Experimento 8 - Linhas de indução eletromagnética

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1 Experimento 8 - Linhas de indução eletromagnética Conceitos Distribuição das linhas de campo magnético de um condutor retilíneo. Verificar o sentido da corrente utilizando uma bússola. Analise das linhas de campo magnético de dois condutores paralelos. Relacionar a direção e o sentido do vetor campo magnético com as linhas de campo. Concluir que a variação do fluxo de indução magnética pode induzir uma corrente elétrica num condutor. Relacionar a corrente elétrica induzida num condutor com a variação do fluxo de indução magnética que a originou. Utilizar os conhecimentos adquiridos com a experiência de Oersted, Biot-Savart e Faraday-Lenz. Fenômeno Quando uma corrente elétrica atravessa um fio condutor, cria em torno dele um campo magnético. Este efeito foi verificado pela primeira vez por Hans Christian Oersted em abril de Ele observou que a agulha de uma bússola defletia de sua posição de equilíbrio quando havia próximo a ela um fio condutor pelo qual passava uma corrente elétrica. Usando esse resultado, Michael Faraday perseguiu a idéia de que o contrário poderia ser verdade: um campo magnético poderia induzir uma corrente elétrica num fio condutor. Faraday montou um circuito fechado composto de um galvanômetro (medidor de corrente elétrica) e um bobina (fio condutor enrolado, formando um conjunto de espiras superpostas). Ele observou que quando um ímã é posto em movimento próximo desse circuito elétrico, o galvanômetro oscilava seu ponteiro. Se o ímã era empurrado para dentro da bobina, o galvanômetro acusava corrente elétrica percorrida num sentido. Se o ímã era puxado de dentro da bobina, o galvanômetro acusava corrente no sentido contrário. Faraday observou também que se o ímã estivesse parado em relação à bobina, o galvanômetro não acusava nenhuma corrente elétrica. Este fenômeno ocorre para qualquer circuito elétrico fechado. Porém a existência de uma bobina neste circuito é fundamental para a sua detecção, pois ela multiplica a intensidade do efeito proporcionalmente ao número de espiras que a constitui. Este fenômeno, hoje conhecido como indução magnética, foi explicado pelo físico Heinrich Emil Lenz, baseado no Princípio da Conservação da Energia. Lenz estabeleceu que a indução magnética ocorre quando há uma variação (aumento ou diminuição) do campo magnético no interior da bobina e a corrente induzida nesta é tal que o campo magnético por ela criado anula o efeito do campo magnético variável que iniciou o processo. Assim, se um campo magnético externo estiver aumentando de intensidade no interior de um circuito fechado, será criada neste circuito uma corrente tal que o campo magnético criado por ela tentará anular o campo magnético externo. As linhas de campo dos dois campos magnéticos são opostas. Em oposição, se o campo magnético externo estiver diminuindo de intensidade, a corrente induzida (criada) no circuito criará um campo magnético que tentará manter constante o campo magnético externo, somando-se a ele. Agora, as linhas de campo dos dois campos magnéticos são de mesma direção e sentido. Quando uma corrente elétrica de intensidade i circula por uma bobina, surge no seu interior, na direção do seu eixo, um campo magnético H praticamente uniforme. No caso da bobina se encontra no vácuo, o valor modular deste campo magnético é fornecido pela expressão: H= 4 π (N i/l) N: número de espiras da bobina; i = intensidade da corrente elétrica; L = comprimento da bobina. Em nossas atividades sempre haverá um meio material no interior das bobinas e a presença dele alterará o campo magnético, não nos expressaremos mais em termos de campo magnético e sim, em termos de indução magnética B, grandeza física que considera as variações devidas ao meio material na região em estudo. (Exemplo: linhas de indução magnética, sentido da indução magnética, fluxo da indução magnética, etc.). Assim, se quisermos calcular o módulo da indução magnética no interior de uma bobina com um meio material no seu interior, usaremos a expressão: B = µ (N i/l) µ: permeabilidade magnética do meio material existente. Observação: A unidade da indução magnética B é o Tesla (T). A unidade da permeabilidade magnética µ é expressa em T m/a. A permeabilidade magnética do vácuo (µ o )=4 π l0-7 Tm/A. Outra grandeza muito importante é o fluxo de indução magnética φ (linhas de campo magnético). O fluxo de indução magnética φ (devido a B), através da superfície da área A, é: φ = B.A cos α α é ângulo entre os vetores B e o vetor N (normal à superfície).

2 Figura 1 Procedimento experimental Materiais -um sistema com duas espiras paralelas retangulares (1); -uma mesa articulável com encaixe para bobinas paralelas (3); -uma armadura de silício laminado em forma de "U" (5); -uma bússola (7); -um fuso M5 (11); -dois cilindros de ferrite (13); -um superímã (14); -um frasco com limalhas de ferro (15); -duas garras jacaré (16); -um suporte em "V" com duplo gancho para ima (20). 1 3 Figura 2 Parte 1: Análise de B ao redor de um condutor retilíneo. Figura 3 Atenção! Recomendamos que o conjunto seja ligado somente o tempo necessário para ocorrer o alinhamento das limalhas de ferro ao redor do condutor, o desligando imediatamente ao término de cada operação. 1.1 Encaixe o sistema com duas espiras paralelas retangulares. 1.2 Ligue os dois bornes frontais do conjunto bobina - espiras (Figura 3) na chave normalmente aberta de três posições e esta aos bornes da fonte de alimentação Espalhe as limalhas de ferro uniformemente sobre a mesa acri1ica, contornando os condutores verticais. Parte II: Análise de B ao redor de dois condutores retilíneos e paralelos Encaixe o sistema com duas espiras paralelas retangulares

3 2.2 Associe os bornes do sistema com duas espiras paralelas retangulares para que as mesmas fiquem em paralelo (Figura 4) Espalhe uniformemente limalhas de ferro sobre a mesa acrílica, de modo a contornar os condutores verticais. Mantenha o conjunto desligado até instruções em contrário. Atenção! Nesta atividade a fonte fará circular uma corrente em tomo de 5 A por volta, totalizando algo em torno de 100 A, consequentemente, o conjunto dissipará uma apreciável energia térmica devido ao efeito Joule, razão pela qual, ligue o sistema somente o tempo necessário para a ocorrer o alinhamento das limalhas. Figura 4 Figura 5 Parte III: O eletromagnetismo -fenômenos eletromagnéticos e a indução eletromagnética. 3.1 Execute a montagem conforme a Figura Coloque a bússola sobre a mesa de lado do condutor AB 3.3 Ligue a chave auxiliar mantendo a polaridade no circuito e comente o observado: Responda: Segundo suas observações, ao circular uma corrente elétrica no trecho AB, o que surgiu ao redor do condutor, capaz de movimentar o ímã da agulha magnética? 3.4 Ligue a chave auxiliar de modo a inverter o sentido da corrente no circuito e comente o observado. 3.5 Refaça as atividades anteriores, agora deixando o trecho AB do circuito por acima da agulha magnética. Comente o observado. Como se comporta o sentido do vetor indução magnética B num ponto qualquer, próximo do condutor, em função do sentido da corrente que por ele circula? 3.6 Desenhe, nos circuitos representados nas figuras 6 e 7, o sentido do vetor indução magnética B provocado pela corrente elétrica i circulante no trecho AB. Figura 6 Figura Da mesma maneira que você faz para enrolar uma mangueira, faça com que o fio passe duas vezes pelo trecho AB, isto fará circular duas vezes mais corrente (no mesmo sentido). 3.8 Coloque a bússola sobre a mesa de lado do condutor AB 3.9 Ligue a chave, observe e comente se a intensidade do vetor indução H depende ou não, do número de espiras do fio Conecte o sistema com duas espiras paralelas retangulares ao multímetro digital, com fundo de escala em 2 ma DC (Figura 6) 3.11 Aproxime o pólo norte do ímã do interior da bobina e torne a retirá-lo. Figura 6 Figura 7

4 3.12 Refaça as atividades anteriores agora considerando o pólo sul do ímã se aproximando do interior da bobina (Figura 7). 3.12Torne a aproximar da bobina o pólo norte magnético do ímã, pare com ele próximo da mesma e torne afastar Refaça esta operação com maior rapidez e compare os dois casos. Segundo suas observações, como se relaciona a rapidez da variação do fluxo magnético H, com a intensidade de corrente induzida i que circula pelo condutor? 3.14 A Figura 7 simboliza as espiras da bobina (vista de frente) e o sinal x, o sentido do vetor H devido a aproximação do pólo norte do ímã. O que ocorre com a densidade de linhas de indução B que penetram no interior da bobina quando o pólo norte magnético se aproxima dela? O que ocorre com a densidade de linhas de indução magnética que penetram no interior da bobina, quando o ímã é afastado? Descreva o fenômeno em ambos os casos Considere pontos no interior da Figura 8 como gerados pela corrente induzida circulante na bobina. Figura 8 Aplique a regra da mão direita, observando que os pontos indicam o sentido do B induzido pela corrente elétrica circulante na bobina e verifique que o sentido desta corrente realmente confere com o sentido indicado pelo galvanômetro, neste caso monte o experimento? - Do mencionado acima, faça o desenho considerando os movimentos dos pólos magnéticos descritos, em cada caso a seguir. 1 caso (Figura 9): Pólo norte do ímã se afastando da bobina. Figura 9 Figura 10 2 caso (Figura 10): Pólo sul do ímã se afastando da bobina Monte o circuito a seguir (Figura 11) com a fonte regulada para 5 VCC, ligando as bobinas em paralelo para aumentar o valor do campo magnético gerado por elas. Figura 11

5 3.17 Dependure o ímã (preso a apenas uma das ferrites) no gancho duplo em "V" com um pequeno pedaço de cordão, na frente das bobinas, afastado uns dois centímetros das mesmas e de frente para elas (Figura 11); 3.18 Ligue o circuito e observe Inverta o sentido da corrente e descreva suas conclusões. Os fenômenos eletromagnéticos, que à primeira vista parecem ser muito numerosos, na realidade são apenas três, a saber (complete as lacunas): a) Uma corrente elétrica passando por um condutor, b) Variando o fluxo magnético sobre um condutor fechado, surgirá (neste condutor) uma corrente induzi da (também denominada corrente eletromagnética), cujo sentido é tal que, c) Veremos na atividade seguinte que: um condutor, percorrido por uma corrente elétrica, colocado em um campo magnético, fica sujeito à ação de uma força eletromagnética.