UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA DEPARTAMENTO DE FÍSICA TEÓRICA E EXPERIMENTAL PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL ''E TOME CHOQUE Eletromagnetismo Uma boa oportunidade para se aprender um pouco mais sobre a entusiasmaste 'Ciência de Maxwell' '' Maxwell Santana Libório Francisco Biagione de Lima Junior Natal-RN 2010.1
- 2 - Eletromagnetismo: ''E tome choque! 1. Introdução: Uma boa oportunidade para se aprender um pouco mais sobre a entusiasmante 'ciência de Maxwell. A oficina consiste de nove experimentos educativos: Lei de Faraday Anel Saltitante Forno de indução Freio Magnético Motor (transformação de energia mecânica em elétrica) Radiômetro Blindagem Eletrostática Globo de Plasma LED S (Light Emitting Diode); que associam a teoria e a prática com os conceitos fundamentais do eletromagnetismo. Os experimentos apresentados são simples, mas podem ser empregados a vários fenômenos observados, desde o acendimento de uma lâmpada até a produção de energia elétrica em uma usina. Tivemos o cuidado de selecionar desde experimentos clássicos como a Blindagem Eletrostática até experimentos quânticos como LED S e o Globo de Plasma, mostrando o caráter evolutivo da Física. 2. Lei de Faraday Objetivo: Esse experimento visa a comprovação da lei de Indução de Faraday, uma das quatro leis fundamentais do Eletromagnetismo e que representa a base do funcionamento dos geradores elétricos. Ímã Espira condutora Amperímetro Fios condutores Com a espira conectada ao amperímetro através de fios condutores movimenta-se o imã relativamente à espira (tanto no sentido de aproximação quanto de afastamento), com isso observase registro de corrente elétrica no amperímetro. Mantendo-se o imã em repouso a marcação no amperímetro é nula.
- 3 - Fundamentação Teórica: Fluxo: é uma propriedade de qualquer campo vetorial. A palavra Fluxo vem do latim e significa fluir, é apropriado descrever o fluxo de um determinado campo vetorial como a medida do fluxo de ou penetração dos vetores do campo através de uma superfície imaginária fixa no campo. Força eletromotriz (fem): por razões históricas, esse termo é usado para designar a diferença de potencial produzida por uma fonte de tensão, embora não se trate de uma força. Lei de Gauss: é a lei que estabelece a relação entre o fluxo elétrico que passa através de uma superfície fechada e a quantidade de carga elétrica que existe dentro desta superfície. Lei de Ampère: é a lei que relaciona o campo magnético sobre um laço com a corrente elétrica que passa através do laço. É o equivalente magnético da lei de Gauss. De acordo com a lei de Faraday a variação de fluxo magnético através de uma espira condutora elétrica induz uma força eletromotriz induzida nessa espira, a qual é responsável pela corrente elétrica observada no amperímetro. Com a movimentação do imã em relação à espira o número de linhas de campo magnético que atravessa a espira por unidade de tempo irá variar sendo esse o motivo da variação do fluxo magnético. Há de se observar que o fluxo magnético é expresso por: Com isso, alterações na área da espira ou no ângulo entre a espira e o imã também induziria corrente elétrica. Pela lei de Lenz, que pode ser vista como uma reformulação do princípio da conservação de energia, a corrente induzida na espira irá originar um campo magnético que irá se opor à variação de fluxo magnético que induziu essa corrente. 1) Como você explicaria, de uma forma simples, o porquê da relação entre a lei de Lenz e o princípio de conservação de energia?
- 4-2) Se em vez de um ímã, se aproximasse da espira conectada ao amperímetro uma outra espira submetida a uma CORRENTE não nula seria observada indução de corrente elétrica nessa espira? 3. Anel Saltitante Objetivo: Verificar o efeito da levitação de um anel condutor elétrico ao ser inserido em um núcleo metálico envolto numa bobina onde circula (submetido a) uma corrente elétrica alternada. Anel metálico (ALUMINIO OU COBRE..) Bobina primária Núcleo metálico instalado sobre a bobina Insere-se o anel metálico ao redor do núcleo de FERRO (metálico) acoplado à bobina que é submetida a uma corrente elétrica alternada. Observa-se a levitação do anel, caso se tente abaixar o anel nota-se que ocorre resistência a esse movimento e aquecimento do anel. Fundamentação Teórica: A corrente elétrica alternada no núcleo metálico acoplado à bobina induzirá corrente elétrica no anel metálico (lei de Faraday) e esta corrente induzida (com isso) um (forte) campo magnético (lei de àmpere) (é gerado em sua volta,) o qual se opõe ao produzido pela corrente alternada inicial que o originou (Lei de Lenz), ocorrendo então a repulsão do anel em relação à base do núcleo metálico.
- 5-1) Por que o anel aquece ao ser aproximado da base do núcleo metálico? 2) Se o anel fosse resfriado, o que resultaria em uma menor resistência à condução de corrente elétrica, que efeito seria esperado em relação à sua levitação? 4. Forno de Indução (Magnético) Objetivo: observar o efeito Joule, criado pela corrente induzida, para se aquecer água. Fontes de tensão. Uma barra de ferro para colocar dentro das bobinas, servindo como núcleo de um eletroímã. Fios de ligação. Um suporte adequado para funcionar como frigideira. Bobinas de várias indutâncias Água.
- 6 - Esse experimento é similar ao experimento anterior. Coloque a frigideira, com um pouco de água, no núcleo metálico, ligue o circuito e verifique o que ocorre com a água. Fundamentação Teórica: O funcionamento dos fornos de indução baseia-se na indução eletromagnética. Faraday estudou este fenômeno e concluiu que num condutor elétrico submetido a um fluxo magnético variável, surge uma f.e.m. induzida tanto maior quanto maior for a variação Φ do fluxo. (Para que a variação do fluxo no tempo seja grande é preciso que o fluxo Φ seja elevado e / ou que o tempo de variação t seja pequeno. Esta última condição corresponde a uma freqüência elevada). Sendo muito usado para fusão de materiais condutores, formam-se nestes materiais correntes de Foucault (correntes induzidas em massas metálicas) que produzem grande elevação de temperatura. Se os materiais forem magnéticos, haverá também o fenômeno da histerese, que contribui para o aumento de temperatura. 1) É preciso usar uma tensão alternada ou pode-se usar uma fonte de tensão contínua para essa experiência? 2) Explique os processos de envolvidos no aquecimento da água, relacionando com as indutâncias das bobinas. 5. Freio Magnético Objetivo: Observar as correntes de Foucault e o poder de freio magnético.
- 7 - Aparato com cano PVC e um cano metálico pentes metálicos (com abertura e fechado) Ímãs Observação: fabricação industrial Basta soltar os imãs nos canos e ver a diferença de tempo que eles irão chegar ao pé do experimento e soltar os ''pentes do lado. Observe o que acontece. Fundamentação Teórica: diversas partes de equipamentos elétricos possuem massa metálicas que se deslocam no interior de campos magnéticos ou localizadas em campos magnéticos variáveis. Nessas circunstancias, podem surgir correntes induzidas que circulam ao longo do volume do material. Essas correntes são chamadas correntes de Foucault (não entraremos em detalhe). 1) Explique o porquê das hastes pararem de oscilar quando elas atravessam as fendas.
- 8-2) Existe algum efeito térmico nas hastes? 6. Motor elétrico. Objetivo: observação de transformação de energia mecânica em elétrica. Correia e manivela para dar início ao movimento Bobinas Lâmpadas Fios Ímãs Basta girar a manivela que se pode observar a transformação de energia mecânica em elétrica ao acender as pequenas lâmpadas na parte superior do experimento. Fundamentação Teórica: A energia é uma idéia fundamental da Ciência que supõe uma capacidade de realizar trabalho. A forma mais evidente de energia é a energia cinética ou de movimento. Sua definição formal é:
- 9-1 mv 2 2 Ec =, onde E c é a energia cinética expressa em joules, m é a massa do corpo em movimento expressa em quilogramas e v é a velocidade do mesmo expressa em metros por segundo. A energia também pode encontrar-se armazenada em substâncias químicas, ou nucleares ou ainda nas águas de uma represa. Nesses estados latentes ela se denomina energia potencial. Na ausência de forças dissipativas, a energia mecânica total do sistema se conserva, ocorrendo transformação de energia potencial em cinética e vice-versa. Podemos escrever: E M = Ec + E p = constante Ao girar a manivela, as bobinas começam a girar e então aparece uma corrente induzida que acenderá as lâmpadas. Todos os motores elétricos valem-se dos princípios do eletromagnetismo, mediante os quais condutores situados num campo magnético e atravessados por correntes elétricas sofrem a ação de uma força mecânica, ou eletroímãs exercem forças de atração ou repulsão sobre outros materiais magnéticos. Na verdade, um campo magnético pode exercer força sobre cargas elétricas em movimento. Como uma corrente elétrica é um fluxo de cargas elétricas em movimento num condutor, conclui-se que todo condutor percorrido por uma corrente elétrica, imerso num campo magnético, pode sofrer a ação de uma força.todo dispositivo cuja finalidade é produzir energia elétrica à custa de energia mecânica constitui uma máquina geradora de energia elétrica (diz-se também, impropriamente, máquina geradora de eletricidade -eletricidade não é uma grandeza física, é um ramo da Física). O funcionamento dessas máquinas se baseia ou em fenômenos eletrostáticos (como no caso do gerador Van der Graaff), ou na indução eletromagnética (como no caso do disco de Faraday). Nas aplicações industriais a energia elétrica provém quase exclusivamente de geradores mecânicos cujo princípio é o fenômeno da indução eletromagnética (e dos quais o disco de Faraday é um simples precursor); os geradores mecânicos de corrente alternante são também denominados alternadores; os geradores mecânicos de corrente contínua são também denominados dínamos. Vale, desde já, notar que: "dínamo" de bicicleta não é dínamo e sim 'alternador'.numa máquina elétrica (seja gerador ou motor), distinguem-se essencialmente duas partes, a saber: o estator, conjunto de órgãos ligados rigidamente à carcaça e o rotor, sistema rígido que gira em torno de um eixo apoiado em mancais fixos na carcaça. Sob ponto de vista funcional distinguem-se o indutor, que produz o campo magnético, e o induzido que engendra corrente induzida. No dínamo o rotor é o induzido e o estator é o indutor; nos alternadores dá-se geralmente o
- 10 - contrário. A corrente induzida produz campo magnético (LEI DE AMPÉRE) que, em acordo com a Lei de Lenz, exerce forças contrárias à rotação do rotor; por isso em dínamos e alternadores, o rotor precisa ser acionado mecanicamente. O mesmo conclui do Princípio de Conservação da Energia: a energia elétrica extraída da máquina, acrescida de eventuais perdas, é compensada por suprimento de energia mecânica. 1) Será que o funcionamento dos motores elétricos que temos em nossas casas é semelhante ao observado no experimento? 2) Explique como seria o motor com corrente contínua. 7. Radiômetro Objetivo: ilustrar a energia da luz e do calor, observando o movimento das folhas de mica (em formato de cruz) pela incidência de luz, ou uma fonte de radiação infravermelha (calor). Folhas de mica (prateadas e enegrecidas com fuligem) Bulbo de vidro contendo ar rarefeito Observação: fabricação industrial
- 11 - Incide um feixe de radiações sobre o aparelho, as faces escuras absorvem maior quantidade de energia, ficando com maior temperatura que as faces prateadas. Ora, as plaquinhas são constantemente bombardeadas pelas moléculas do ar rarefeito; o choque das moléculas contra as plaquinhas é elástico, mas aquelas que se chocam contra as faces escuras possuem uma energia cinética ligeiramente maior que as moléculas que se chocam contra a face clara. Resulta daí uma pequena diferença de pressão sobre os braços do molinete - que é suficiente para colocá-lo em rotação. Fundamentação Teórica: Além de carregar energia, ondas eletromagnéticas também podem transportar momento linear. Em outras palavras, é possível exercer uma pressão (uma pressão de radiação) sobre um objeto ao fazer incidir luz sobre ele. Tais forças podem ser muito pequenas em relação ás que estamos acostumados, por isso não nos damos conta delas. Suponha que um feixe de luz paralelo incida sobre um objeto por um intervalo de tempo t,sendo totalmente absorvida por ele. O campo elétrico da onda luminosa faz com que as cargas (elétrons) no material se movam na direção transversa à direção do feixe. A força q.v B sobre as cargas em movimento, devida ao campo magnético da onda, está na mesma direção do feixe.logo a absorção da luz transfere momento na direção do feixe para as partículas do objeto.se U é a energia absorvida, o momento p transferido ao objeto durante este tempo é dado por: U p = c A direção de p é a direção do feixe incidente. E se a energia da luz U for inteiramente
- 12 - refletida, o momento transferido será o dobro do caso da absorção. U p = 2. c Para que qualquer máquina térmica funcione, deve haver uma diferença de temperatura. Neste caso, o lado escuro da hélice é mais quente que o outro lado, uma vez que a energia radiante da fonte de luz aquece o lado negro por absorção do corpo negro mais rapidamente que o lado metálico ou branco. As moléculas internas de ar são "aquecidas" (apresentam um aumento de velocidade) quando tocam o lado escuro da hélice. 1) O que acontece quando o radiômetro é aquecido na ausência de uma fonte de luz? 2) Explique de maneira simples, o porquê de o lado escuro avançar (girar as plaquinhas pelo
- 13 - lado escuro e não o prateado). 3) Este fenômeno seria observado no vácuo 8. Blindagem Eletrostática (Gaiola de Faraday) Objetivo: Comprovar o fenômeno da blindagem eletrostática sofrida por um corpo localizado no interior de um condutor elétrico e o conseqüente efeito na propagação de ondas eletromagnéticas dentro desse condutor. Telefone celular Corpo metálico fechado Ex: Lata de leite. Insere-se o celular no condutor metálico e então se disca o número desse telefone, percebe-se então que o aparelho não acusa a chamada. Para a comprovação de que esse fato não se deve a defeito no aparelho retira-se o celular do condutor e novamente faz-se a chamada. Nota-se que o telefone toca normalmente. Fundamentação teórica: Em um condutor elétrico em equilíbrio eletrostático as cargas elétricas livres se localizam em sua superfície externa, situação na qual estarão maximamente afastadas entre si devido a repulsão elétrica, com isso o campo elétrico no interior do condutor é nulo. Com a ausência de variação de campo elétrico dentro do condutor a propagação da onda eletromagnética característica da telefonia celular cessa (já que esse onda é formada por campos elétricos e magnéticos oscilantes, sendo que a variação de um gera o outro). É importante ressaltar que esse efeito de blindagem só é eficiente até as situações onde o comprimento de onda se aproxima das dimensões da malha metálica, para comprimentos de onda inferiores as ondas eletromagnéticas difratariam e atravessariam o condutor.
- 14-1) Por que as antenas dos carros se localizam na parte externa do veículo? 2) Se a lata de leite utilizada possuísse tampa plástica o efeito de blindagem seria observado? 9. Globo de Plasma Objetivo: Apresentar à alunos o chamado quarto estado da matéria, o plasma. Para isto, empregaremos o uso do globo de plasma. Globo industrializado contendo:. Plasma (hélio e neônio). Ânodo (bola escura do centro) e catodo (vidro) Ligado na tomada observa-se raios do ânodo para o catodo podendo formar filetes mais fortes se estiver em contato com um Fio terra(mão humana por exemplo). Fundamentação Teórica: O globo de plasma é essencialmente constituído por uma esfera de vidro com um gás a baixa pressão e por um eletrodo central a alta voltagem. Descargas elétricas provocam a excitação e a ionização de alguns átomos de gás. Os átomos excitados, ao voltarem ao estado inicial, emitem luz. Em Física, designa-se por plasma um fluido condutor constituído por uma mistura de átomos, íons e elétrons. A descarga elétrica é capaz de excitar a lâmpada fluorescente, mesmo estando esta a uma certa distância da bola - uma prova de que a energia da radiação se propaga através do espaço. Quando uma pessoa coloca a mão na lâmpada acima da zona iluminada, esta ilumina-se até à zona em que a mão encosta, pois a pessoa atua como transmissor. Na superfície da Terra o plasma
- 15 - só se forma em condições especiais. Devido a força gravitacional da Terra ser fraca para reter o plasma, não é possível mantê-lo confinado por longos períodos como acontece no Sol. O Sol, assim como todas estrelas que emitem luz se encontram no quarto estado da matéria. Na ionosfera terrestre, temos o surgimento da Aurora Boreal, que é um plasma natural, assim como o fogo. São sistemas compostos por um grande número de partículas carregadas, distribuídas dentro de um volume (macroscópico) onde haja a mesma quantidade de cargas positivas e negativas. Este meio recebe o nome de Plasma, e foi chamado pelo fisico inglês W. Clux de o quarto estado fundamental da matéria, por conter propriedades diferentes do estado sólido, líquido e gasoso. 1) Porque surgem filetes mais fortes ao estarmos em contato com o globo? 2) Preste atenção e descubra se esse fenômeno tem algo em comum com um famoso fenômeno da natureza. 10. LED'S (Light Emitting Diode) Objetivo: Observar as linhas de campo magnético de uma carga puntual, comprovar as superfícies equipotenciais e ver como funciona a luz do futuro. Cuba Eletrolítica Fonte e fios LED'S Água e sal
- 16 - Insere-se água e sal na cuba ligada a fonte e coloca os LED'S na solução, então o LED gera luz por um processo de recombinação(aniquilamento mútuo de elétrons e lacunas),uma característica importante dos LED'S é o espectro de emissão que pode ser observado na faixa do visível. A cor da luz é definida pelo gap do material semicondutor. Fundamentação teórica: Light Emitting Diode (LED), ou diodo emissor de luz. O diodo é um componente amplamente utilizado em circuitos eletrônicos, porém nenhum deles emite luz. A característica principal do diodo é permitir que a corrente siga somente em uma direção. Pela característica intrínseca do diodo e pelos materiais utilizados em sua construção, uma vez ligado em posição correta, alguns elétrons pulam do positivo para o negativo (anodo para catodo). Nessa "queda", os elétrons que se encontravam em órbitas atômicas mais altas caem a órbitas mais baixas. Quando isso ocorre, há uma perda de energia. Essa perda gera uma energia excedente, liberada por meio de fótons, que são quantum de radiação eletromagnética que não possuem massa, mas tem energia. É a luz. O LED, embora emita luz, é um dispositivo muito distinto das lâmpadas de filamento ou mesmo das lâmpadas de gases que conhecemos. Uma de suas vantagens é o comprimento quase exato da onda, a temperatura exata em Kelvin, a excelente durabilidade (até 100 mil horas, ou seja 11 anos ligado ininterruptamente, contra poucos meses da lâmpada) e o baixíssimo consumo. E encontramos hoje uma extensa variedade de modelos, que variam em potência luminosa e no espectro de cor. Certamente a matriz luminosa do planeta mudará nas próximas décadas, e onde hoje vemos lâmpadas, certamente amanhã veremos leds.
- 17-1) Qual a semelhança entre o funcionamento de uma pilha e de um LED?