Componente de Física

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1 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Componente de Física Micofone e altifalante O micofone é um dispositivo que, quando inseido num cicuito eléctico fechado, pemite tansfoma vibações mecânicas, esultantes de ondas de pessão sonoas sobe uma membana elástica, em coente eléctica altenada. O altifalante, po sua vez, inseido num cicuito eléctico fechado, tansfoma coente eléctica altenada em vibações mecânicas econstuindo o sinal sonoo. Adiante seá explicado o mecanismo de funcionamento destes dois dispositivos Campo eléctico e linhas de campo eléctico Uma caga eléctica em epouso gea à sua volta um campo eléctico, o qual é detectado quando se coloca num ponto do espaço, a uma dada distância, outa caga, dita de pova, e esta última fica sujeita à acção de uma foça eléctica, atactiva ou epulsiva, dependendo do sinal de ambas as cagas. O campo eléctico é, pois, evelado atavés das foças que actuam sobe as cagas elécticas. Se, num mesmo ponto de um campo eléctico, colocássemos, sucessivamente, cagas elécticas de valo difeente e medíssemos as espectivas foças, chegaíamos à conclusão que a foça que o campo exece sobe uma caga é diectamente popocional a esta. O quociente da foça que actua sobe a caga colocada num dado ponto do campo po esta caga, paa qualque ponto do campo, não depende da caga e pode se consideado como caacteística do campo, tal que: Fe E = q A esta caacteística chamamos vecto campo eléctico ou simplesmente campo eléctico. A unidade SI é o newton po coulomb, N / C, ou 1 N C. O vecto campo eléctico em qualque ponto do campo enconta-se oientado segundo o segmento que une esse ponto com a caga: Paulo José Santos Caiço Potugal Página 1 de 20

2 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Radial e centífugo se q 0 Radial e centípeto se q 0 0 f 0 p Paa pontos igualmente distanciados da caga geadoa do campo, o vecto campo eléctico, que é diectamente popocional ao módulo desta caga, tem a mesma intensidade; esta diminui à medida que a distância aumenta, sendo invesamente 1 popocional ao quadado da distância, i.e., E. 2 Se um copo se enconta sujeito à acção de um sistema de foças a foça esultante é igual à soma das foças, tal que F = F + F... F, confome sabemos n O campo eléctico actua sobe as cagas elécticas com uma deteminada foça. Então, váios campos, associados a váias cagas geadoas, e em epouso, que não exeçam nenhuma influência uns sobe os outos, num ponto do espaço, distanciado de todas estas cagas, têm uma influência esultante daquela que cada um teia individualmente, pois são diectamente popocionais às foças que execeiam sobe uma caga de pova que fosse colocada nessa ponto. Assim, num dado ponto do espaço, difeentes cagas, q 1, q 2,, campos elécticos, E 1, E 2,, igual a: q n, associadas a E n, ciam um campo eléctico esultante nesse ponto E = E + E E n Paulo José Santos Caiço Potugal Página 2 de 20

3 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Podemos visualiza o campo eléctico atavés das suas linhas de campo. Estas não têm existência eal, como pensava Faaday, mas apenas ajudam a epesenta duma foma mais claa a distibuição do campo no espaço e não são mais eais que os meidianos e os paalelos do globo teeste. Estas linhas epesentam a união de todos os pontos de tangencia do vecto campo eléctico. Todavia podemos faze com que se tonem visíveis. Colocando pó de licopódio, sêmola de tigo, ou cistais de quinino num líquido viscoso, como óleo de ícino, e megulhando neste eléctodos a difeente potencial, nas poximidades ião foma-se cadeias ao longo das linhas de campo, como esultado da electização das patículas. Assim: Linhas de campo de uma esfea com caga positiva ( se a esfea estivesse caegada negativamente só ea alteado o sentido das linhas ) Paulo José Santos Caiço Potugal Página 3 de 20

4 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Linhas de campo de duas esfeas com cagas de difeentes sinais Linhas de campo de duas esfeas com cagas do mesmo sinal ( se as esfeas estivessem caegadas positivamente só ea alteado o sentido das linhas ) Linhas de campo paa um campo eléctico unifome, i.e., constante, ente as placas paalelas Paulo José Santos Caiço Potugal Página 4 de 20

5 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física O campo eléctico cujo vecto é igual em todos os pontos do espaço, diz-se unifome. Numa egião limitada do espaço, o campo eléctico pode se consideado quase unifome, se a vaiação do vecto campo eléctico, no inteio desta egião, fo insignificante. As linhas de campo eléctico não são linhas fechadas: começam nas cagas positivas e teminam nas cagas negativas, mesmo que estas estejam colocadas algues no infinito! São linhas contínuas e que não se intesectam, sendo a densidade destas linhas maio onde o campo eléctico seja mais intenso Campo magnético e linhas de campo magnético No espaço que odeia as cagas elécticas em epouso cia-se um campo eléctico. No espaço que odeia as coentes elécticas, cagas elécticas em movimento, cia-se um campo magnético. Um campo magnético pode também se ciado po ímanes. Como constata a pesença de um campo magnético? Apoximando um imane de limalha de feo, sepaada po um plano de papel ou vido, esta espalha-se fomando um especto, como epesenta a figua seguinte. Se colocamos nas poximidades de uma agulha magnética, que se oienta de acodo com a componente hoizontal do campo magnético teeste, um fio conduto e se o fizemos atavessa po coente eléctica, constatamos um desvio na oientação da agulha magnética, o que nos leva a conclui da existência de outo campo magnético. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 5 de 20

6 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Paa além do campo magnético se geado pela acção da coente eléctica, também este manifesta a sua acção, atavés de uma foça, foça magnética, sobe a coente eléctica. Um campo magnético, po sua vez, também pode induzi coente eléctica num cicuito. Se colocamos em movimento de vaivém um imane no inteio de uma bobina, um ampeímeto colocado no cicuito detecta a passagem de coente eléctica, a qual altena de sentido. O campo magnético, à semelhança do campo eléctico, caacteiza-se po uma gandeza vectoial: o vecto indução magnética, vecto campo magnético, ou simplesmente campo magnético. Obsevando a disposição espacial da limalha de feo, na pesença de um campo magnético de um imane, somos levados a conclui que cada limalha que se enconta sob a acção deste campo magnetizase e compota-se como uma pequena agulha. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 6 de 20

7 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Recoendo a agulhas magnéticas, em vez da limalha, a disposição espacial destas seia idêntica e foma-se-ia o mesmo padão. A oientação das agulhas daia a oientação do vecto indução magnética. Nestas, a ponta coloida epesenta o pólo note magnético da agulha e a emidade oposta o pólo sul magnético. Colocando a agulha ente as baas magnetizadas de um imane em U, veifica-se que a agulha se oienta de foma a que o seu pólo note magnético aponte paa o pólo sul magnético do imane. Já nas poximidades de um fio conduto ectilíneo atavessado po coente eléctica estacionáia, i.e., de intensidade constante, pequenas agulhas magnéticas suspensas de fios oientam-se espacialmente fomando cículos concênticos, no ponto em que o fio intesecta o plano das agulhas, com o sentido indicado. Invetendo o sentido da coente, as agulhas invetem o sentido da sua oientação. O modo como as agulhas se dispõem mosta a diecção e o sentido do vecto indução magnética, B. A unidade SI desta gandeza é o tesla, T. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 7 de 20

8 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Às linhas cujas tangentes têm o mesmo sentido que o vecto indução magnética, em cada ponto do espaço, chamamos linhas de campo magnético. À semelhança das linhas de campo eléctico, as linhas de campo magnético, ou linhas de indução magnética, taçam-se de modo a que a sua densidade seja tanto maio quanto mais intenso fo o campo. Voltando a pega em algo já atás efeido, a passagem de coente eléctica po um conduto gea, em volta deste, um campo magnético. Dependendo da foma do conduto teemos linhas de campo difeentes. Dependendo do sentido da coente eléctica que atavessa o conduto teemos difeente oientação das linhas de campo e, consequentemente, do vecto indução magnética. As figuas seguintes epesentam o especto magnético obtido com limalha de feo e o esquema indicativo da oientação das linhas de campo: Linhas de campo magnético de um conduto ectilíneo que atavessa pependiculamente um plano hoizontal. As linhas são ciculaes, concênticas, e o sentido é o da mão dieita que se fecha, indicando o polega o sentido da coente eléctica que atavessa o conduto ectilíneo. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 8 de 20

9 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Linhas de campo magnético nas poximidades e inteio de uma espia cicula. A linha que atavessa o cento da espia pode se consideada, num cuto espaço, como ectilínea. Aqui o sentido da mão dieita que se fecha é o sentido da coente que atavessa a espia e o polega dá infomação sobe a oientação das linhas de campo. Linhas de campo magnético nas poximidades e inteio de um solenóide. Se o compimento do solenóide, conjunto de espias ciculaes ligadas ente si, fo muito supeio ao seu diâmeto, o campo no seu inteio pode se consideado unifome ( as linhas de campo são paalelas e a Solenóide em cote tansvesal sua densidade é a mesma em qualque egião no seu inteio ). Também aqui o sentido da mão dieita que se fecha coincide com o sentido da coente eléctica que atavessa o solenóide e o polega dá a oientação das linhas de campo. As linhas de campo magnético são linhas fechadas, não têm pincípio nem fim, e convencionou-se que o seu sentido seia o do pólo note magnético paa o pólo sul magnético, qualque que seja o fomato destas linhas que, à semelhança das linhas de campo eléctico, também não são eais, epesentando apenas pontos de tangencia do vecto indução magnética. Um campo com linhas de campo fechadas é um campo otacional. O campo magnético é um campo otacional. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 9 de 20

10 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Fluxo magnético atavés de uma e de váias espias condutoas O vecto indução magnética, B, tangente em todos os pontos às linhas de campo magnético, caacteiza o campo magnético em cada ponto do espaço. Pode se intoduzida uma gandeza, função da intensidade da indução magnética, i.e., função de B, não só num ponto, mas em todos os pontos da supefície limitada po um cicuito plano e fechado, uma espia condutoa. Analisemos a espia condutoa, confome epesenta a figua seguinte, de áea de supefície S, imeso num campo magnético unifome, ou seja, B = k, e em que a nomal n ao plano do conduto foma o ângulo α com o sentido do vecto indução magnética B. Toma a designação de fluxo magnético, φ, o fluxo que passa atavés da supefície S e cuja intensidade é igual ao poduto da intensidade do vecto indução magnética, B, pela áea S e pelo co-seno do ângulo α fomado pelo vecto B e o vecto nomal à supefície n. Assim: φ = B S cosα A componente do vecto indução magnética segundo a diecção da nomal ao plano da espia condutoa pemite esceve = B cosα. Deste modo o fluxo magnético pode também se calculado como φ = S. B n B n Paulo José Santos Caiço Potugal Página 10 de 20

11 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Em conclusão, o fluxo magnético pode se intepetado como a gandeza popocional ao númeo de linhas de indução magnética, i.e., linhas de campo magnético, que atavessam a supefície de áea S. Quanto maio fo o númeo de linhas de campo magnético que passam atavés da áea da supefície plana delimitada pela espia, maio é a indução magnética no inteio da espia e maio é a coente eléctica induzida. Se analisamos a expessão φ = B S cosα, em que α, como já foi efeido, é o ângulo fomado ente si pelos vectoes B e n (um vecto nomal à supefície plana delimitada pela espia, com um sentido atibuído), podemos constata que: α = 0º, cos α = + 1 φ = B S, i.e., o fluxo magnético é positivo e assume o seu valo máximo (situação em que a supefície delimitada pela espia condutoa é pependicula às linhas de campo magnético, tendo o vecto indução magnética a mesma diecção e sentido que o vecto nomal); α = 90º ou α = 270º, cos α = 0 φ = 0, i.e., o fluxo magnético é nulo (situação em que a supefície delimitada pela espia condutoa tem a oientação das linhas de campo magnético, não existindo, po isso mesmo, nenhuma linha de campo que atavesse a espia condutoa); α = 180º, cos α = 1 φ = B S, i.e., o fluxo magnético é negativo e assume o seu valo mínimo (situação em que a supefície delimitada pela espia condutoa é pependicula às linhas de campo magnético, tendo o vecto indução magnética a mesma diecção, mas sentido oposto ao do vecto nomal). Nota: Se a supefície não fo plana e a indução magnética não fo constante, a supefície delimitada pelo cicuito tem de se obigatoiamente decomposta em elementos de supefície, admitidos planos, paa os quais B = k. O fluxo magnético que atavessa um elemento de supefície é calculado como φ = B S cosα e o fluxo magnético total é calculado como o somatóio de todos os fluxos magnéticos elementaes. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 11 de 20

12 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Se tivemos váias espias condutoas iguais dispostas, com a mesma oientação, num campo magnético unifome, o fluxo magnético total é calculado como a soma dos fluxos magnéticos que atavessam cada uma das espias, tal que: Φ = B S cosα Φ = N φ em que N é o númeo de espias. 2 A unidade SI de indução magnética é o tesla (T ), de áea é o meto quadado ( m ) e de fluxo magnético é o webe (Wb ) Indução electomagnética O campo eléctico é ciado po cagas elécticas e o campo magnético po cagas elécticas em movimento, ou seja, pela coente eléctica. Existe uma inteligação esteita ente os campos eléctico e magnético: O campo magnético vaiável, em função do tempo, cia um campo eléctico, pois induz uma coente eléctica; O campo eléctico vaiável, em função do tempo, gea um campo magnético. Michael Faaday descobiu o fenómeno que se tonou o fundamento da estutua dos geadoes de todas as centais elécticas, as quais tansfomam enegia mecânica em enegia eléctica, com a podução de coente eléctica altenada. Todas as outas fontes, podutoas de coente eléctica contínua, contibuem insignificantemente paa o total de enegia poduzida. Faaday pensou do seguinte modo: se a coente eléctica ea capaz de magnetiza um pedaço de feo (electoímane), não podeia um imane da oigem a uma coente eléctica? A questão mais difícil de compeende esidia no facto de apenas um imane móvel ou um campo magnético vaiável, em odem ao tempo, podeem se fontes de coente eléctica numa bobina. Um imane em epouso no inteio de uma bobina não consegue induzi nela coente eléctica. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 12 de 20

13 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física A coente é induzida num cicuito fechado quando vaia o númeo de linhas de indução magnética, linhas de campo, que atavessam a áea limitada pelo cicuito. Quanto mais apidamente vaia o númeo de linhas de indução magnética, tanto maio seá a coente de indução geada. É indifeente a causa que povoca a vaiação do númeo de linhas de indução magnética: Vaiação da intensidade da coente numa bobina vizinha Colocação de duas bobinas no mesmo núcleo de feo, uma ligada a uma pilha electoquímica, outa ligada a um ampeímeto. Estabelecendo, e de seguida inteompendo o pimeio cicuito, o ampeímeto acusa a passagem de coente eléctica no segundo cicuito. Montagem expeimental do esquema supa indicado Paulo José Santos Caiço Potugal Página 13 de 20

14 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Movimento de um imane potente no inteio de uma bobina Montagem expeimental Quando um imane possui um movimento de vaivém no inteio de uma bobina, o ampeímeto a ela ligado indica a passagem de coente eléctica, a qual altena o sentido ao longo do tempo consoante o sentido do movimento do imane. Assim, a indução electomagnética consiste na podução de coente eléctica num cicuito fechado, quando nele ocoe uma vaiação do fluxo magnético que atavessa a supefície definida pelos condutoes. A coente poduzida po indução electomagnética diz-se coente de indução ou coente induzida, o cicuito eléctico que é pecoido pela coente diz-se cicuito induzido e o campo magnético esponsável pela indução campo induto. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 14 de 20

15 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Foça electomotiz induzida num cicuito A figua seguinte ilusta um conduto móvel ectilíneo colocado sobe um conduto fixo em foma de U tal que, em contacto, fecha o cicuito, sendo consideado uma espia ectangula condutoa com um lado móvel. Este cicuito está inseido numa zona do espaço em que existe um campo magnético unifome, caacteizado pelo vecto indução magnética B, o qual induz no conduto uma coente de intensidade I, com o sentido atibuído pela ega da mão dieita, devido ao movimento do conduto ectilíneo. Este conduto móvel ectilíneo desloca-se sobe o conduto fixo com velocidade constante, i.e., em movimento ectilíneo unifome, no sentido indicado, induzindo então uma coente no cicuito. Quando um fio conduto, pecoido po uma coente eléctica estacionáia, está colocado num campo magnético unifome fica sujeito à acção de uma foça magnética. Se o fio conduto em causa fo ectilíneo, de compimento l, e é pecoido po uma coente de intensidade I, quando imeso num campo magnético unifome caacteizado pelo vecto indução magnética B, a foça magnética a que fica sujeito é dada pela Lei de Laplace, tal que as caacteísticas desta foça são: Paulo José Santos Caiço Potugal Página 15 de 20

16 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Diecção pependicula ao plano definido po I l e B Sentido dado pela ega da mão dieita, a segui ilustada Intensidade - F m = Il B senθ, sendo θ o ângulo fomado po I l e B Como aqui o ângulo fomado po I l e B é de 90 º, temos: = Il B F m Colocando a mão dieita de modo coecto, de acodo com o ilustado, concluímos poque é que o conduto móvel estaá sujeito a uma foça magnética como a epesentada na figua seguinte. Todavia, se o conduto móvel está animado de movimento ectilíneo unifome em sentido contáio ao da foça magnética, tal implica que tenha que esta a se execida sobe ele uma foça ena, com sentido oposto ao da foça magnética, e igual intensidade, em que a esultante das foças execidas sobe o conduto é nula, ou seja: Paulo José Santos Caiço Potugal Página 16 de 20

17 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física F m + F = 0 F m = F F m = F F = Il B Então, o conduto ectilíneo móvel sofe um deslocamento escala conduto passa da posição 1 paa a posição 2, como mosta a figua seguinte x, quando o em que esta foça eio, que é constante, ealiza tabalho, o qual mede a quantidade de enegia ecebida pelo sistema, que é aqui o cicuito, tansfomando enegia mecânica em enegia eléctica. Deste modo: W ( F 1 2 ) = F W ( F 1 2 ) = F cos0º W ( F 1 2 ) = F x Como F Oa, como = Il B, temos que: W ( F ) = Il B x 1 2 l x = A, i.e., a áea da supefície vaida pelo conduto móvel ectilíneo, temos: W ( F ) = I B A 1 2 O fluxo magnético foi apesentado como o poduto da intensidade da indução magnética pela áea plana delimitada po uma espia, tal que: φ = B S cosα Paulo José Santos Caiço Potugal Página 17 de 20

18 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física sendo o ângulo efeenciado como aquele ente os vectoes indução magnética, B, e nomal ao plano da espia, n. Se o ângulo em causa fo nulo, temos φ = B S = B A Então, qualque vaiação na áea delimitada pela espia taduz-se, paa um campo magnético unifome, numa vaiação de fluxo magnético, tal que: φ = B S = B A Logo, o tabalho ealizado pela foça eio sobe o conduto móvel ectilíneo seá: W ( F 1 2 ) = I φ Mas o que é a intensidade da coente eléctica? A intensidade da coente eléctica é dada como a quantidade de caga que atavessa a secção ecta de um conduto filifome e homogéneo po unidade de tempo, tal que: q I = t Então, o tabalho ealizado pela foça eio sobe o conduto móvel ectilíneo podeá se apesentado como: q W ( F ) = φ 1 2 t Da expessão anteio concluímos que: W ( F 1 2 q ) = φ t Ao quociente φ chamamos foça electomotiz (f.e.m.), a qual epesenta a enegia t tansfomada e utilizada paa ealiza tabalho po unidade de caga, pelo que a foça electomotiz de um geado epesenta a enegia que este consegue disponibiliza. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 18 de 20

19 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Assim, ε = φ, ou seja, t ε = W ( F ) q, expessão que taduz a Lei de Faaday, a qual enuncia que: A foça electomotiz induzida num cicuito, atavessado po um fluxo magnético vaiável, é diectamente popocional à vaiação do fluxo magnético e invesamente popocional ao intevalo de tempo duante o qual ocoe essa vaiação. Assim, a foça electomotiz induzida é numeicamente igual à vaiação do fluxo magnético po unidade de tempo. Todavia, na expessão ε = φ tem de se incopoa o sinal pois o sentido da coente t induzida é tal que se opõe à vaiação de fluxo magnético. Isto é, a coente induzida na espia cia ela pópia um campo magnético que se opõe à vaiação do fluxo magnético do inicialmente existente. Po isso: φ ε = t A unidade SI da f.e.m. é o volt (V ). Caso a vaiação de fluxo magnético não seja unifome, a foça electomotiz induzida não é constante e pocede-se ao cálculo da foça electomotiz instantânea, consideando uma vaiação de fluxo num intevalo de tempo muito pequeno, tendendo paa zeo, no qual esta vaiação de fluxo possa se consideada constante, tal que: φ ε = lim t 0 t Funcionamento de um micofone e de um altifalante Um micofone é constituído po um imane fixo, uma espia móvel e uma membana oscilante. Uma onda sonoa bate na membana oscilante e põe-a a viba, o que faz com que a espia móvel seja apoximada e afastada do imane fixo, i.e., leva a que a espia tenha um movimento de vaivém elativo ao imane, o que faz com que ocoa uma vaiação de fluxo magnético na espia. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 19 de 20

20 Disciplina de Física e Química A 11º ano de escolaidade Componente de Física Esta vaiação de fluxo magnético cia uma foça electomotiz induzida com valoes popocionais aos valoes dos deslocamentos da espia. Quanto maioes foem os deslocamentos da espia, maio vai se o módulo da foça electomotiz induzida. Assim, um micofone, inseido num cicuito, tansfoma ondas mecânicas sonoas em coente eléctica altenada. Um altifalante é constituído po um imane fixo, uma bobina e uma membana oscilante. A coente eléctica altenada que é poduzida no micofone, futo da foça electomotiz induzida, atavessa a bobina e esta, um solenóide, passa a te um movimento de vaivém elativamente ao imane fixo, povocando a oscilação da membana. Assim, o altifalante, inseido num cicuito, tansfoma a coente eléctica altenada em ondas mecânicas sonoas, sendo a fequência da coente altenada igual à fequência das ondas sonoa. Ente o micofone e o altifalante é colocado um amplificado. Paulo José Santos Caiço Potugal Página 20 de 20