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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

Oficina Eletromagnetismo

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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

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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.

Material Utilizado :

Ímã

Espira condutora

Amperímetro

Fios condutores

Procedimento Experimental:

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 observa-

se registro de corrente elétrica no amperímetro. Mantendo-se o imã em repouso a marcação no

amperímetro é nula.

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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.

Para refletir:

1) Como você explicaria, de uma forma simples, o porquê da relação entre a lei de Lenz e o

princípio de conservação de energia?

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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?

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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.

Material Utilizado :

Anel metálico (ALUMINIO OU COBRE..)

Bobina primária

Núcleo metálico instalado sobre a bobina

Procedimento Experimental:

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.

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Para refletir:

1) Por que o anel aquece ao ser aproximado da base do núcleo metálico?

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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?

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4. Forno de Indução (Magnético)

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

Material Utilizado :

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.

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Procedimento Experimental:

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.

Para refletir :

1) É preciso usar uma tensão alternada ou pode-se usar uma fonte de tensão contínua para

essa experiência?

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2) Explique os processos de envolvidos no aquecimento da água, relacionando com as

indutâncias das bobinas.

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5. Freio Magnético

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

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Material Utilizado :

Aparato com cano PVC e um cano metálico

“pentes” metálicos (com abertura e fechado)

Ímãs

Observação: fabricação industrial

Procedimento Experimental:

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).

Para refletir :

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

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2) Existe algum efeito térmico nas hastes?

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6. Motor elétrico.

Objetivo: observação de transformação de energia mecânica em elétrica.

Material Utilizado:

Correia e manivela para dar início ao movimento

Bobinas

Lâmpadas

Fios

Ímãs

Procedimento Experimental:

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:

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2

2

1mvEc = ,

onde Ec 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:

=+= pcM EEE 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

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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.

Para refletir :

1) Será que o funcionamento dos motores elétricos que temos em nossas casas é semelhante

ao observado no experimento?

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2) Explique como seria o motor com corrente contínua.

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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).

Material Utilizado :

Folhas de mica (prateadas e enegrecidas com fuligem)

Bulbo de vidro contendo ar rarefeito

Observação: fabricação industrial

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Procedimento Experimental:

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:

c

Up =

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

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refletida, o momento transferido será o dobro do caso da absorção.

c

Up .2=

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.

Para refletir :

1) O que acontece quando o radiômetro é aquecido na ausência de uma fonte de luz?

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2) Explique de maneira simples, o porquê de o lado escuro avançar (girar as plaquinhas pelo

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lado escuro e não o prateado).

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3) Este fenômeno seria observado no vácuo

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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.

Material Utilizado :

Telefone celular

Corpo metálico fechado – Ex: Lata de leite.

Procedimento Experimental:

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.

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Para refletir :

1) Por que as antenas dos carros se localizam na parte externa do veículo?

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2) Se a lata de leite utilizada possuísse tampa plástica o efeito de blindagem seria observado?

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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.

Material Utilizado :

Globo industrializado contendo:.

Plasma (hélio e neônio).

Ânodo (bola escura do centro) e catodo (vidro)

Procedimento Experimental:

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

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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.

Para refletir :

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

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2) Preste atenção e descubra se esse fenômeno tem algo em comum com um famoso

fenômeno da natureza.

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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.

Material Utilizado :

Cuba Eletrolítica

Fonte e fios

LED'S

Água e sal

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Procedimento Experimental:

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.

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Para refletir : 1) Qual a semelhança entre o funcionamento de uma pilha e de um LED?

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