Fg. 3) mostra um segmento nfntesmal desse fo nessa condção. A corrente elétrca nesse elemento de fo é dada por: = dq dt

3 0.4. PARTE EXPERIMENTAL 3 v df m dl Fgura 3: Força magnétca df m sobre um elemento nfntesmal de um fo por onde passa uma corrente elétrca. onde dq é o elemento nfntesmal de carga dstrbuído ao longo do elemento de fo e suposto ter uma velocdade méda v. Aforça df que atua nesse elemento de fo é dada pela equação (4) substtudo-se q por dq = dt df m = dtv. Consderando que no ntervalo de tempo dt a carga dq terá percorrdo o comprmento dl podemos expressar a velocdade v como v = dl dt. Portanto, df m = dt dl = dl. dt Para um pedaço de fo reto de comprmento l merso num campo de ndução magnétca unforme e conduzndo uma corrente teremos, após ntegrar essa expressão, que Teora da medda F m = l. (5) Consderemos agora que esse pedaço de fo esteja na horzontal e submetdo, smultaneamente, ao campo gravtaconal e ao campo de ndução magnétca unforme entre os polos de um ímã como mostra a fgura (Fg. 4). A depender do sentdo da corrente, a força magnétca F m poderá estar no mesmo sentdo da força gravtaconal P ou no sentdo oposto. Na ausênca da corrente elétrca, apenas a força devdo à gravdade atua no condutor. Uma balança convenentemente acoplada ao pedaço de fo pode ser utlzada para medr aforça magnétca em função da corrente elétrca que o percorre. Se consderarmos que o sentdo da corrente étalqueaforça magnétca vertcal aponte para baxo, o equlíbro estátco será obtdo quando o valor dessa força somado ao peso do própro fo for gual à força vertcal para cma exercda pela balança. Na verdade, a balança que será utlzada aplcará umaforça equvalente ao peso de uma massa expressa em gramas. 0.4 PARTE EXPERIMENTAL Lsta de materas Identfque os seguntes materas e equpamentos que se encontram sobre a mesa:

4 4 N.. de Olvera DFES-I. FÍSICA-UFA-Rev F m N S P F m S N P=mg Fgura 4: Força magnétca df m sobre um pedaço de um fo por onde passa uma corrente elétrca e submetdo ao campo gravtaconal. alança marca Ohaus com pés nveladores e nível de bolha; fonte de tensão contínua (DC) com lmtação de correntee com amperímetro acoplado; ímã permanente em forma de U com peças polares removíves; placas de crcuto mpresso com uma trlha condutora (n = 1) nos comprmentos 12,5 mm, 25,0 mm, 50,0mm; placa de crcuto mpresso com dus trlha condutoras (n = 2) no comprmento 50,0 mm; base, haste e suporte de lgação; cordoalha flexível (fta) condutora de cobre prateado com termnas tpo pno banana Cudados com os equpamentos A balança é um equpamento muto sensível. Não force seus braços e nem dê tombo na mesma. Quando necessáro, desloque-a com cudado Montagem expermental O conjunto balança e crcuto estão representados na fgura (Fg. 5). Observe que as ftas condutoras que lgam a fonte à placa de crcuto mpresso não devem fcar estcadas. Isso causara um esforço no braço da balança ocasonando um erro grossero na medda da força sobre o condutor. Ajuste os parafusos de nvelamento dos pés da balança até que a bolha do meddor de nível fque centralzada. Feto sso, a balança não pode ser mas deslocada dessa posção. Caso sso aconteça, verfque novamente o nvelamento da balança.

5 0.4. PARTE EXPERIMENTAL 5 + Fgura 5: Montagem expermental da balança de corrente Tara da balança Utlze a placa de crcuto mpresso cujo comprmento da trlha é gual 12,5 mm. Incalmente, com essa placa fora da balança, conecte as duas ftas condutoras flexíves à placa. Coloque a placa no gancho da balança observando que as ftas condutoras fquem espaçadas e lvres de esforços. Tente ajustar a balança deslocando as massas no braço superor dreto de modo que a balança fque equlbrada. Caso não consga obter o equlíbro, gre o botão do verner no sentdo horáro ou ant-horáro até obter o equlíbro. Pronto, acabamos de zerar ou fazer a tara da balança para o conjunto fta e massa da placa de crcuto mpresso Verfcação da nfluênca da corrente na fta ATENÇÃO! Durante todo o expermento, nunca ultrapasse a corrente de 5 A. Verfcaremos agora a nfluênca do campo de ndução magnétca produzdo pelas ftas condutoras com a balança zerada. Com a fonte de tensão deslgada, gre os botões de controle de tensão e corrente todo no sentdo ant-horáro (zero). Ajuste o controle de tensão (Voltage V), aproxmadamente a um terço de seu curso máxmo no sentdo horáro; a tensão estará lmtada a aproxmadamente 10 V. Lgue a fonte. Nessa condção, o ajuste da lmtação de corrente se fará pela utlzação do botão de controle da corrente (Current A). A fonte funconará como uma fonte de corrente lmtando a corrente ao valor ajustado mesmo em caso de curto crcuto. Sem a presença do ímã permanente, observe se exste varação no ponto de equlíbro da balança quando vocêvaraacorrenteaté 5 A. Possvelmente, haverá uma pequena nteração entre as ftas condutoras. Nesse caso, chame seu professor.

6 6 N.. de Olvera DFES-I. FÍSICA-UFA-Rev Meddas Determnação do sentdo da força magnétca O objetvo desse tem é estudar o sentdo da força magnétca em função do sentdo do campo de ndução magnétca e do sentdo da corrente elétrca. Certfque-se que as peças polares do ímã estão smétrcas com relação àplacade crcuto mpresso e com uma separação de 1 cm. Lgue a fonte, se estver deslgada, e estabeleça uma corrente de 5 A. Observe e anote o comportamento da balança. Retorne o controle de corrente da fonte ao zero, nverta os polos do ímã grando-o. Novamente estabeleça uma corrente de 5 A, observe e anote o resultado. É o resultado esperado? Por que? Retorne novamente o controle de corrente da fonte ao zero, nverta os pnos das ftas na fonte de almentação de modo nverter o sentdo da corrente. Mas uma vez estabeleça uma corrente de 5 A, observe e anote o resultado. É o resultado esperado? Por que? Reduza a corrente a zero. Medda do módulo da força magnétca O objetvo desse tem é estudar a ntensdade da força magnétca em função da corrente elétrca, do comprmento do condutor e da quantdade de condutores. Esse estudo será facltado se o sentdo da força magnétca for para baxo, a medda realzada com a balaça émasfácl de executar. Portanto, o sentdo da corrente (ou do campo) deve se adequar a esse propósto. Desconecte um dos pnos da fta da fonte de almentaçãoeverfqueseabalança contnua equlbrada (tarada). Lea na balança e anote o valor de m 0, massa ncal do conjunto placa de crcuto mpresso e ftas condutoras, expresso em gramas. Reconecte o pno da fta àfonte,vareacorrenteentre0e5amedndoamassam em gramas que que establza a balança para cada valor de corrente. Escolha pelo menos 10 valores dferentes de corrente e anote os resultados em uma tabela. Retorne a corrente a zero. Refaça, do níco, esses procedmentos para as placas de crcuto mpresso com comprmentos de fo de: 25 mm n =1;50mmn =1e50mmn = Cudados fnas Ao fnalzar o expermento deslgue a fonte de tensão, retre a placa de crcuto mpresso de dentro do ímã e desconecte-a das ftas condutoras. Importante! Feche o crcuto magnétco colocando a placa de ferro sobre as extremdades do ímã. Isso retarda a desmagnetzação natural do ímã.

7 0.5. RELATÓRIO RELATÓRIO 1. Analse o sentdo da força magnétca como função do sentdo do campo de ndução magnétca do ímã permanente e do sentdo da corrente. 2. Construa em um mesmo papel mlmetrado o gráfco da ntensdade da força magnétca (em mn) versus a corrente elétrca (em A) para os condutores de 12,5 mm, 25,0 mm e 50,0 mm (n = 1). Escolha a escala do gráfco para utlzar o espaço de uma folha de papel A4. 3. Construa em outro papel mlmetrado o gráfco da ntensdade da força magnétca (em mn) versus a corrente elétrca (em A) para o condutor de 50,0 mm (n = 2). Escolha aescaladográfco para utlzar o espaço de uma folha de papel A4. 4. Os gráfcos construídos estão de acordo com a teora da força magnétca? 5. Determne, a partr dos coefcentes angulares das curvas, os valores do campo de ndução magnétca para todos os condutores utlzados. Calcule então o valor médo desse campo. 6. A partr dos gráfcos construídos e para uma corrente de 5 A, determne os valores das forças magnétcas para os dversos comprmentos dos condutores. Construa agora o gráfco da força magnétca versus o comprmento do condutor. Justfque se o gráfco está, ou não, de acordo com a teora. 7. Analse os dferentes valores do campo de ndução magnétca determnados para os condutores de dversos comprmentos. Você vê alguma correlação com uma possível não unformdade do campo no entreferro do ímã permanente? 0.6 ILIOGRAFIA [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7] Crítcas e sugestões, contate Prof. Newton. Olvera - newton@ufba.br Rotero reescrto baseado no rotero orgnal do Prof. Slvo Lourero com fguras do Prof. Fredrch Gutmann.

8 8 N.. de Olvera DFES-I. FÍSICA-UFA-Rev

9 Referêncas blográfcas [1] Hallday, Davd e Resnck, Robert. Físca 4 a ed., volume 3. Lvros Técncos e centífcos, Ro de Janero, [2] Meners, Harry F., Eppensten Walter, e Moore Kenneth. Laboratory Physcs. John Wley and Sons Inc., N.Y., [3] Sears, Francs W. e Zemansky, Mark W. Físca, volume 3. Lvros Técncos e Centífcos, Ro de Janero, [4] Serway, Raymond A. e Jewett Jr., John W. Prncípos de Físca, volume 3. Ponera Thomson Learnng, São Paulo, [5] Tpler, Paul A. Físca 2 a ed., volume 2. Guanabara Dos, Ro de Janero, [6] Westphal, Wlhelm H. Prátcas de fsca 2 a ed., volume 3. Labor, arcelona, [7] Young, Hugh D. e Freedman, Roger A. Físca III, volume 3. Addson Wesley, São Paulo,