FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL III INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Introdução

Campo Magnético

É um campo vetorial, pois se trata de uma grandeza vetorial associada a cada ponto do espaço, ou seja, é a região que envolve uma massa magnética e dentro da qual ela é capaz de exercer ações magnéticas

Indução eletromagnética

Quando uma área delimitada por um condutor sofre variação de fluxo de indução magnética é criado entre seus terminais uma força eletromotriz (fem) ou tensão. Se os terminais estiverem ligados a um aparelho elétrico ou a um medidor de corrente esta força eletromotriz ira gerar uma corrente, chamada corrente induzida.

Este fenômeno é chamado de indução eletromagnética, pois é causado por um campo magnético e gera correntes elétricas.

A corrente induzida só existe enquanto há variação do fluxo, chamado fluxo indutor.

O principio central da indução eletromagnética é a lei de Faraday, a qual relaciona a fem ao fluxo magnético variável em qualquer tipo espira, incluindo o circuito fechado. E também a lei de Lenz, a qual determina o sentido de uma corrente induzida e de uma fem induzida.

Lei de Faraday

Michael Faraday, físico químico britânico demonstrou que a variação em um fluxo magnético através de uma espira fechada, produz uma corrente elétrica na mesma, fenômeno este chamado de indução. A força eletromotriz que é induzida nesta espira é a mesma que a variação do fluxo magnético através da mesma. É a principal lei que rege o funcionamento das turbinas das usinas geradoras de energia elétrica.

O sinal negativo indica o sentido da Força Eletromotriz, indica em que sentido a mesma age.

Lei de Lenz

Heinrinch Friedrich Lenz, um físico russo criou uma regra, chamada lei de Lenz a qual serve para determinar qual o sentido da corrente que percorre uma espira condutora fechada, devido a certa indução. A corrente induzida tem sentido oposto ao sentido da variação do campo magnético que a gera.

• Se houver diminuição do fluxo magnético, a corrente induzida irá criar um campo magnético com o mesmo sentido do fluxo;

• Se houver aumento do fluxo magnético, a corrente induzida irá criar um campo magnético com sentido oposto ao sentido do fluxo.

Se usarmos como exemplo, uma espira posta no plano de uma página e a submetermos a um fluxo magnético que tem direção perpendicular à página e com sentido de entrada na folha.

• Se for positivo, ou seja, se a fluxo magnético aumentar, a corrente induzida terá sentido anti-horário;

• Se for negativo, ou seja, se a fluxo magnético diminuir, a corrente induzida terá sentido horário.

Levitação magnética

A levitação magnética utiliza os princípios da corrente de Foulcaut, ou correntes parasitas para gerar a força e o campo magnético necessários para a levitação. Para obter a levitação magnética é necessário um campo magnético com características especiais, e com intensidade relativamente alta.

A levitação estável de alguns materiais comuns se baseia em uma propriedade que todos os materiais possuem, chamada de diamagnetismo, toda e qualquer matéria no universo é formada por átomos, esses por sua vez possuem em torno de seu núcleo elétrons em movimento, quando se coloca um átomo em um campo magnético, os elétrons que estão se movimentando em torno de seu núcleo, alteram seu movimento, opondo-se a influência externa, criando seu próprio campo magnético, sendo assim cada átomo funciona como um pequeno imã, que tem direção oposta ao campo magnético externo. Ao tentar aproximar os pólos iguais de dois imãs, estes se repelem, o pólo positivo do campo externo repele os pólos positivos de cada átomo magnetizado do material, quando os campos são contrários, essa força de repulsão gerada faz com que o material possa levitar quando a mesma for maior que o peso do material, levando em consideração que o campo induzido em um material diamagnético é muito pequeno, é necessário um campo magnético externo enorme para ocorrer a levitação.

Atualmente utilizam-se os princípios da levitação magnética em uma vasta gama de aplicações. Com a tecnologia existente, pode-se levitar corpos através de quatro métodos distintos, a saber: - levitação eletrodinâmica ou por repulsão eletromagnética (EDL);

- levitação eletromagnética ou por atração magnética (EML);

- levitação por indução magnética (SQL);

- levitação supercondutora.

Experimentos

Experimento: 1 – Ondas “B”

Objetivo

Verificar alguns fenômenos magnéticos, observar o efeito das correntes induzidas, apresentar um modelo para calcular a velocidade terminal de queda de magnetos cilíndricos em um tubo condutor não-ferromagnético, e relatar o freio eletromagnético.

Materiais utilizados

• Tubo de cobre de 1,25m;

• Pastilha cilíndrica de ímã;

• Giz escolar.

Procedimento

Inicialmente, o tubo de cobre foi posicionado verticalmente, e foi inserido um pedaço dentro do tubo e deixado cair livremente. Posteriormente foi repetido esse procedimento com um imã.

Resultados e discussão

Com o giz, pode-se verificar o movimento uniforme variado que ocorre dentro do tubo de cobre, porque o cobre é um metal não magnético. Porém quando o imã cai por dentro do tubo é criado um campo magnético variado, que se move conjunto do imã.

Conclusão

Concluiu-se que temos uma força peso para baixo, uma força magnética para cima, e a força resultante entre as duas forças é zero, isso faz com que o imã caia lentamente dentro do tubo de cobre.

Experimento2: Ondas “B”

Objetivo

Observar e analisar a variação da capacidade de frenagem em cada caso. Verificar como os imãs podem gerar correntes nas superfícies de corpos metálicos, e como estas correntes sendo contrárias ao movimento das espátulas, provoque frenagem. Analisar como a variação do volume metálico do corpo interfere na intensidade da frenagem.

Materiais utilizados

• Espátulas de Alumínio (1- fechada, 1- vazada, 1- aberta);

• Suporte para as espátulas;

• Base com 2 imãs fixados na horizontal.

Procedimentos

Primeiramente, o professor ajustou a posição do suporte com a base para que as espátulas movimentem-se livremente. A espátula fechada foi colocada no suporte e balançada. Observou-se a velocidade e a frenagem. Esse procedimento foi repetido com a espátula vazada e com a espátula aberta.

Resultado e Discussão

Com o 1º pendulo de alumínio (inteira) cruzando um campo magnético uniforme verificamos uma variação de fluxo através dele, ocasionado por uma variação de área, assim as cargas são induzidas de modo que gerem uma força contraria a parar o pêndulo que estava em movimento. O campo magnético exerce uma força eletromotriz sobre as cargas presentes na área metálica, esta força é contraria ao movimento do pêndulo, fazendo com que o mesmo freie imediatamente. O 2º pendulo de alumínio (vazada) tem alguns orifícios para reduzir a área metálica e o experimento foi repetido onde verificamos que a intensidade do movimento diminui e a frenagem é menor. O experimento foi repetido com a 3º pendulo de alumínio (aberta) que possui várias fendas na área metálica, o movimento é continuo e a frenagem é mínima.

Conclusão

Os dois imãs produzem um campo magnético, com a finalidade de frear o pêndulo de alumínio, provando a eficácia do sistema de frenagem e também a existência das correntes de Foucalt, uma vez que o alumínio não possui propriedades ferromagnéticas (metais que não são atraídos por campos magnéticos).A partir dos resultados obtidos conclui-se que a eficiência dos métodos aplicados para este tipo de freio tem alta resistência.Assim o freio magnético se sobrepõe aos freios mais simples pela sua precisão e inovação de técnica.

Experimento 3: Produção de Luz

Objetivo

Demonstrar e observar o fenômeno físico eletromagnético para aprendizado inicial dos conceitos de indução. Trata-se da Lei de Indução de Faraday, o movimento relativo do ímã em relação às bobinas gera uma corrente induzida, para acender as lâmpadas de LED.

Materiais utilizados

• Tubo de PVC, cerca de 1m de comprimento, diâmetro 3cm;

• Bobinas com núcleo de ar e espiras de fio de cobre;

• Lâmpadas de LEDs;

• Pastilha cilíndrica de ímã, o diâmetro deve ser inferior ao diâmetro do tubo.

Procedimento

O tubo de PVC é a base para quatro bobinas de espiras de cobre, apoiado longitudinalmente. As espiras devem estar conectadas as lâmpadas de LEDs, que servirão como indicadores de corrente, o ímã deve-se movimentar por dentro do tubo, e conseqüentemente por dentro das espiras, fazendo acender os LEDs.

Resultado e discussão

O movimento relativo do ímã em relação às bobinas gera uma corrente induzida, para acender as lâmpadas de LED. O tópico de indução eletromagnética, explorando os conceitos da lei de Faraday, segundo os princípios da indução: quanto maior a velocidade, maior a variação do fluxo e,portanto, maior a corrente induzida e a intensidade da luz do LED, e um LED acende para a aproximação do ímã e o outro no afastamento.

Conclusão

Conclui que o experimento proposto teve um efeito visual com o movimento do ímã observou-se a criação de corrente induzida para acender o LED, é uma visualização mais simples, direta e compreensível do que a observação em um instrumento de medida.

Referências Bibliográficas

Griffiths, David J.; Introduction to eletrodynamics, 3rd edition, Prentice Hall, New Jersey, 1999.

PARANÁ, Djalma N. S. Física – Eletricidade. São Paulo: Ática, 1998.

SAMPAIO, José L., CALÇADA, Caio S. Física 3 – Ondulatória, Eletromagnetismo, Física Moderna. São Paulo: Atual, 2005.

GASPAR, Alberto. Física – Volume Único. São Paulo: Ática, 2009.

HALLIDAY, HESNICK, WALKER FUNDAMENTOS DA FISICA – VOLUME 3