LABORATÓRIO – MOVIMENTO DE TERRA E PAVIMENTAÇÃO
ELETRO – EXPERIÊNCIA 6
I. TÍTULO: NOÇÕES DE ELETROMAGNETISMO
II. OBJETIVO: Verificar experimentalmente os fenômenos básicos em eletromagnetismo e suas
principais leis.
III. INTRODUÇÃO:
Conceito teórico
1) Existem na Natureza, dois tipos de forças, a saber:
Forças de contato
Forças de campo
Estas últimas são forças que não necessitam de contato físico entre a fonte da força e o corpo
que sofre sua ação para a força se transmita. Temos como exemplo mais conhecido a força
gravitacional: não é preciso que haja contato entre a Terra e um corpo para que surja peso neste último.
As cargas elétricas também dão origem a forças de campo: é o campo elétrico, cuja ação se dá
de maneira a repelir cargas de mesmo sinal (ambas positivas ou negativas) e atrair cargas de sinais
contrários.
Uma terceira força de campo que conhecemos é a força magnética, que surge naturalmente a
partir de certos materiais, alguns minérios de ferro, como a magnetita, por exemplo. Uma propriedade
interessante desse campo é que sua ação tem lugar preferencialmente em materiais ferrosos, conhecidos
por essa causa como materiais ferromagnéticos.
LIMALHA
DE FERRO
S
N
VIDRO OU
PLÁSTICO
IMÃ
figura 1.a
figura 1.b
Estilizando-se o desenho feito pela limalha de ferro, obtemos a figura 2:
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LINHA DE CAMPO OU
LINHA DE FLUXO
N
S
figura 2
Um fato interessante, digno de menção, é a existência de uma orientação do campo: o campo
magnético é dotado de direção e sentido. Isso se deve ao fato de os ímãs serem polarizados, isto é,
terem um norte e um sul.
Vamos considerar as linhas desenhadas na fig. 2, a partir do contorno feito pelas limalhas:
denominá-las-emos de linhas de campo ou linhas de fluxo magnético e vamos orientá-las de maneira
que elas nasçam no pólo sul. Isso dá a idéia de que o campo magnético flui do norte para o sul, como
um fluído: daí o nome fluxo magnético.
O magnetismo produz diversos efeitos úteis que, podem resultar em aplicações práticas.
Portanto, para que possamos utilizá-lo tecnologicamente, precisamos caracterizá-lo em termos
quantitativos.
Para medir a intensidade de um campo magnético precisamos, antes de tudo, estabelecer um
padrão, o qual diremos ter intensidade unitária.
Vamos, assim, estabelecer um padrão para o fluxo magnético e chamá-lo de weber.
Representaremos o fluxo pela letra grega ϕ (phi).
Consideremos uma região do espaço preenchida uniformemente por um fluxo magnético ϕ (wb)
– fig. 3 . Vamos criar um vetor que tenha a mesma orientação do fluxo magnético e cuja intensidade
seja igual à densidade de linhas de fluxo por unidade de área.
LINHA DE CAMPO OU
LINHA DE FLUXO
N
B
S
SUPERFÍCIE S
B=
∆ϕ  weber 


∆S  m 2 
figura 3
r
Chamemos esse vetor B de vetor indução magnética. Ele nos dará uma idéia da distribuição e
orientação do campo magnético no espaço.
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Assim, diremos que um campo magnético é tanto mais intenso quando maior for o valor de B,
ou seja, quanto mais linhas de fluxo ϕ atravessarem uma dada área ∆S. (fig. 4)
B
LINHA DE CAMPO OU
LINHA DE FLUXO
SUPERFÍCIE S
ϕ
B’
LINHA DE CAMPO OU
LINHA DE FLUXO
SUPERFÍCIE S
ϕ’
B’ > B
figura 4
Assim, sendo, podemos presumir que o valor de B irá depender do ângulo formado pela
superfície ∆S. e as linhas de fluxo, como vemos na fig. 5:
B=
θ
∆ϕ
∆S
θ
B’ =
∆ϕ’
∆S
θ
SUPERFÍCIE S
∆ϕ
∆ϕ’
figura 5
Na fig. 5 a área ∆S é sempre a mesma, mudando apenas sua inclinação em relação às linhas de
fluxo.
Como dissemos acima, isso pode acarretara o problema de que dependeria da inclinação de ∆S.
Para evitar isso, vamos definir B usando sempre uma área normal às linhas de fluxo.
Dessa forma, se B é a intensidade do campo magnético de uma região do espaço, podemos
calcular o fluxo magnético correspondente que atravessa uma área S com uma inclinação θ qualquer
(fig. 6).
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θ
B=
ϕ
S . cos θ
NORMAL À
SUPERFÍCIE S
θ
B
B
figura 6
Logo:
ϕ = B . S . cos θ
2) Efeito magnético da corrente elétrica
Em 1820, Oersted observou pela primeira vez que a corrente elétrica produz um campo
magnético nas vizinhanças do condutor em que circula.
Tendo deixado uma bússola próxima de um fio com que executava experiência de eletricidade,
ele observou que, ao ligar a chave que fechava o circuito, a agulha imantada da bússola sofria uma
nítida deflexão, orientação perpendicular ao fio, sugerindo que as linhas de fluxo fossem
circunferências em torno do fio, como indicado na fig. 7, a seguir.
I
I
I
BATERIA
I
I
BÚSSOLA
figura 7
LINHA DE
CAMPO
MAGNÉTICO
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As linhas de fluxo magnético produzido por um fio sempre envolvem o fio, de modo que, se
juntarmos os extremos de um segmento do fio de maneira que se forme uma espira, teremos as linhas
de fluxo envolvidas pela espira (fig 8).
ϕ
I
B
ϕ
A
I
I
B
I
A
figura 8
O desenho das linhas de fluxo visto na fig 8 geralmente é utilizado como o da fig 9a. Da fig 9b,
conclui-se que o campo magnético produzido pela corrente na espira é normal ao plano da espira, no
centro da mesma.
B
B
B
ϕ
I
I
I
figura 9.a
I
figura 9.b
Podemos admitir que uma espira percorrida por uma corrente seja equivalente ao plano de
espira e com orientação dos pólos compatível com o sentido do fluxo na espira. (fig 10)
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ϕ
ϕ
N
S
I
I
figura 10
Essa equivalência pode ser melhor entendida desenvolvendo-se um modelo de escala
microscópica para o magnetismo do ímã.
Os elétrons em movimento em torno do núcleo atômico produzem uma corrente elétrica
(lembrar que corrente é o movimento ordenado de cargas elétricas) Se encararmos essa corrente como
uma pequena espira, de dimensões atômicas, podemos associar à mesma um pequeno campo
magnético, como na fig 9 (v. fig. 11):
Bat
I
NÚCLEO
ELÉTRON
I
figura 11
Se agruparmos milhares de átomos de modo que seus pequenos campos Bat fiquem paralelos,
eles se somarão produzindo um campo conjunto de intensidade razoável.
Em um material qualquer, existem grupos de átomos que possuem campos Bat com mesma
orientação. Esses grupos denomina-se “domínios magnéticos” . (fig 12)
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Btotal = ΣBat
Bat
Bat
Bat
Bat
figura 12
A obtenção de um ímã permanente baseia-se na orientação desses domínios magnéticos de
modo a deixar todos os seus campos paralelos e no mesmo sentido. Tal processo requer o consumo de
uma certa energia necessária para orientar esses campos e recebe o nome de magnetizado.
Naturalmente, nem todos os materiais são facilmente magnetizáveis. Os materiais de fácil
magnetização são os materiais ferrosos, por essa razão denominados ferromagnéticos.
O parâmetro que caracteriza a facilidade de orientar os domínios magnéticos de um material
recebe o nome de permeabilidade magnética. Essa denominação provém da propriedade de um material
de alta permeabilidade ser “permeável” ao fluxomagnético, ou seja, “ser facilmente atravessado pelo
fluxo magnético”. A permeabilidade é representada pela letra µ.. (Fig. 13)
FONTE DE
FLUXO
MAGNÉTICO
ϕ
ϕ
DESLOCAMENTO
ORIENTAÇÃO DOS
DOMÍNIOS MAGNÉTICOS
figura 13
Os materiais ferromagnéticos, devido à sua alta permeabilidade, agem como “bons condutores”
de fluxo magnético e são empregados em máquinas elétricas para reduzir a dispersão do fluxo
magnético. (fig. 14)
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NÚCLEO
FERROMAGNÉTICO
ϕ
I
BLOCO DE MATERIAL
FERROMAGNÉTICO
O FLUXO ORIENTA OS DOMÍNIOS
MAGNÉTICOS FAVORAVELMENTE
FLUXO
DISPERSO
FLUXO
MAGNÉTICO (ϕ)
figura 14
Definimos a grandeza auto-indutância, ou indutância própria, ou simplesmente, indutância,
como sendo a relação entre o fluxo magnético e a intensidade da corrente que o produziu: (fig 15).
ϕ
I
INDUTÂNCIA (L):
L
L=
ϕ
I
(henry, H)
figura 15
Devido {a sua baixa permeabilidade magnética, os materiais ferromagnéticos permitem que se
produza um fluxo considerável em seu meio: devido a esse fato, indutores de núcleo ferromagnético
possuem indutância nitidamente maior do que indutores de “núcleo” de ar. ( fig 16).
ϕferro
I
ϕar
I
INDUTOR COM
NÚCLEO
FERROMAGNÉTICO
ALTO VALOR DE
FLUXO ϕ FACILMENTE
ESTABELECIDO
ALTO VALOR DE
INDUTÂNCIA (L):
INDUTOR COM
NÚCLEO DE AR
L=
figura 16
ϕferro
I
(henry, H)
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Aspectos dinâmicos do campo magnético
O campo magnético também oferece efeitos dinâmicos: é largamente conhecido o fenômeno de atração
e repulsão entre pólos magnéticos.
Uma vez que a corrente elétrica produz campos magnéticos, surgem aplicações interessantes dos
efeitos dinâmicos que esses campos possam vir a produzis. Eis alguns deles:
-
eletroímãs, contatores ;
relés;
instrumentos de medidas analógicos ( galvanômetro, aparelhos de ferro móvel, aparelhos
eletrodinamométricos)
Indução eletromagnética
Mostramos que uma grandeza elétrica, no caso a corrente, produz um campo magnético. Isso sugere
que o campo magnético possa, por sua vez, produzir um efeito elétrico.
Faraday foi quem primeiramente investigou e caracterizou esse efeito. Ele observou o seguinte:
1º) Introduzindo-se um campo magnético constante nas proximidades de uma bobina, nenhum efeito
elétrico se observa.
2º) Variando-se o fluxo magnético constante nas proximidades de uma bobina, observa-se uma tensão
uma tensão aos terminais da bobina que é tanto maior quanto mais rápida for a variação do fluxo,
sugerindo a expressão:
v(t) = dϕ
dt
onde v(t) = tensão ou força eletromotriz induzida nos terminais da bobina.
Lei de Lenz
v(t) = - dϕ
dt
Há duas formas de se produzir a variação do fluxo ϕ:
1º) Movimentando-se a fonte de fluxo magnético de modo que o número de linhas de fluxo que
atravessa a bobina receptora varia com o tempo (fig. 17a e 17b).
2º) Produzindo-se o fluxo magnético a partir de uma bobina alimentada com corrente variável com o
tempo, o que produz um fluxo que, por si só é variável com o tempo também. (fig. 17c)
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ϕconstante
ϕconstante
N
N
v(t)
v(t)
V
S
V
S
MOVIMENTO
MOVIMENTO
figura 17a
ϕconstante
v(t)
E
ϕconstante
V
v(t)
E
MOVIMENTO
MOVIMENTO
figura 17b
ϕalternado
v(t)
vG(t)
Tensão
Alternada
Não é necessário haver movimento.
O fluxo magnético ϕ é variável no tempo.
figura 17c
V
V
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VI. PARTE EXPERIMENTAL
Material Utilizado:
a) Transformador monofásico didático (quatro bobinas principais e uma bobina auxiliar);
b) 1 variac;
c) 2 amperímetros;
d) 2 voltímetros AC;
e) 2 wattímetros;
f) 1 painel com três lâmpadas;
f) fios flexíveis com pinos banana-banana;
IV Parte Experimental
Os alunos deverão se distribuir em 4 grupos. Cada grupo deve passar em cada uma das 4
bancadas, realizar os respectivos experimentos e anotar os resultados (fazendo um rodízio pelas
bancadas ).
Bancada 1
Visualização do campo magnético
Para tal o aluno deverá tomar uma pequena quantidade de limalha de ferro finamente dividido (pó) e
espalha-se sobre uma folha de papel sob a qual foi colocado um ímã, e deverá observar que a limalha
irá depositar-se sobre a folha, distribuindo-se segundo a orientação definida. Vide fig. 1
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Bancada 2
Efeito magnético da corrente elétrica (Oersted). (vide fig. 7)
I
Linha de
Campo
Magnético
Bússola
Reostato
Fonte C.C.
O aluno deverá observar:
a) Deflexão da agulha magnética que quando ligado o circuito esta deverá posicionar-se
perpendicularmente ao fio por onde passa a corrente e que se deslocarmos a agulha de modo a
circundar o fio, sua orientação permanecerá perpendicular ao fio.
b) Ao aproximarmos um ímã do fio por onde circula a corrente este fio será atraído ou repelido pelo
ímã dependendo da polaridade imposta, provando assim que ao redor do fio está criado um campo
de origem magnética.
Bancada 3
Indução eletromagnética
(Comprovação da Lei de Farady)
O aluno deverá verificar:
a) O que ocorre no voltímetro ligado à uma bobina quando colocamos esta em contato com um campo
magnético constante (ímã parado).
ϕconstante
N
v(t)
S
Imã parado
V
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b) O que ocorre neste mesmo voltímetro se agora movimentarmos o ímã.
ϕconstante
ϕconstante
N
N
v(t)
v(t)
V
S
V
S
MOVIMENTO
MOVIMENTO
Obs: verifique o que acontece se aumentarmos a velocidade deste movimento.
c) O que ocorre no voltímetro se colocarmos em contato a bobina com uma outra bobina alimentada
com tensão contínua e movimentar uma das bobinas.
ϕconstante
v(t)
E
MOVIMENTO
ϕconstante
V
v(t)
E
V
MOVIMENTO
d) O que ocorre no voltímetro se colocarmos em contato a bobina com uma outra bobina alimentada
com tensão alternada.
ϕalternado
vG(t)
Tensão
Alternada
Obs: não há necessidade de movimento. O fluxo é variável no tempo.
v(t)
V
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Bancada 4
Eletroímã
(Aplicações de eletromagnetismo)
a) o aluno constatará a utilização prática das propriedades ferro-magnéticas, ou seja, ao aplicar
corrente a uma bobina observará a criação de um campo magnético que pode ser tão intensa a ponto
de construirmos grandes eletroímãs para ser utilizado em siderúrgicas, para transporte de grandes
quantidades de ferro para ser fundido.
b) Deverá verificar;
b.1) o que ocorre quando alimentarmos o eletroímã com C.C. .
Peça A
E
Peça B
b.1.1) Após unida a peça A com a peça B desligue a fonte e veja o que ocorre.
b.1.2) Experimente puxar a peça A para soltar-se de B.
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b2) o que ocorre quando alimentamos o eletroímã com C.A.
Peça A
Peça B
vG(t)
Obs: Verifique se a peça vibra quando a alimentação é em C.C. ou em C.A..
Repita os itens b.1.1 e b.1.2.
Bancada 5
Gerador de tensão alternada
Nesta Bancada o aluno poderá observar a forma de onda através do “osciloscópio” que esta sendo
obtida de um gerador de tensão alternada didático.
Montagem:
OSCILOSCÓPIO
GERADOR DIDÁTICO
Obs: “osciloscópio” é um aparelho que serve para observar e efetuar medidas de grandezas elétricas.
Podemos através de sua tela medir período, valor máximo, etc .
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Procedimento:
1) O osciloscópio já se encontra calibrado, portanto, você deverá apenas ligar o disjuntos da bancada.
NÃO MEXA em mais nenhum botão do aparelho (osciloscópio).
2) Para se gerar tensão alternada há necessidade de se Ter variação de campo magnético, através do
movimento da alavanca presa ao gerador, teremos essa variação. Mexa a alavanca e observe na tela
do osciloscópio que surgirá uma onda senoidal, conforme a forma da tensão alternada.
3) Conte quantos quadradinhos na vertical ocupa a forma de onda, multiplique pelo valor de cada
divisão e terá como resultado o valor máximo da tensão que esta sendo gerada.
Exemplo:
Valor de cada divisão (quadradinho) sentido vertical: 5
2 x 5 = 10
Vmáx = 10V
4) Faça a mesma coisa na horizontal, conte quantos quadradinhos ocupa o período dessa forma de
onda, dessa forma de onda, o inverso desse valor será a freqüência.
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MODALIDADE_______________________________ TURNO:__________ DATA:_____/_____/_____
NOME:________________________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________
NOME:________________________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________
NOME:________________________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________
NOME:________________________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________
NOME:________________________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________
1) Que tipo de material tem facilidade para adquirir propriedades magnéticas?
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
2) Qual é a orientação das linhas de campo magnético em um ímã?
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
3) Qual é o efeito que em 1820, Oersted observou?
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__________________________________________________________________________________
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4) O que ocorre ao se introduzir um campo magnético constante nas proximidades de uma bobina? E
quando variamos o fluxo magnético através dessa mesma bobina? Quem observou primeiro esses
comportamentos?
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__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
5)Alimentando-se o circuito abaixo com uma tensão alternada, observou-se uma outra tensão também
alternada no voltímetro apesar de o circuito estar isolado eletricamente. Como se explica o fato de se
conseguir uma tensão no voltímetro?
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