3.1 - Indução Magntica.doc

8/18/2019 3.1 - Indução Magntica.doc

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1. Indução Magnética

1 OBJETIVOS

Analisar o fenômeno da indução magnética.

• Medir a força eletromotriz ifem) induzida pelo movimento relativo entre um indutor e um imã.• Verificar o acoplamento magnético entre dois circuitos indutivos colocados próximos.• Determinar o fluxo magnético.

2 MATERIAL UTILIZADO

omputador e interface! sensor de tensão elétrica! fonte de corrente cont"nua! indutores #$o$inmãs! n%cleo de ferro! gerador de sinais! ca$os para conexão! interruptor de campain&a! gerado

corrente alternada! placas de alum"nio! suporte! garras! galvanômetro.

ROTEIRO DE ESTUDOS

'. Voc( o$servou experimentalmente em uma pr tica anterior *ue se pode construir o modelo de lin&de força para o campo elétrico. omo são as lin&as de força do campo magnético de um imã+

,- /0 1A2 As lin&as de campo magnético saem do pólo norte do "mã em direção ao pólo sul do "mãdireção da reta tangente a uma lin&a de campo magnético nos d a direção de 3! sendo *ue na*ueponto! o espaçamento entre as lin&as d o módulo de 3.

4. 5ual é a definição de fluxo do campo magnético+ 5ual sua unidade no .6+

,- /0 1A2 7ma espira envolvendo uma rea A colocada em um 3. -ntão o fluxo magnético atravésda espira é2

8 3 9 :3dA 9 ' 1m;4 9 ' arada?.

,- /0 1A2 Devido a Lei de Lenz descrito no exerc"cio a$aixo.

. 0 *ue diz a lei de Lenz+

,- /0 1A2 7ma corrente induzida possui um sentido tal *ue o campo magnético devido a corrente s

opNe @ variação no fluxo magnético *ue induz a corrente.


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O. 5ual das leis de BePton é an loga @ lei de Lenz+

,- /0 1A2 A terceira lei de BePton #Ação e ,eação).

Q. 0 *ue são correntes de >oucault+

,- /0 1A2 ão correntes circulantes em peças met licas provocadas por um fluxo magnético vari v

R. D( exemplos de dispositivos em *ue a indução eletromagnética é um fenômeno importante.,- /0 1A2 Serador -létrico.

DES"RI#$O DO E%&ERIME'TO

-ste experimento est dividido em *uatro partes! todas mostrando *ue para ocorrer indução de foeletromotriz deve &aver uma variação de fluxo magnético. 6nicialmente é analisado o *ue acontece cdiferença de potencial nos terminais de um indutor #$o$ina) *uando um imã se aproxima dele. /ara ismonitora se os terminais do indutor com um sensor de tensão elétrica conectado @ interface. 0$serventão no computador um gr fico da diferença de potencial no indutor em função do tempo. Ba segu

parte tem se a variação do fluxo magnético por causa da variação da rea! uma vez *ue o cammagnético é constante #"mã permanente)T neste caso é utilizado um gerador de corrente alternada. Beetapa tam$ém é registrada com a interface a tensão entre os terminais das espiras. A terceira parte é umpr tica envolvendo dois circuitos #$o$inas) independentes! cada um contendo um indutor. 7m dos circué conectado ao sensor de tensão e o outro a uma fonte de tensão #continua ou alternada). 0$serva se ncomputador a tensão induzida *uando a corrente fornecida pela fonte varia. A %ltima parte envolvean lise *ualitativa so$re o movimento de = diferentes tipos de placas de alum"nio em um campo magnéenvolvendo o conceito de correntes de >oucault.

&RO"EDIME'TO E%&ERIME'TAL

ATE'#$O) BU0 A/,0 6M- 0 6MU D0 0M/71AD0,! D0 M0B610, 07 D0 D6 57-1- .MONTAGEM EXPERIMENTAL (lª PARTE)

• Ligue primeiro a interface e depois o computador. 0$serve a tensão de operação de cada aparel&o• onecte o sensor de tensão #indutor) ao canal analógico A da interface! usando um ca$o D

$anana2 preto e vermel&o.• /renda o indutor ao suporte! deixando o furo central na vertical e uma altura suficie

#aproximadamente 4H cm) para *ue o imã possa atravess 6o inteiramente. VeXa a >igura '.• Acione no computador o programa Y cience


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• 6r surgir na Xanela de gr fico a curva correspondente @ diferença de potencial #ou eletromotr"z) no indutor em função do tempo! induzida durante a *ueda do imã.

• om este gr fico é poss"vel determinar a força eletromotriz m xima induzida no indutor e tam$fluxo magnético 8#t) provocado pelo imã. /or exemplo! isto pode ser medido para os picos posit#\ ) e negativos # ). Anote estes resultados na 1a$ela '.

• ,epita o procedimento! invertendo a posição do imã.• ,epita o procedimento! trocando o indutor por outro com um n%mero de espiras diferente.• /ara cada caso! determine o fluxo magnético relativo a cada pico e compare os resultados o$tidos.• /ara uma das curvas! selecione os dados da tensão medida e transfira os para um programa d

planil&a e an lise de dados. /rograme esta planil&a de forma *ue seXa calculado o fluxo magnét#t) em todos os instantes. >aça o gr fico do fluxo calculado em função do tempo.

• /rograme a planil&a para calcular a posição do "mã em cada instante. >aça um gr fico do flmagnético em função da posição.

• ,esponda as *uestNes da seção da An lise de Dados.

1A3-LA '2 >orça -'etromotriz e fluxo magnéticoB] de -s piras V' #V) V4 #V) 8' # ) 84 # ) 81otal 9 ̂ 8' \ 84^ # )

CBesta ta$ela V' representa o valor m ximo do primeiro pico e V4 o valor m ximo do segundo pico.s"m$olo 8' refere se ao fluxo magnético calculado considerando se apenas o primeiro pico e 84 o flux

calculado considerando se o segundo pico.

MONTAGEM EXPERIMENTAL E PROCEDIMENTO (2ª PARTE)

• onsidere o conXunto de espiras do gerador elétrico fixadas ao roto r! cuXo suporte est moso$re um "mã permanente em forma de Y7Y.

• onecte os terminais do canal A da interface aos terminais de sa"da do gerador.• A$ra o ar*uivo Yinducao4.sPsY.• Acione o $otão ,- na Xanela do programa.• om a mão! gire o eixo do conXunto de espiras dando um impulso! de forma *ue este efetue algu

rotaçNes até parar. aso seXa necess rio! repita esta operação registrando mais um gr fico.

MONTAGEM EXPERIMENTAL E PROCEDIMENTO (3ª PARTE)• Monte um circuito com um indutor conectado a uma fonte de corrente cont"nua. 6nsira em série

circuito um interruptor de campain&a.• Monte outro circuito com um indutor ligado a um galvanômetro. Beste instrumento ser monitorforça eletromotriz induzida no indutor 4.

• Aproxime os dois indutores no sentido axial! conforme a figura 4. Ligue e desligue a corrente uso interruptor de campain&a. 0$serve em *ue situação o galvanômetro indica a passagem corrente e o seu sentido .

• ,epita o procedimento! colocando um n%cleo de ferro no indutor.Da*ui +, diant+ ,ant+n-a o n c/+o no induto0.

• ,epita o procedimento anterior! trocando a fonte de corrente cont"nua e o interruptor de campainpor um gerador de sinais. /repare o gerador para produzir um sinal *uadrado com fre*_(ncia d'H`z.


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• onecte o par de terminais do canal A em paralelo com os terminais do indutor '. Beste canal semonitorada a tensão aplicada pelo gerador.

• ,etire o galvanômetro e conecte o par de terminais do canal 3 em paralelo com os terminais dindutor 4. Beste canal ser monitorada a força eletromotriz induzida no indutor 4.

• A$ra o ar*uivo Yinducao=.sPsY. A fre*_(ncia de amostragem #Y ampling 0ptionsY) foi aumenex. para 4H Z`z) para o$ter gr ficos com mel&or *ualidade.

• Acione o $otão ,-e na Xanela do programa.• Modifi*ue a forma de onda produzida pelo gerador de sinais! para a forma triangular.• /roceda como no caso da onda *uadrada! registrando os resultados.• ,epita o item anterior! porém! com o gerador de sinais produzindo uma onda senoidal.• Meça os valores m ximos das tensNes registradas no indutor ' e no indutor 4.• Após terminar estas medidas não desconecte o conector D6B da interface.• ,esponda as *uestNes da An lise de Dados.

MONTAGEM EXPERIMENTAL E PROCEDIMENTO (4ª PARTE)

• o$re um suporte! fixe &orizontalmente a $arra cil"ndrica preta.• olo*ue uma das tr(s placas de alum"nio para oscilar na extremidade da $arra preta. Verifi*ue se

oscila livremente.• /osicione o "mã no centro do p(ndulo #figura = a).• uspenda a placa até uma posição &orizontal e então a solte #figura = $).• 0$serve o efeito produzido pela presença dos imãs.• 1ro*ue a placa de alum"nio por outra e repita o procedimento.• Analise as diferenças o$servadas em função do tipo de placa de alum"nio em *uestão.• ,esponda a *uestão da seção de An lise de Dados.

A' LISE DOS RESULTADOS

ª PARTE*

'. /or *ue surgem dois picos para cada *ueda livre do "mã através do indutor+

,- /0 1A2 /ois a medida *ue o "mã se desloca verticalmente para $aixo & um aumento das linde campo *ue interceptam a rea transversal das espiras! induzindo um campo magnético! causanuma força eletromotriz induzida. Até o instante *ue ele est totalmente imerso na $o$ina! ocorre grande variação de fluxo! resultando num aumento em módulo da força eletromotriz! o *ue constiprimeiro pico. Após esse momento & pouca variação das lin&as de campo! e conse*uentemente umenor variação de fluxo! sendo assim o módulo da força eletromotriz vai diminuindo até o instant*ue é praticamente nula! *uando nao & variação de fluxo! pois ele atingiu seu valor m ximo. 7matravessado o ponto médio da $o$ina! o n%mero de lin&as de campo *ue cruzam a mesma dimgerando novamente uma variação de fluxo! e a medida *ue o módulo desta variação aumenta! a faumenta proporcionalmente! até o momento em *ue o "mã est mais próximo do $ocal inferio$o$ina! *uando a densidade de lin&as de campo *ue cruzam a area transversal da $o$ina diminacarrentando numa menor variação em módulo do fluxo! fazendo com *ue a fem induzida tenda a ze

4. /or *ue os picos *ue surgem são desiguais+

,- /0 1A2 A fem induzida num condutor varia com a velocidade com *ue o "mã se aproxima #ouafasta). Ao se aproximar do indutor! o "mã est menos acelerado #pois ele desce em *ueda livre!M,7V)! então a fem induzida m xima #primeiro pico) ser menor! porém o tempo ser maisegundo pico possui uma altura em módulo superior ao primeiro! porém uma $ase menor! visto *u


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metade inferior da *ueda do "mã a fem depende nao só dos polos! como tam$ém da gravidaacelerando a sua *ueda! fazendo com *ue o segundo pico seXa atingido mais rapidamente.

=. 5ual dos picos é o maior+ 1ente desco$rir por *u(.

,- /0 1A2 0 segundo pico! por ele estar mais acelerado no trec&o de afastamento.

E. 0 *ue muda no gr fico *uando o imã é invertido+

,- /0 1A2 5uado o "mã foi invertido! ou seXa! com o polo sul posicionado a$aixo do polo nopolaridade foi alterada! sendo assim as lin&as de campo *ue anteriormente se dirigiam para citiveram seu sentido invertido! induzindo uma tensão de sinal contr rio! ocasionando uma fem negpara a primeira metade da $o$ina! seguida de uma positiva para a segunda metade.

J. 0 *ue muda no gr fico *uando o n%mero de espiras é aumentado+

,- /0 1A2 *uanto maior o numero de voltas da $o$ina! maior ser a fem induzida! visto *ue ainduzida total é a soma da fem induzida em cada volta! sendo assim o gr fico para a $o$ina de '4espiras ter picos mais extremos! e o da $o$ina de =HH espiras ter os menores picos.

. Analise o gr fico do fluxo magnético em função do tempo. -le é simétrico em relação ao pontm ximo+ -xpli*ue o seu comportamento.

,- /0 1A2 Bão! ele é assimétrico em relação ao ponto m ximo. Bo instante zero! *uando soltamos"mã! não & fluxo magnético! pois lin&as de campo não estão cruzando a rea transversal da $o$imedida *ue o "mã cai! o fluxo aumenta até um limite! onde ocorre um fluxo m ximo #no ponto mé$o$ina). /osteriormente! o fluxo decai até se igualar a zero num tempo t! *uando o "mã deixa a $o$entretanto essa segunda parte do camin&o é percorrido pelo "mã em um tempo menor! visto *ue o "macelerado pela gravidade! en*uanto *ue na primeira parte o "mã cai em *ueda livre.

O. Analise o gr fico do fluxo em função da posição. -le é simétrico+ -xpli*ue este comportamento.

,- /0 1A2 im! pois no camin&o percorrido pelo "mã ate o centro da $o$ina! a variação de fluxigual ao da segunda metade! visto *ue as duas metades tem distbncias iguais em relação ao centro d$o$ina.

Q. -s$oce para cada caso analisado! as lin&as de campo magnético! o sentido da corrente elétrinduzida e a direção do movimento do imã.

,- /0 1A2 #ver figura)

C Avalie cada situação em termos da lei de >arada?.

ª PARTE

'. 0 *ue voc( o$serva com o módulo da força eletromotriz induzida em diferentes instantes de temp-xpli*ue este comportamento.

,- /0 1A2 A fem induzida é maior no in"cio! pois o tempo para completar uma volta é menor. decorrer do movimento! esse tempo aumenta! pois a velocidade angular de rotação do conXunto é maté parar! devido a forças de atrito *ue atuam no sistema! e conse*_entemente diminui a fem induzid

4. /or *ue a força eletromotriz induzida apresenta alternbncia de sinal+


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,- /0 1A2 /or*ue *uando a rea é paralela aos pólos do "mã a fem induzida apresenta um picopositivo! pois um n%mero m ximo de lin&as de campo é capaz de atravessar essa rea. Ao girarmoo rotor! essa rea é considerada nula! de forma *ue a fem induzida é próxima de zero! uma vez depende da variação de fluxo magnético. ,otacionando mais RH & novamente uma rea minterceptada por lin&as de campo! porém a fem induzida é de sinal contr rio.

=. 0$servando a curva registrada! o *ue se o$serva com o per"odo da onda de tensão gerada+ omisto est relacionado com o movimento do eixo+

,- /0 1A2 0 per"odo aumenta! isso ocorre devido @ perda de rotação do eixo! causada pelas forçade atrito *ue atuam no sistema.

ª PARTE

'. -xpli*ue! para as situaçNes analisadas! o *ue provocou o registro de picos de tensão induzida.

,- /0 1A2

4. /or *ue & uma alternbncia de picos positivos e negativos+

,- /0 1A2=. /or *ue os picos são assimétricos+ #a descida é mais lenta do *ue a su$ida).

,- /0 1A2

E. 5ual foi a forma de onda da tensão induzida no indutor 4 *uando foi aplicada uma onda triangulaindutor 6+ 0$servando os gr ficos registrados! *ue relação matem tica associa estas duas funçNe

,- /0 1A2

J. 5ual foi a forma de onda da tensão induzida no indutor 4 *uando foi aplicada uma onda senoidalindutor ' +

,- /0 1A2

. alcule a razão entre o valor m ximo da tensão registrada no indutor 4 e o valor m ximo regisno indutor '. 5ual o significado fisico desta razão+

,- /0 1A2

4ª PARTE

'. -xpli*ue as diferenças o$servadas em função do tipo de placa de alum"nio em *uestão! utilizando seguintes conceitos2 a) da geração de correntes induzidas pelo movimento relativo entre um imuma $o$ina através da an lise da variação do fluxo do campo magnético lei de >arada? edeterminação do sentido da corrente induzida lei de Lenz e $) da força magnética so$recondutor de corrente .

,- /0 1A2 5uando a lbmina foi puxada para a direita o fluxo através do circuito diminuiu. De acorcom a lei de >arada? foi induzida uma corrente! no sentido &or rio no circuito! *uando soltamlbmina. 7ma vez *ue a corrente estava dirigida de$aixo para cima no ramo do circuito entre os pólocampo magnético exerceu so$re ela uma força para es*uerda se opondo ao movimento! conformenuncia a lei de Lenz. As correntes de >oucault anteriormente definidas produzem calor! o *ue cons


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na perda de pot(ncia. Além disso! o calor produzido deve ser dissipado para o exterior. Bo caso dlbminas maciças as correntes de >oucault ficaram confinadas as lbminas! logo a perda de pot(ncia grande! fazendo com *ue esta *uase não oscilasse. /ara a c&apa recortada! porém fec&ada! a correnteve menos rea para circular! criando uma pe*uena oscilação da lbmina. K para a lbmina porecortada! mas com extremidade a$erta! &ouve livre oscilação! pois podemos considerar um cira$erto! no *ual não & circulação de corrente.

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