Aulas - Física 3 Fluxo Magnético, Indutores Lei de Faraday-Lenz e Geração de corrente alternada e Circuitos CA Prof. Dr. Cláudio S.

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1 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror nhas de apo agnéco Exepos e de Faraday-enz Seja f Póo nore de u íã se aproxando do pano da espra y ĵ Fuxo agnéco: Ou seja: ds s nds ˆ Aqu nˆ é o veor unáro nora à superfíce S s As nhas de força do capo agnéco do íã que enra no pano da espra auena a edda que o íã avança para baxo na veocdade v v capo agnéco exerno porano o fuxo agnéco da para baxo( ogo, há u aor núero de nhas de força do do íã sobre o pano da espra; auena na dreção verca ); ass, o capo agnéco uzdo sobre a espra esará na dreção conrára: verca para ca Porano, a correne uzda, pea regra da ão drea, crcuará sobre a espra no sendo an-horáro Póo Su de u íã se afasando do pano da espra Undade: Weber: Wb = T Observe que, na superfíce fechada: ds M S e de Faraday Quaquer udança no fuxo agnéco sobre ua espra causará ua voage uzda na espra ão pora coo esa varação de fuxo é fea, haverá voage gerada Esa udança pode ser produzda ovendo-se u agneo sobre a espra, onde haverá udanças nas nhas de força de capo agnéco que aravessarão a área da espra A e de Faraday é ua reação fundaena cuja orge esá nas equações de Maxwe esudaene ea dz que ua voage (fe) pode ser gerada por udança (varação) do fuxo agnéco A fe uzda na espra é gua a enos a axa de varação do fuxo agnéco e ua espra; upcando por espras, ereos a fe e ua bobna d e de enz Quando ua força eeroorz é gerada pea udança do fuxo agnéco de acordo co a e de Faraday, a poardade da força eeroorz uzda é a que produz ua correne cujo capo agnéco se opõe às udanças às quas A ução agnéca denro de quaquer fo e fora de espra sepre aua de fora a conservar o fuxo agnéco sobre a espra consane As nhas de força do capo agnéco do íã que enra no pano da espra dnue a edda que o íã avança para ca na veocdade v v capo agnéco exerno porano o fuxo agnéco da ogo, há u enor núero de nhas de força do do íã sobre o pano da espra; dnu ( ass, o capo agnéco uzdo sobre a espra esará na dreção conrára: verca para ca Porano, a correne uzda, pea regra da ão drea, crcuará sobre a espra no sendo an-horáro 3 Póo nore de u íã se afasando do pano da espra As nhas de força do capo agnéco do íã que enra no pano da espra dnue a edda que o íã avança para ca na );

2 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror veocdade v v do capo agnéco exerno porano o fuxo agnéco da ogo, haverá u enor núero de nhas de força do íã sobre o pano da espra; dnu ( ass, o capo agnéco uzdo sobre a espra esará na dreção conrára: verca para baxo: Porano, a correne uzda, pea regra da ão drea, crcuará sobre a espra no sendo horáro 4 Póo Su de u íã se aproxando do pano da espra ); da auena na dreção verca para baxo( ); ass, o capo agnéco uzdo sobre a bobna esará na dreção conrára: verca para ca Porano, a correne uzda, pea regra da ão drea, crcuará sobre a bobna no sendo an-horáro 6 have sendo fechada nu crcuo co u uor ˆx + - As nhas de força do capo agnéco do íã que enra no pano da espra auena a edda que o íã avança para ca na veocdade v v do capo agnéco exerno porano o fuxo agnéco da ogo, haverá u aor núero de nhas de força do íã sobre o pano da espra; dnu ( ass, o capo agnéco uzdo sobre a espra esará na dreção conrára: verca para baxo Porano, a correne uzda, pea regra da ão drea, crcuará sobre a espra no sendo horáro ); Ao fechar a chave, a correne no uor rá auenar O capo agnéco no uor, dado pea regra da ão drea, erá ua varação xˆ auenando o fuxo agnéco da nessa dreção; ogo, deve haver u capo agnéco uzdo na espra no sendo oposo: xˆ que será causado, pea regra da ão drea por ua correne uzda ( ) na espra no sendo cado 7 have sendo abera nu crcuo co u uor ˆx obna óve co correne no sendo horáro se aproxando de bobna fxa + - Ao abrr a chave, a correne no uor rá dnur O capo agnéco no uor, dado pea regra da ão drea, erá ua varação xˆ auenando o fuxo agnéco da nessa dreção; ogo, deve haver u capo agnéco uzdo na espra no sendo oposo: xˆ que será causado, pea regra da ão drea por ua correne uzda ( ) na espra no sendo cado 8 have já abera nu crcuo co u uor aso anáogo ao de u íã co o póo ore se aproxando a ua espra onfore a bobna desce veocdade núero de nhas de força do capo agnéco exerno v v há u aor íã sobre o pano da bobna fxa; porano o fuxo agnéco do uor esse caso não haverá correne uzda, pos não há correne no

3 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror 9 obna ersa nua regão de capo agnéco unfore onduor co barra deszane para a drea co veocdade consane nu capo agnéco unfore: x esse caso não haverá correne uzda, pos não há varação de fuxo agnéco sobre o pano da bobna Espra ersa e u capo agnéco varáve 3 esse caso: esar na dreção d T s essênca da espra é = oo o fuxo auena na dreção ĵ, o capo uzdo deve deverá crcuar no sendo horáro ; pea regra da ão drea, a correne d d ( A ) d A d A 48A obna nu capo agnéco decrescene Ua bobna de voas e 4 c de rao é coocada nu capo agnéco decrescene a T/s e fora 3 co o pano da bobna Enconre o óduo e o sendo da força uzda esse caso: d da d x v dx v esse caso, a força será (sendo: regra da ão esquerda): F F ˆx A poênca da força: v v v P F v P 3 Fechando a chave no prero crcuo; d d A cos3 d r cos3 4 ( ) cos3 43 A A correne no prero crcuo auenará no sendo horáro; pea regra da ão drea, o capo agnéco da bobna A: A auenará no sendo ˆx ; ass, o capo uzdo na xˆ bobna deverá esar no sendo Pea regra da ão drea, a correne deverá er o sendo de b para a Se a chave for abera depos do crcuo esar funconando por agu epo: O capo devdo a bobna A dnurá, causando ua varação A xˆ xˆ ; ass, o capo uzdo na bobna deverá er dreção ; pea regra da ão drea, a correne uzda é de a para b

4 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror 4 obna e oveno e ua regão de capo agnéco unfore kˆ Suponha bobna de 8 voas; = T; = 6 e v = 8c/s Poênca: P Espra enrando: x b apo sobre sua área auena de fora que sua varação esará: kˆ : ˆ k : an-horára Fuxo agnéco: A x Espra oaene na regão de capo: b x d apo sobre sua área peranece consane: não vara o fuxo agnéco: = Espra sao: d x d+b apo sobre sua área dnu de fora que sua varação esará: kˆ : kˆ Fuxo agnéco: : horára A d x b Força eeroorz uzda: d d ( x ) v 98 orrene uzda: 48A 6 Força agnéca: 8 3 Poênca F F 8 48 ` 8 8 P F v P 4W 8 Suponha agora: = ; = T; = 6 e v = /s e = 4c; d = c; b = c Faça os gráfcos do fuxo agnéco e função de x, (x, ), força eeroorz e função de x (x, ) e da Poênca P e função de x (x, P) Fuxo agnéco: osre que: fe se x x se x b b se b x d(8 Wb) d x bse d x b d d d dx d v dx dx v Deernar o fuxo agnéco aravés de u soenóde de 4 c de copreno, c de rao e 6 espras, percorrdo por ua correne de 7A Soução: A r A A r r Wb 6 U capo agnéco unfore faz u ânguo de 3 co o exo de ua bobna crcuar de 3 espras co 4 c de rao O capo esá varando à razão de 8 T/s Deerne o óduo da ensão uzda na bobna Soução: Pea e de Faraday: d A cos d d Acos Acos 4

5 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror 34 cos3 8 7 Ua bobna de 8 espras e c e sua ressênca é de 3 Qua deve ser a axa de varação de u capo perpendcuar para que a correne uzda na espra seja 4 A? Soução: A r r d d r Pea e de Faraday: d d r d r d 43 8 d T 9 s 8 Ua bobna reanguar de 8 espras, c de argura e 3 c de copreno, é subeda a u capo agnéco = 8 T drgdo para denro do pape, co apenas eade da bobna na regão e que exse capo agnéco, que se exende efndaene para a esquerda e drea A ressênca da bobna é de 3 Deernar o óduo, a dreção e o sendo da correne uzda se a bobna esá se ovendo co ua veocdade de /s (a) para a drea; (b) para ca; (c) para baxo (d) a poênca dsspada no ressor (a) Soução d dx v (b) 88A (c) F F 88 6 F 9 (d) P 7W Ou P F v 7W Ua barra de assa desza se aro sobre rhos conduores e ua regão onde exse u capo agnéco unfore consane o nsane =, a barra esá se ovendo co veocdade nca v e a força exerna que aga sobre ea é reovda Deerne a veocdade da barra e função do epo Soução dv F a F F Soução: (a) = pos o fuxo não vara! (b) A x d dx d dx d 83A A correne esá no sendo an-horáro (c) A correne será a esa que e (b) poré no sendo horáro 9 o esquea da fgura, faça = 6 T,v = 8/s, = c e = ; suponha que a ressênca da barra e dos rhos possa ser desprezada Deerne: (a) a ensão uzda no crcuo; (b) a correne no crcuo; (c) a força necessára para fazer co que a barra se desoque co veocdade consane v v v F F v dv v F v dv dv v v v n v n v n v v v v e

6 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror nduânca e uor A uânca é a caracerísca do coporaeno de ua bobna e ressr a quaquer udança de correne eérca sobre a espra Da e de Faraday, ereos: d d d d A A ou seja, a uânca pode ser defnda e eros da fe () gerada para se opor à udança da correne eérca d d erfcaos que a uânca depende das caraceríscas Geoércas do crcuo Se veros u soenóde, o fuxo será dado por: A n A n A n A A n A Undade: Henry (H) H = s/a (Henry= osegundo/ Apére) Fgura rcuo Fgura Gráfco da correne e função do epo 6 rcuo spes Podeos escrever a equação da es de Krchhoff coo: d d e e ( / ) ( / ) Mupcando-se a equação peo faor de negração: d ( e ) e e e e e e ( ) ( ) e e Observe que quando auena se e, ende para /, que é a correne prevsa pea e de Oh quando não há uânca presene rcuo, have S abera e S fechada, após a correne no uor angr o áxo vaor rcuo, have S abera e S fechada, após a correne no uor angr o áxo vaor o crcuo spes da fgura aneror, as chaves S e S são coocadas de odo que a baera seja reovda do crcuo Depos da correne no uor er angdo seu áxo vaor, co a chave S fechada, a chave S é fechada e a S abera A correne dnurá co o epo confore osra a fgura a segur esse caso a soa das ensões é gua a zero: d n d () e () e c, aqu é a chaada consane de epo; Energa Magnéca Quando nsaa-se ua correne no crcuo da fgura aca, apenas pare da energa fornecda pea baera é dsspada no ressor, o resane da energa é d arazenada no uor: E du d U du d A U e A A A U U (Energa agnéca arazenada nu uor)

7 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror Quando a correne eérca dnu, dnu a energa no uor e o capo agnéco abé dnu Anaogaene, o eso aconece quando eos u capacor carregado, para o caso do capo Eérco E A energa eerosáca arazenada nu capacor de pacas paraeas Q E Ad Ue (Energa eerosáca arazenada nu capacor) E gera, nua regão do espaço onde há capo eérco e agnéco, defnos densdade de energa à reação: U E A energa arazenada pea bobna de gnção produz a faísca da vea no oor do auoóve acuar a axa de varação na correne para u soenóde de c de copreno, c de área e espras quando a fe uzda for de d d 3,8 Projear ua bobna de rao e núero de voas para u crcuo de ressênca K de fora que a consane de epo seja de s A c c 3 c ,33 A s 4 Se onaros ua bobna co u copreno de = 3 c e rao c ereos: Deerne a auo-uânca de u soenóde de copreno = c, área c e espras Soução n A H 4 Ua cera regão do espaço coné u capo agnéco de G e u capo eérco de 6 / Deerne: (a) a densdade de energa na regão (b) a energa conda e ua caxa cúbca de ado = c ue Soução: Densdade de energa eérca: 88 J E u e u e Densdade de energa agnéca: u 4 Densdade de energa: e 7 u J u 9 u u u u 77 9 u 87 J 3 Energa no neror da caxa: 3 3 U u U u U 87 U 33J Ua bobna de auo-uânca H e ressênca é gada aos ernas de ua baera de cuja ressênca nerna é desprezíve (a) Qua é a correne fna? (b) Qua a correne após s? Soução: (a) ( ) f e o f f f 8A 3 (b) 333s 333 ( s) 8 e ( s) 7 A 6 Deerne o caor oa produzdo peo ressor da fgura quando a correne no uor dnu do vaor nca aé Soução: dw P dw P W () () e W e W e e W W W 3 7

8 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror 7 U crcuo aenado por ua baera de fe = consse e ua bobna de = 7 voas, rao = c e copreno c A ressênca possu vaor = (a) Deerne o vaor da uânca da bobna: H (b) Enconre a consane de epo do crcuo e a correne e função do epo quando a chave for gada s s nsane (c) Qua a correne eérca após s da chave ser gada? ( ) e ( ) e 86 ( s) e 86A 3 (d) Deerne o capo agnéco sobre o exo da bobna nesse 7 76T Ua bobna de Tesa (u gerador de aa voage) consse de u ongo soenóde de copreno, área de seção ransversa A e voas de fo enroado Ua oura bobna exerna (de voas) de rao aor é coocada concênrca à prera (b) O fuxo agnéco sobre a bobna exerna b A b n n b (c) O vaor da uânca úua enre as bobnas: M M n n b,, 8 Enconre: (a) O apo agnéco no exo da bobna nerna, se a correne ue a crcua é

9 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror Tensão Aernada - geração Mas de 99% da energa eérca produzda no undo é obda por geradores eércos oeprando co correne aernada (A) A vanage sobre a correne conínua é que pode ser ransporada a ongas dsâncas, a baxo vaores de correne e aos de ensão, para ser reduzda a perda de energa por efeo Joue; podendo ass, ser ransforada co o ransforador, o qua uza o prncípo da ução agnéca U gerador spes de correne aernada é ua bobna grando e u capo agnéco unfore, coo usraos na fgura abaxo: Fgura Gerador A cos sen X eaânca nduva: Fase: = -9 U adana-se 9 e reação a ou arasa-se 9 orrene aernada nu apacor Fgura 4 rcuo A co capacor (a) Gráfcos de ensão e correne versus epo edagraa de fasores (b) A cos Aqu, é o núero de espras, e A a área da bobna Seja a veocdade anguar da bobna, que é ecancaene aconada Enão: f Acos A força eeroorz uzda será dada pea e de Faraday-enz: d Acos A sen sen A ( é a ensão áxa) rcuos de ensão aernada E eerônca, represena-se fenôenos onduaóros por funções oscanes coo a seno e o cosseno Exepfcando na eora de correne aernada, eos ua ensão varando da fora senoda, ass, para cada caso, a correne e a ensão serão esudadas quando subeeos essa ensão à u: orrene aernada co u essor: Fgura rcuo A co ressor (a) Gráfcos de ensão e correne versus epo edagraa de fasores (b) Equações:(e de Oh) sen sen eaânca ressva: X Fase: orrene aernada nu nduor: Fgura 3 rcuo A co uor (a) Gráfcos de ensão e correne versus epo edagraa de fasores (b) Equações: sen d d sen sen Equações: sen Q dq Q sen cos sen X eaânca apacva: X Fase: = + 9 U arasa-se 9 e reação a ou adana-se ecordar por:e he E an aores édos, áxos e efcazes Ua onda A de ensão ou de correne possu város vaores nsanâneos ao ongo do cco São ees:, : aor áxo ou de pco Apcado ano ao pco negavo coo ao pco posvo pp ou pp: pp = p = M aor Médo: Méda sobre odos os vaores sobre ua onda senoda e eo período T T aor rs (roo ean square): Quandade de correne ou rs ensão conínua capaz de produzr a esa poênca de aqueceno É defndo aeacaene por: T rs rs rs 77 T rcuo U porane crcuo co uas caraceríscas da aor pare dos crcuos ca é o crcuo e sére co u gerador A regra de Krchhoff : d Q sen Fgura - sen( ) Onde: U U Z ( X X ) X X g Z ( X X ) pedânca do crcuo U Ped Uef ef Poênca éda: 9

10 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror 9 U crcuo e sére, co = H, = F e = esá aenado por u gerador de fe áxa de e frequênca varáve Deernar quando a frequênca anguar do gerador for de = 4 rad/s: (a) A pedânca (b) A fase (c) Acorrene áxa Soução: (a) X 6 4 X 4 8 Para cacuar a pedânca, o vaor de X X é uo aor que nas condções afasadas da ressonânca Enão ereos para a pedânca Z: Z X X ( ) 4 Z ( 8) (4) 4 (c) X X 4 g, 87 U, A Z 4 (b) c 3 Ua bobna de voas e 3 c de área gra a 6 Hz sob u capo agnéco unfore de 4T Qua a fe áxa produzda? A A f U ressor de Ω esá conecado a u gerador A de pco 48 Enconre: (a) A correne rs (b) a poênca éda (c) a áxa poênca Soução: rs rs p 48 rs rs rs rs 83A (a) (b) Poênca éda: rs P av rs P 83 av P (c) Poênca áxa: av P 96W ax ax ax ax 48 ax ax 4A P W ax 9 3 U capacor de µf é coocado co u gerador de A co ensão áxa de Enconre a reaânca capacva e a áxa correne quando a freqüênca for de: (a) f = 6 Hz (b) f = Hz (a) f = 6 Hz X X X f 6 X 363 Z Z ( X X ) ( X ) X (b) f = Hz 7A 363 X X X f X 398 Z Z ( X X ) ( X ) X A E u crcuo, = Ω, a capacânca eerosáca co vaor = µf e a uânca do uor vae = H O vaor áxo da fe do gerador é ax = e a freqüênca do gerador é f = 6 Hz X X X f 6 X X X f X 6 X 7398 Z Z ( X X ) Z ( ) 767 7A U ressor e u capacor esão gados e sére co u gerador A ensão do gerador é dada por: cos en Deerne o vaor rs da ensão enre os ernas do capacor, sa,rs e função da freqüênca anguar Soução: X sa, rs rs rs Z en, rs Z X 6 6

11 Auas - Físca 3 Fuxo Magnéco, nduores e de Faraday-enz e Geração de correne aernada e rcuos A Prof Dr áudo S Saror sa, rs X Z en, rs sa, rs X en, rs X X sa, rs sa, rs sa, rs sa, rs en, rs baxas Observação: Esse crcuo é denonado de fro passa sen a b sena cosb senb cosa cos cos cos a b a b sena senb

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