oficina eletromagnetismo

Click here to load reader

Post on 28-Nov-2015

79 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DA TERRA DEPARTAMENTO DE FSICA TERICA E EXPERIMENTAL

    PROGRAMA DE EDUCAO TUTORIAL

    ''E TOME CHOQUE Eletromagnetismo

    Uma boa oportunidade para se aprender um pouco mais sobre a entusiasmaste 'Cincia de Maxwell' ''

    Maxwell Santana Librio

    Francisco Biagione de Lima Junior

    Natal-RN

    2010.1

  • - 2 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    Eletromagnetismo: ''E tome choque !

    1. Introduo:

    Uma boa oportunidade para se aprender um pouco mais sobre a entusiasmante 'cincia de Maxwell . A oficina consiste de nove experimentos educativos: Lei de Faraday Anel Saltitante Forno de induo Freio Magntico Motor (transformao de energia mecnica em eltrica) Radimetro Blindagem Eletrosttica Globo de Plasma LEDS (Light Emitting Diode); que associam a teoria e a prtica com os conceitos fundamentais do eletromagnetismo. Os experimentos apresentados so simples, mas podem ser empregados a vrios fenmenos observados, desde o acendimento de uma lmpada at a produo de energia eltrica em uma usina. Tivemos o cuidado de selecionar desde experimentos clssicos como a Blindagem Eletrosttica at experimentos qunticos como LEDS e o Globo de Plasma, mostrando o carter evolutivo da Fsica.

    2. Lei de Faraday

    Objetivo: Esse experimento visa a comprovao da lei de Induo de Faraday, uma das quatro leis fundamentais do Eletromagnetismo e que representa a base do funcionamento dos geradores eltricos.

    Material Utilizado: m Espira condutora Ampermetro

    Fios condutores

    Procedimento Experimental: Com a espira conectada ao ampermetro atravs de fios condutores movimenta-se o im

    relativamente espira (tanto no sentido de aproximao quanto de afastamento), com isso observa-se registro de corrente eltrica no ampermetro. Mantendo-se o im em repouso a marcao no ampermetro nula.

  • - 3 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    Fundamentao Terica: Fluxo: uma propriedade de qualquer campo vetorial. A palavra Fluxo vem do latim e

    significa fluir, apropriado descrever o fluxo de um determinado campo vetorial como a medida do fluxo de ou penetrao dos vetores do campo atravs de uma superfcie imaginria fixa no campo.

    Fora eletromotriz (fem): por razes histricas, esse termo usado para designar a diferena de potencial produzida por uma fonte de tenso, embora no se trate de uma fora.

    Lei de Gauss: a lei que estabelece a relao entre o fluxo eltrico que passa atravs de uma superfcie fechada e a quantidade de carga eltrica que existe dentro desta superfcie.

    Lei de Ampre: a lei que relaciona o campo magntico sobre um lao com a corrente eltrica que passa atravs do lao. o equivalente magntico da lei de Gauss.

    De acordo com a lei de Faraday a variao de fluxo magntico atravs de uma espira condutora eltrica induz uma fora eletromotriz induzida nessa espira, a qual responsvel pela corrente eltrica observada no ampermetro. Com a movimentao do im em relao espira o nmero de linhas de campo magntico que atravessa a espira por unidade de tempo ir variar sendo esse o motivo da variao do fluxo magntico. H de se observar que o fluxo magntico expresso por:

    Com isso, alteraes na rea da espira ou no ngulo entre a espira e o im tambm induziria corrente eltrica.

    Pela lei de Lenz, que pode ser vista como uma reformulao do princpio da conservao de energia, a corrente induzida na espira ir originar um campo magntico que ir se opor variao de fluxo magntico que induziu essa corrente.

    Para refletir: 1) Como voc explicaria, de uma forma simples, o porqu da relao entre a lei de Lenz e o princpio de conservao de energia?

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

  • - 4 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    ________________________________________________________________________________

    2) Se em vez de um m, se aproximasse da espira conectada ao ampermetro uma outra espira submetida a uma CORRENTE no nula seria observada induo de corrente eltrica nessa espira?

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    3. Anel Saltitante

    Objetivo: Verificar o efeito da levitao de um anel condutor eltrico ao ser inserido em um ncleo metlico envolto numa bobina onde circula (submetido a) uma corrente eltrica alternada.

    Material Utilizado: Anel metlico (ALUMINIO OU COBRE..) Bobina primria Ncleo metlico instalado sobre a bobina

    Procedimento Experimental: Insere-se o anel metlico ao redor do ncleo de FERRO (metlico)

    acoplado bobina que submetida a uma corrente eltrica alternada. Observa-se a levitao do anel, caso se tente abaixar o anel nota-se que ocorre resistncia a esse movimento e aquecimento do anel.

    Fundamentao Terica: A corrente eltrica alternada no ncleo metlico acoplado bobina induzir corrente eltrica

    no anel metlico (lei de Faraday) e esta corrente induzida (com isso) um (forte) campo magntico (lei de mpere) ( gerado em sua volta,) o qual se ope ao produzido pela corrente alternada inicial que o originou (Lei de Lenz), ocorrendo ento a repulso do anel em relao base do ncleo metlico.

  • - 5 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    Para refletir:

    1) Por que o anel aquece ao ser aproximado da base do ncleo metlico? ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    2) Se o anel fosse resfriado, o que resultaria em uma menor resistncia conduo de corrente eltrica, que efeito seria esperado em relao sua levitao? ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    4. Forno de Induo (Magntico)

    Objetivo: observar o efeito Joule, criado pela corrente induzida, para se aquecer gua .

    Material Utilizado: Fontes de tenso. Uma barra de ferro para colocar dentro das bobinas, servindo como ncleo de um eletrom. Fios de ligao. Um suporte adequado para funcionar como frigideira. Bobinas de vrias indutncias gua.

  • - 6 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    Procedimento Experimental: Esse experimento similar ao experimento anterior. Coloque a frigideira, com um pouco de

    gua, no ncleo metlico, ligue o circuito e verifique o que ocorre com a gua.

    Fundamentao Terica: O funcionamento dos fornos de induo baseia-se na induo eletromagntica. Faraday

    estudou este fenmeno e concluiu que num condutor eltrico submetido a um fluxo magntico varivel, surge uma f.e.m. induzida tanto maior quanto maior for a variao do fluxo. (Para que a variao do fluxo no tempo seja grande preciso que o fluxo seja elevado e / ou que o tempo de variao t seja pequeno. Esta ltima condio corresponde a uma freqncia elevada). Sendo muito usado para fuso de materiais condutores, formam-se nestes materiais correntes de Foucault (correntes induzidas em massas metlicas) que produzem grande elevao de temperatura. Se os materiais forem magnticos, haver tambm o fenmeno da histerese, que contribui para o aumento de temperatura.

    Para refletir:

    1) preciso usar uma tenso alternada ou pode-se usar uma fonte de tenso contnua para essa experincia?

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    2) Explique os processos de envolvidos no aquecimento da gua, relacionando com as indutncias das bobinas. ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    5. Freio Magntico

    Objetivo: Observar as correntes de Foucault e o poder de freio magntico.

  • - 7 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    Material Utilizado: Aparato com cano PVC e um cano metlico pentes metlicos (com abertura e fechado) ms Observao: fabricao industrial

    Procedimento Experimental: Basta soltar os ims nos canos e ver a diferena de tempo que eles iro chegar ao p do

    experimento e soltar os ''pentes do lado. Observe o que acontece.

    Fundamentao Terica: diversas partes de equipamentos eltricos possuem massa metlicas que se deslocam no

    interior de campos magnticos ou localizadas em campos magnticos variveis. Nessas circunstancias, podem surgir correntes induzidas que circulam ao longo do volume do material. Essas correntes so chamadas correntes de Foucault (no entraremos em detalhe).

    Para refletir:

    1) Explique o porqu das hastes pararem de oscilar quando elas atravessam as fendas. ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

  • - 8 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    2) Existe algum efeito trmico nas hastes? ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    6. Motor eltrico.

    Objetivo: observao de transformao de energia mecnica em eltrica. Material Utilizado: Correia e manivela para dar incio ao movimento Bobinas Lmpadas Fios

    ms

    Procedimento Experimental: Basta girar a manivela que se pode observar a transformao de energia mecnica em eltrica

    ao acender as pequenas lmpadas na parte superior do experimento.

    Fundamentao Terica: A energia uma idia fundamental da Cincia que supe uma capacidade de realizar trabalho.

    A forma mais evidente de energia a energia cintica ou de movimento. Sua definio formal :

  • - 9 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    2

    21

    mvEc = ,

    onde Ec a energia cintica expressa em joules, m a massa do corpo em movimento expressa em quilogramas e v a velocidade do mesmo expressa em metros por segundo. A energia tambm pode encontrar-se armazenada em substncias qumicas, ou nucleares ou ainda nas guas de uma represa. Nesses estados latentes ela se denomina energia potencial. Na ausncia de foras dissipativas, a energia mecnica total do sistema se conserva, ocorrendo transformao de energia potencial em cintica e vice-versa. Podemos escrever:

    =+= pcM EEE constante

    Ao girar a manivela, as bobinas comeam a girar e ento aparece uma corrente induzida que acender as lmpadas. Todos os motores eltricos valem-se dos princpios do eletromagnetismo, mediante os quais condutores situados num campo magntico e atravessados por correntes eltricas sofrem a ao de uma fora mecnica, ou eletroms exercem foras de atrao ou repulso sobre outros materiais magnticos. Na verdade, um campo magntico pode exercer fora sobre cargas eltricas em movimento. Como uma corrente eltrica um fluxo de cargas eltricas em movimento num condutor, conclui-se que todo condutor percorrido por uma corrente eltrica, imerso num campo magntico, pode sofrer a ao de uma fora.Todo dispositivo cuja finalidade produzir energia eltrica custa de energia mecnica constitui uma mquina geradora de energia eltrica (diz-se tambm, impropriamente, mquina geradora de eletricidade -eletricidade no uma grandeza fsica, um ramo da Fsica).

    O funcionamento dessas mquinas se baseia ou em fenmenos eletrostticos (como no caso do gerador Van der Graaff), ou na induo eletromagntica (como no caso do disco de Faraday). Nas aplicaes industriais a energia eltrica provm quase exclusivamente de geradores mecnicos cujo princpio o fenmeno da induo eletromagntica (e dos quais o disco de Faraday um simples precursor); os geradores mecnicos de corrente alternante so tambm denominados alternadores; os geradores mecnicos de corrente contnua so tambm denominados dnamos. Vale, desde j, notar que: "dnamo" de bicicleta no dnamo e sim 'alternador'.Numa mquina eltrica (seja gerador ou motor), distinguem-se essencialmente duas partes, a saber: o estator, conjunto de rgos ligados rigidamente carcaa e o rotor, sistema rgido que gira em torno de um eixo apoiado em mancais fixos na carcaa. Sob ponto de vista funcional distinguem-se o indutor, que produz o campo magntico, e o induzido que engendra corrente induzida.

    No dnamo o rotor o induzido e o estator o indutor; nos alternadores d-se geralmente o

  • - 10 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    contrrio.

    A corrente induzida produz campo magntico (LEI DE AMPRE) que, em acordo com a Lei de Lenz, exerce foras contrrias rotao do rotor; por isso em dnamos e alternadores, o rotor precisa ser acionado mecanicamente. O mesmo conclui do Princpio de Conservao da Energia: a energia eltrica extrada da mquina, acrescida de eventuais perdas, compensada por suprimento de energia mecnica.

    Para refletir:

    1) Ser que o funcionamento dos motores eltricos que temos em nossas casas semelhante ao observado no experimento?

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    2) Explique como seria o motor com corrente contnua. ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    7. Radimetro

    Objetivo: ilustrar a energia da luz e do calor, observando o movimento das folhas de mica (em formato de cruz) pela incidncia de luz, ou uma fonte de radiao infravermelha (calor).

    Material Utilizado: Folhas de mica (prateadas e enegrecidas com fuligem) Bulbo de vidro contendo ar rarefeito Observao: fabricao industrial

  • - 11 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    Procedimento Experimental: Incide um feixe de radiaes sobre o aparelho, as faces escuras absorvem maior quantidade de

    energia, ficando com maior temperatura que as faces prateadas. Ora, as plaquinhas so constantemente bombardeadas pelas molculas do ar rarefeito; o choque das molculas contra as plaquinhas elstico, mas aquelas que se chocam contra as faces escuras possuem uma energia

    cintica ligeiramente maior que as molculas que se chocam contra a face clara. Resulta da uma pequena diferena de presso sobre os braos do molinete - que suficiente para coloc-lo em rotao.

    Fundamentao Terica: Alm de carregar energia, ondas eletromagnticas tambm podem transportar momento

    linear. Em outras palavras, possvel exercer uma presso (uma presso de radiao) sobre um objeto ao fazer incidir luz sobre ele. Tais foras podem ser muito pequenas em relao s que estamos acostumados, por isso no 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 eltrico da onda luminosa faz com que as cargas (eltrons) no material se movam na direo transversa direo do feixe. A fora q.v B sobre as cargas em movimento, devida ao campo magntico da onda, est na mesma direo do feixe.Logo a absoro da luz transfere momento na direo do feixe para as partculas do objeto.Se U a energia absorvida, o momento p transferido ao objeto durante este tempo dado por:

    c

    Up =

    A direo de p a direo do feixe incidente. E se a energia da luz U for inteiramente

  • - 12 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    refletida, o momento transferido ser o dobro do caso da absoro.

    c

    Up .2=

    Para que qualquer mquina trmica funcione, deve haver uma diferena de temperatura. Neste caso, o lado escuro da hlice mais quente que o outro lado, uma vez que a energia radiante da fonte de luz aquece o lado negro por absoro do corpo negro mais rapidamente que o lado metlico ou branco. As molculas internas de ar so "aquecidas" (apresentam um aumento de velocidade) quando tocam o lado escuro da hlice.

    Para refletir:

    1) O que acontece quando o radimetro aquecido na ausncia de uma fonte de luz? ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    2) Explique de maneira simples, o porqu de o lado escuro avanar (girar as plaquinhas pelo

  • - 13 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    lado escuro e no o prateado). ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    3) Este fenmeno seria observado no vcuo ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    8. Blindagem Eletrosttica (Gaiola de Faraday)

    Objetivo: Comprovar o fenmeno da blindagem eletrosttica sofrida por um corpo localizado no interior de um condutor eltrico e o conseqente efeito na propagao de ondas eletromagnticas dentro desse condutor.

    Material Utilizado: Telefone celular

    Corpo metlico fechado Ex: Lata de leite.

    Procedimento Experimental: Insere-se o celular no condutor metlico e ento se disca

    o nmero desse telefone, percebe-se ento que o aparelho no acusa a chamada. Para a comprovao de que esse fato no 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.

    Fundamentao terica: Em um condutor eltrico em equilbrio eletrosttico as cargas eltricas livres se localizam em

    sua superfcie externa, situao na qual estaro maximamente afastadas entre si devido a repulso eltrica, com isso o campo eltrico no interior do condutor nulo. Com a ausncia de variao de campo eltrico dentro do condutor a propagao da onda eletromagntica caracterstica da telefonia celular cessa (j que esse onda formada por campos eltricos e magnticos oscilantes, sendo que a variao de um gera o outro). importante ressaltar que esse efeito de blindagem s eficiente at as situaes onde o comprimento de onda se aproxima das dimenses da malha metlica, para comprimentos de onda inferiores as ondas eletromagnticas difratariam e atravessariam o condutor.

  • - 14 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    Para refletir: 1) Por que as antenas dos carros se localizam na parte externa do veculo?

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    2) Se a lata de leite utilizada possusse tampa plstica o efeito de blindagem seria observado? ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    9. Globo de Plasma

    Objetivo: Apresentar alunos o chamado quarto estado da matria, o plasma. Para isto, empregaremos

    o uso do globo de plasma.

    Material Utilizado: Globo industrializado contendo:. Plasma (hlio e nenio). nodo (bola escura do centro) e catodo (vidro)

    Procedimento Experimental: Ligado na tomada observa-se raios do nodo para o catodo

    podendo formar filetes mais fortes se estiver em contato com um Fio terra(mo humana por exemplo).

    Fundamentao Terica: O globo de plasma essencialmente constitudo por uma esfera de vidro com um gs a baixa

    presso e por um eletrodo central a alta voltagem. Descargas eltricas provocam a excitao e a ionizao de alguns tomos de gs. Os tomos excitados, ao voltarem ao estado inicial, emitem luz. Em Fsica, designa-se por plasma um fluido condutor constitudo por uma mistura de tomos, ons e eltrons. A descarga eltrica capaz de excitar a lmpada fluorescente, mesmo estando esta a uma certa distncia da bola - uma prova de que a energia da radiao se propaga atravs do espao. Quando uma pessoa coloca a mo na lmpada acima da zona iluminada, esta ilumina-se at zona em que a mo encosta, pois a pessoa atua como transmissor. Na superfcie da Terra o plasma

  • - 15 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    s se forma em condies especiais. Devido a fora gravitacional da Terra ser fraca para reter o plasma, no possvel mant-lo confinado por longos perodos como acontece no Sol. O Sol, assim como todas estrelas que emitem luz se encontram no quarto estado da matria. Na ionosfera terrestre, temos o surgimento da Aurora Boreal, que um plasma natural, assim como o fogo. So sistemas compostos por um grande nmero de partculas carregadas, distribudas dentro de um volume (macroscpico) onde haja a mesma quantidade de cargas positivas e negativas.

    Este meio recebe o nome de Plasma, e foi chamado pelo fisico ingls W. Clux de o quarto estado fundamental da matria, por conter propriedades diferentes do estado slido, lquido e gasoso.

    Para refletir: 1) Porque surgem filetes mais fortes ao estarmos em contato com o globo?

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    2) Preste ateno e descubra se esse fenmeno tem algo em comum com um famoso fenmeno da natureza. ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________

    10. LED'S (Light Emitting Diode)

    Objetivo: Observar as linhas de campo magntico de uma carga puntual, comprovar as superfcies equipotenciais e ver como funciona a luz do futuro.

    Material Utilizado: Cuba Eletroltica Fonte e fios

    LED'S

    gua e sal

  • - 16 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    Procedimento Experimental: Insere-se gua e sal na cuba ligada a fonte e coloca os LED'S na soluo, ento o LED gera

    luz por um processo de recombinao(aniquilamento mtuo de eltrons e lacunas),uma caracterstica importante dos LED'S o espectro de emisso que pode ser observado na faixa do visvel. A cor da luz definida pelo gap do material semicondutor.

    Fundamentao terica: Light Emitting Diode (LED), ou diodo emissor de luz. O diodo um componente amplamente

    utilizado em circuitos eletrnicos, porm nenhum deles emite luz. A caracterstica principal do diodo permitir que a corrente siga somente em uma direo. Pela caracterstica intrnseca do diodo e pelos materiais utilizados em sua construo, uma vez ligado em posio correta, alguns eltrons pulam do positivo para o negativo (anodo para catodo). Nessa "queda", os eltrons que se encontravam em rbitas atmicas mais altas caem a rbitas mais baixas. Quando isso ocorre, h uma perda de energia. Essa perda gera uma energia excedente, liberada por meio de ftons, que so quantum de radiao eletromagntica que no possuem massa, mas tem energia. a luz. O LED, embora emita luz, um dispositivo muito distinto das lmpadas de filamento ou mesmo das lmpadas de gases que conhecemos. Uma de suas vantagens o comprimento quase exato da onda, a temperatura exata em Kelvin, a excelente durabilidade (at 100 mil horas, ou seja 11 anos ligado ininterruptamente, contra poucos meses da lmpada) e o baixssimo consumo. E encontramos hoje uma extensa variedade de modelos, que variam em potncia luminosa e no espectro de cor. Certamente a matriz luminosa do planeta mudar nas prximas dcadas, e onde hoje vemos lmpadas, certamente amanh veremos leds.

  • - 17 -

    www.dfte.ufrn.br/petfisica

    Para refletir:

    1) Qual a semelhana entre o funcionamento de uma pilha e de um LED?

    ________________________________________________________________________________

    ________________________________________________________________________________