Magnetism o

7/21/2019 Magnetism o

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS

INSTITUTO DE FÍSICALICENCEATURA EM FÍSICA

INSTRUMENTAÇÃO PARA O ENSINO DE FÍSICAIIMAGNETISMO

ANDRE DOS SANTOS ROSENDO

MACEIÓ 2014



Induçã M!"n#$%&!

O'()$%*+Verificar as formas de magnetização e materiais sensíveis ou não a

propriedade ferromagnética. Estudar o comportamento do campo magnético

produzido por imas, fio com corrente, solenoide com corrente. Comparação daintensidade destes campos magnéticos com o campo magnético terrestre local,por deflexões na agulha da ussola.

MATERIAS ULTILI,ADO+!regos, alfinetes, materiais a ase de ferro temperado, limalhas de ferro, etc.!edaços de "lumínio e Core.#ontes de alimentação$ussola#ios de ligação#io rígido

$oina, eletroímã%olenoide "mperímetro

FUNDAMENTACÃO TEÓRICA+& magnetismo tem origem no momento de dipolo magnético das

partículas elementares e no movimento de carga elétrica ou corrente elétrica.&s materiais ferromagnéticos podem apresentar normalmente um forte

magnetismo oservado em nosso dia a dia nos imas. Este magnetismo temorigem no momento de spin do elétron 'ue se agrupam em grande 'uantidadenum paralelismo rígido, para formar domínios de polarização magnéticadefinida. !or sua vez, 'uando estes domínios independentes, existentes emgrande 'uantidade na estrutura at(mica da matéria, mantém uma tend)nciapara o alinhamento de seus dipolos, temos uma magnetização forte oservadanos imas *materiais ferromagnéticos+. & efeito térmico na estrutura at(mica darede do meio material interfere e compete com este alinhamento, no sentido dedesordenar o alinhamento dos domínios.

os imas permanentes, a temperatura amiente, predominam estesalinhamentos sore o efeito térmico. & resultado da magnetização nos imas eum grande momento de dipolo resultante macrosc-pico, onde classificamoscada p-lo como norte e sul magnéticos. %endo a estrutura dipolar a mais

simples no magnetismo, este p-los amais se separarão, mesmo fragmentandoo material ao nível at(mico, encontraríamos ainda um momento de dipolo dospin eletr(nico. " corrente elétrica tamém origina uma magnetização dipolar e'uivalente, de forma a 'ue 'ual'uer 'ue sea sua origem, o campo magnéticoe sempre convergente de uma polarização para a outra com linhas de campofechadas. Esta converg)ncia do campo deve ser sempre oservada e édescrita na lei de "mp/re e na lei de 0auss do magnetismo.

!odemos impor uma magnetização permanente e forte em materiaisferromagnéticos através de tr)s processos1 por indução, mantendo o materialnuma região do campo magnético externo2 por contato com imas2 e por fricçãonuma direção definida do material. 3ependendo do tipo de ferro, esta forte

magnetização pode durar um longo ou curto intervalo de tempo. &utra forma de



se produzir um campo magnético com até grande intensidade, e pela correnteelétrica conforme descritos na lei de "spire.

4m momento de dipolo magnético de provas *a agulha de uma ussola,limalha de ferro, etc.+, interage com o campo magnético estilo, mantendo nestainteração o mesmo alinhamento desse campo estilo, de forma 'ue, o

posicionamento do dipolo magnético estaelece sempre a direção do campoestilo 'ue deseamos oservar.

" 5erra e um grande magneto *imã permanente+ de forma 'ue o campomagnético terrestre encontra6se sempre presente em todos os locais em tornoda sua superfície. &s p-los magnéticos terrestres mantém um alinhamentocom certa proximidade com o alinhamento dos p-los geogr7ficos, dai as suasdenominações. & magnetismo se encontra presente e ligado a muitos fatos denosso dia a dia. 3esempenhando um papel importante nas condiçõesamientais *lindagem da radiação c-smica sore a superfície da 5erra,evid8ncias na orientação de alguns p7ssaros e de micro6organismos, etc.+ etamém aparece em muitas aplicações tecnol-gicas 'ue usamos no cotidiano

moderno *reles, motores, magneto6cardiogramas, etc.+.

E-.)/%)n$ 1+C!. !"n#$%& ")/!d ./ u! &//)n$) )#$/%&! ) u % &ndu$/3

esse experimento construímos um e'uipamento com um fio de coreem formato retangular com suas extremidades ligadas a uma diferença depotencial produzida gerada por uma fonte, na 'ual a corrente 'ue passava por esse fio era uma corrente continua. & es'uema do experimento est7representado na figura 9 aaixo1

#igura 9Experimento 9

#onte1 0oogle imagens

:uando ligamos as extremidades do fio ; fonte de alimentação, uma

corrente elétrica percorreu o fio com o sentido mostrado na figura. !ela <ei de$iot6%avart, uma corrente, constante no tempo, 'ue percorre um fio longo geraum campo eletromagnético de características vetoriais, e seu modulo écalculado pela e'ução1

B= μ

0i

2πR

&nde1i é a corrente eletrica 'ue percorre o fio

R a dist=ncia do fio a um ponto 'ual'uer on 'ueira se medir a intensidade

do campo magnetico.



μ0 é a constante é a chamada permeailidade magnética do v7cuo.

Como a corrente é constante e se analisarmos a intensidade do campomagnético sempre considerando o v7cuo, teremos 'ue a intensidade do vetor campo magnético depende apenas da dist=ncia a 'ual se est7 medindo o

mesmo, ou sea, 'uanto mais distante da origem do campo magnético se medir menor ser7 sua intensidade e conse'uentemente 'uanto preto maior ela ser7.Concluindo a distancia e inversamente proporcional a intensidade do campomagnético.

!ara determinar o sentido do vetor campo magnético usa6se a regra damão direita, mostrada na figura aaixo1

#igura >1?egra da mão direito


Como vimos na figura > o campo magnetico gerado pele correnteelétrica circula o fio condutor o 'ual consideramos um fio muito longo paraeliminar o efeito de orda.

!ara mostrar a exist)ncia desse campo usamos uma @ssola mostrada

na figura 9. "proximamos a @ssola do fio procurando aproxima6la no meio deum dos lados do fio condutor para eleiminar o efeito de orda. "oparoximarmos a @ssola, perceemos 'ue a agulha da mesma comecou a semover e ; medida 'ue circul7vamos o fio com a @ssola o a agulha se moviasempre tentando apontar a mesma extremidade do fio. Com isso concluímos'ue houve uma atração entre o fio e a agulha da @ssola. " praximaçãosempre da mesma extremidade da agulha com o fio mostra outra característicado magnetismo, 'ue é a polaridade das extremidades de imã. Como uma dasextremidades da agulha sempre era atraída pelo fio podemos concluir 'ue aoutra extremidade era repelida e com isso a deduzimos 'ue h7 uma relaçãoentre as extremidades de uma imã 'ue é explicada pela polaridade de imãs, no

'ual todo imã tem dois p-los diferentes chamados de p-lo norte e p-lo sulmagnéticos. E pelas propriedades dos imãs p-los de mesmo nome se repelem

http://pt.wikipedia.org/wiki/Permeabilidade_do_v%C3%A1cuo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Permeabilidade_do_v%C3%A1cuo



e p-los de nomes diferentes se atraem. Com isso concluímos ainda 'ue o p-lonorte magnéico da terra é o p-lo sul geogr7fico e o p-lo sul magnético da terraé o p-lo norte geografico.

E-.)/%)n$ 2+

A /)!çã )n$/) ! /ç! !"n#$%&! d! $)//! ) ! /ç! !"n#$%&! d) u %ã

esse experimento analizamos a relação entre a forma magnética daterra com a força magnética de um imã em forma de arra. !ara isso utilizamosuma @ssola 'ue representa atravéz da tração da agulha da mesma, a forçamagnética 'ue a terra exerce sore os corpos.

#igura A?elação da força magnética da terra com a força magnética de um imã


!rimeiro colocamos a @ssola em uma posição 'ue o se alinhassemcorretamente a marcação dos p-los geogr7ficos com a agulha da @ssola.3epois aproximamos o imã com o seu p-lo norte apontado para o centro da@ssola fazendo com 'ue o p-lo sul magnético da agulha fosse atraído comuma força de atração magnética. Vimos 'ue 'uanto mais pr-ximo da @ssolacoloc7vamos o imã maior era a atração sofrida pela agulha, ou sea, 'uantomais perto da @ssola estava o imã a força de atração do imã ia superando afora de atração magnética da terra. "ssim determinamos uma posição em 'ueas forças eram exatamente iguais e essa posição foi com um =ngulo de BDentre as direções das forças de atração da terra e do imã. Vea a figura aaixo1

#igura B.?elação entre as forças magnéticas da terra e de um imã

S M

450

N M

S M

N G N G

N M

#onte1 "ndre dos %antos ?osendo. <aorat-rio de instrumentação para o ensino de #ísica. #F4#"<.



Com isso concluímos 'ue essa foi ; posição em 'ue as forças se

e'uivaleram, pois como o =ngulo foi de 450

os catetos do triangulo tamém

são iguais e conse'uentemente suas intensidades são iguais. Caso ocorra

alguma alteração nessa dist=ncia uma das forças ira prevalecer em relação ;outra. Como a força e inversamente proporcional a dist=ncia entre os corposconcluímos 'ue se aumentarmos a dist=ncia entre o imã e a @ssola a força deatração entre do imã diminui fincando com intensidade menor 'ue a força deatração magnética da terra.

"ssim concluímos 'ue a força de atração magnética além da intensidadedo campo magnético depende tamém da dist=ncia entre 'ue os corpos estãoda 7rea onde o campo est7 agindo. Concluímos ainda 'ue 'uando colocamosdois corpos com propriedades magnéticas haver7 uma força magnéticaresultante entre as forças 'ue cada uma exerce sore o outro e essa resultantedepende da dist=ncia e da posição entre os corpos.

EPERIMENTO 5+

FORMAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA

5oda forma de geração de energia elétrica 'ue conhecemos e 'ue ahumanidade utiliza para gerar energia a todo o mundo se d7 por tr)s processos'ue são1 " indução magnética, :uimicamente pelas reações de -xido6reduçãoe %olar com as Células #otovoltaicas.

Induçã !"n#$%&!+&etivos1Gostrar 'ualitativamente o fen(meno da indução descrito pela lei de #arad.9B8, associando as aplicações tecnol-gicas como a da geração de energiaelétrica corrente alternada e o funcionamento dos transformadores. Gostrar ofuncionamento diodo na retificação da corrente alternada para o continua e odo capacitor com a função de um filtro regulador da tensão econse'uentemente da corrente *mantendo estes par=metro pr-ximo de umvalor est7vel constante+.

" geração de energia pelo processo de indução magnética é

asicamente de transformar alguém tipo de energia em energia mec=nica 'uepossiilite girar um mecanismo, no 'ual esse movimento induza a geração deuma corrente elétrica 'ue ser7 captada e usada para a utilização nas maisdiversas situações.

" forma mais usada de transformar energia mec=nica em energiaelétrica são as usinas hidrelétricas, 'ue utiliza a 'ue da 7gua de umadeterminada altura, ou sea, a energia potencial para fazer girar os mecanismos'ue far7 induzir a corrente por meio da indução magnética. H7 ainda outrasmaneiras de se oter esse tipo de indução magnética e 'ue utilizam o mesmoprincipio, como por exemplo, a utilização dos ventos para gerar energiamec=nica 'ue por sua vez far7 o mesmo processo de fazer girar o mecanismoe induzir a corrente elétrica por meio da indução magnética.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rea%C3%A7%C3%A3o_qu%C3%ADmica

http://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_oxida%C3%A7%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Redu%C3%A7%C3%A3o






&utra forma de transformar energia mec=nica em energia elétrica são astermoelétricas 'ue para fazer girar o mecanismo 'ue propicia a induçãomagnética utiliza6se de energia térmica por meio de vapor 'ue far7, através dapressão desse vapor, o papel de girar esse mecanismo.

!ara demostrar a corrente elétrica gerada por meio da indução

magnética, fizemos um experimento, no 'ual, a partir de um campo magnéticoinduzimos uma corrente elétrica em um a oina.

Gateriais utilizados1

• 3uas oinas2

• 4m amperímetro2

• 4m prego2

• #ios para as ligações2

• 4ma fonte de alimentação de tensão.

o primeiro momento o oetivo foi mostrar a partir da indução

magnética a geração de corrente elétrica com o auxílio de um imã, uma oinae um amperímetro anal-gico. !rimeiro ligamos cada uma das extremidadesdos fios da oina ao amperímetro, em seguida aproximamos e afastamos oimã apontado com de seus p-los para o centro da oina, vea a figura aaixo1

0eração de corrente por indução magnética #igura

?oteiro de nstrumentação para o Ensino de #ísica6 #F4#"<

"o aproximarmos e afastarmos o imã da oina oservamos 'ue houvea geração de corrente elétrica com o auxílio do amperímetro. Esse fen(menode gerar uma corrente ao aproximar e afastar o imã de uma oina é definidocomo a <ei de #aradaI 'ue diz1 a taxa de variação do fluxo magnético atravésde uma oina ao longo do tempo faz gerar uma corrente induzida chamada deforça eletromotriz e 'ue e 'ue pode ser escrita da seguinte maneira1

ε=−dφ

dt

&nde1 φ é o fluxo magnético 'ue é calculado por1

φ=B . A .cosθ

Como a pr-pria e'uação mostra, 'uanto maior a variação do fluxomagnético ao longo do tempo, maior a força eletromotriz, ou sea, 'uanto maisr7pido for o movimento de aproximação e afastamento do imã em relação ;oina maior ser7 o fluxo e conse'uentemente ser7 a força eletro motriz.

Vimos tamém 'ue o sinal da força eletromotriz variava aoaproximarmos e afastarmos o imã da oina e a essa mudança de sentido da



força eletromotriz, a 'ual denotamos o sinal negativo, da e'uação e definidacomo a <ei de <enz.

&utro aspecto importante 'ue tamém foi oservado no experimento foi'ue 'uando deixamos o imã parado e movimentamos a oina fazendo oprocesso de aproximação e afastamento em relação ao imã, tamém foi

gerada uma força eletromotriz. &u sea, para gerara força eletromotriz astaapenas variar um dos dois, o imã ou a oina.

esse experimento vimos como foi gerada uma força eletromotriz apartir do movimento de um imã pr-ximo a uma oina e 'ue esse movimentode aproximação e afastamento produz forças de sentidos diferentes, ou sea, osinal da força eletromotriz depende do sentido do movimento do imã emrelação ; oina.

o segundo momento, tendo o conceito de geração de força eletromotrizconstruído, utilizamos esse conceito para, induzir a força eletromotriz em outraoina, a partir de uma oina ligada em uma fonte de alimentação. Vea figuraaaixo1

#igura J0eração de corrente por indução magnética

?oteiro de nstrumentação para o Ensino de #ísica6 #F4#"<

&serve na figura 'ue a oina prim7ria esta ligada a fonte dealimentação, onde ocorre o processo inverso do primeiro experimento 'uandousamos um campo magnético para gerar uma força eletromotriz, a'ui temos aforça eletromotriz, fornecida pela fonte, e iremos gerar o campoeletromagnético. Esse campo eletromagnético gerado nessa oina prim7ria,'ue não tem contato algum com a oina secund7ria, induziu uma forçaeletromotriz na segunda oina por indução magnética, fazendo com 'ue essagerasse uma força eletromotriz 'ue foi detectada pela medição do

amperímetro.!erceemos 'ue em amos os experimentos 'ue parte da energia

gerada foi perdida ao longo do percurso da corrente elétrica pela oina. Essapercepção foi feita ao vermos 'ue a oina es'uentou, ou sea, perdeu energiapor efeito oule.

S!/ & !6 C#u!6 F$*$!%&!6+

&etivos1&servar fenomenologicamente o efeito fotovoltaico, e efetuar medidas comafinalidade de determinar a efici)ncia desta célula, usando a relação entre apot)ncia de incid)ncia de luz na célula com a potencia de energia elétricaproduzida.



#undamentação te-rica1

Nos sistemas fotovoltaicos a radiação solar é convertida em energia

eléctrica por intermédio dos chamados semicondutores, que são configurados

em elementos denominados células fotovoltaicas. Os semicondutores feitos de

silício são os mais usados na construção das células e o seu rendimento

possível razoável é, atualmente, de cerca de 25% a 30%. Uma vez que cada

célula produz uma corrente contínua de intensidade relativamente fraca,

procede-se à sua associação para obter, após encapsulamento, um conjunto

denominado módulo fotovoltaica. O agrupamento de módulos, colocados numa

mesma estrutura de suporte, forma um painel. Quando incide luz solar com

energia suficiente sobre estas estruturas, produz-se uma corrente de eletros,

obtendo-se assim energia eléctrica utilizável.

Gaterial 4tilizado1

• <=mpada de 100W 2

• Célula solar2

• Gultímetro2

esse experimento colocamos uma célula solar para captar a energia

luminosa de uma l=mpada de 100W 'ue fez o papel do sol. 3epois ligamos

as extremidades dos fios 'ue da célula sola ao multímetro para, primeiroverificar se gerou corrente elétrica e tensão. 3epois fizemos as mediçõesdessas grandezas e verificamos 'ual a pot)ncia da célula.

#igura KExperimento de geração de corrente elétrica por Célula #otovoltaica

#onte1 0oogle imagens.

#izemos as medições e verificamos 'ue houve uma detecção tanto decorrente elétrica como de tensão elétrica, com isso, mostramos 'ue energiasolar foi transformada em energia luminosa em energia elétrica. Vimos ainda

'ue parte dessa energia foi perdida em forma de calor, ou sea, por efeito oule.

Voltímetro

EAmperímetr

Célula



Gedidas da tensão e corrente elétrica1

5ensão1 V =6,5V

Corrente1 i=6,5 μA

Calculo da pot)ncia1 P=V . i

P=(6,5)(6,5. μ)

P=42,25 μW

&u sea, a pot)ncia de geração de energia da Célula #otovoltaica foi de42,25 μW .

7u%%&!)n$) .)!6 /)!ç8)6 d) 9-%d:/)duçã

&etivo1Verificar a geração de energia por meio das reações 'uímicas de soluções7cidas.

#undamentação te-rica1 " tend)ncia de perder ou doar elétrons das sust=ncias, visando o

e'uilírio, gera um tema de estudo na 'uímica, conhecido como Eletroquímica.?eações de oxirredução tanto podem gerar corrente elétrica, como sereminiciadas por uma corrente elétrica. Esta @ltima recee o nome especial deeletrólise, e a primeira é respons7vel pelos dispositivos conhecidos como

pilhas, aterias e acumuladores.

o experimento colocamos em um recipiente de pl7stico uma soluçãocom 7gua e suco de limão. 3epois colocamos duas hastes de materialcondutor dentro desse recipiente e ligamos a cada um deles um fio 'ueposteriormente foram ligados aos terminais do multímetro. Com o experimentomontado verificamos se houve geração de corrente elétrica e a tensão elétricaa partir das reações 'uímicas da solução. Vea o es'uema do experimentoaaixo1

#igura 80eração de energia pelo processo 'uímico

Água com suco de









#onte1 0oogle imagens.

&servamos 'ue foi gerada corrente e tensão elétrica e com issodeterminamos a potencia de geração de energia da solução.Gedidas da tensão e corrente elétrica1

5ensão1 V =6mV V

Corrente1i=27 μA

Calculo da pot)ncia1 P=V . i

P=(6m)(27 μ)

P=162 μW

&u sea, a pot)ncia de geração de energia da Célula #otovoltaica foi de162ηW .

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