campos magneticos...................., Slides de Física para Ensino Médio

Baixe campos magneticos.................... e outras Slides em PDF para Física para Ensino Médio, somente na Docsity! OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... 140 1 Identifique três tipos de campos de forças. 2 Como é possível detectar a existência de um campo gravitacional? E de um campo eléctrico? 3 O que é um espectro de um campo de forças? 4 Como se pode obter o espectro de um campo de forças eléctricas? Espectro do campo magnético criado por um íman em barra, obtido polvilhando limalha de ferro. A orientação da limalha define as linhas de força do campo magnético. O campo é mais intenso nas zonas em que as linhas estão mais concentradas. Espectro de um campo eléctrico criado por dois pólos eléctricos, com cargas de sinal diferente, obtido com pequenos grãos de trigo. A orientação dos grãos define as linhas de força do campo eléctrico. O campo é mais intenso nas zonas em que as linhas estão mais concentradas. Por exemplo, o campo é mais intenso em A do que em B. Campo magnético e campo eléctrico Uma experiência muito simples permite ilustrar a ideia de campo de forças. Polvilhando com limalha de ferro um vidro colocado sobre um ou vários ímanes, observa-se um espectro magnético, isto é uma dis- tribuição regular da limalha em torno dos ímanes. A disposição da limalha evidencia linhas de força do campo magnético. O campo de forças é mais intenso nas zonas onde as linhas de força são mais concen- tradas. Foram experiências como esta que conduziram Michael Faraday (1791–1867) à ideia de campo de forças. Com ou sem limalha de ferro, o íman modifica as propriedades do espaço em seu redor. Em qualquer ponto do espaço que circunda o íman surgem forças a actuar no pedacinho de limalha que lá se situar. Estas forças variam segundo um padrão característico e não aleatoriamente. O campo magnético pode ser criado por ímanes ou por correntes eléctricas, como veremos adiante. Há outros tipos de campos, como por exemplo os campos gravitacionais e os campos eléctricos. Um campo gravitacional é criado por qualquer objecto com massa e um campo eléctrico por qualquer objecto com carga eléctrica não nula. Um exemplo de campo gravitacional é o campo criado pelo Sol. É este campo que exerce forças nos planetas do Sistema Solar. O campo gravi- tacional da Terra actua sobre todos os corpos na Terra, sobre a Lua, sobre os satélites artificiais, etc. Os campos eléctricos podem ser visualizados através da disposição de pequenos grãos (por exemplo, de sêmola de trigo) mergulhados num óleo no qual se colocaram eléctrodos ligados a fontes eléctricas. A dis- posição dos pequenos grãos evidencia linhas de força do campo eléctrico. O campo de forças é mais in- tenso nas zonas onde as linhas de força são mais con- centradas. Em geral, a intensidade do campo de forças diminui à medida que aumenta a distância ao objecto que criou o campo. A B 141 OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... A foto mostra um espectro de um campo eléctrico obtido numa zona onde se encontram dois objectos, um circular e outro linear, ambos carregados electricamente. 1 Em qual dos pontos A, B, C ou D é maior a intensidade do campo eléctrico? Fundamente a resposta. 2 A carga eléctrica dos corpos é do mesmo tipo ou de tipos diferentes? Fundamente a resposta. 3 No interior do objecto circular não parece existir linhas de campo. Que se poderá concluir acerca da intensidade do campo eléctrico nessa zona? Os campos eléctricos e os campos magnéticos podem ser caracterizadas por grandezas físicas. Os nome dessas grandezas são idênticos aos nomes dos cam- pos. Por exemplo, a grandeza física campo eléctrico, que se representa por  E (é uma grandeza vecto- rial) está relacionada quer com a força eléctrica que se exerce sobre qualquer carga colocada no campo quer com a energia potencial associada a essa carga quando fica sob a acção do campo. A unidade SI de campo eléctrico é o volt por metro (V/m). Um campo eléctrico criado num dispositivo para obtenção de es- pectros, como o da figura da página anterior, pode atingir milhares de volt por metro. A grandeza física campo magnético, que se re- presenta por  B (é também uma grandeza vectorial) dá-nos o mesmo tipo de informação acerca de cada ponto do espaço onde se faz sentir o campo magné- tico. Isto é, está relacionada com a força exercida so- bre outros ímanes que sejam colocados em qualquer ponto do campo magnético. A unidade SI de campo magnético é o tesla (símbolo T). O campo magnético terrestre é de apenas algu- mas dezenas de microteslas. Em Portugal, vale cerca de 40 mT = 0,000040 T. O campo magnético criado por ímanes é muito mais intenso, sendo tanto mais intenso quanto mais próximo se estiver do íman. Um valor típico é cerca de 0,01 T. Mas há campos mag- néticos muito mais intensos como os utilizados para obter imagens médicas nos aparelhos de ressonância magnética, que podem atingir vários teslas, ou os campos magnéticos nas estrelas de neutrões, que po- dem atingir milhões de teslas... Campos eléctricos e campos magnéticos: unidades SI Os campos magnéticos são muito utilizados em diagnóstico médico. As propriedades magnéticas das partículas dos átomos podem ser modificadas por campos magnéticos e, com o auxílio de ondas de rádio, sensores e computadores é possível identificar essas alterações, possibilitando a visualização de certas estruturas no interior do corpo humano. Um sensor de campo magnético que pode ser ligado a um sistema de aquisição de dados. A B C D OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... 144 Linhas de campo magnético em campos criados por ímanes e em campos criados por correntes eléctricas As interacções entre pólos magnéticos têm semelhanças e diferenças com as interacções eléctricas. Por exemplo, pólos magnéticos do mesmo tipo repelem-se e pólos magnéticos de tipo diferente atraem-se, tal como as cargas eléctricas se podem atrair ou repelir, consoante são ambas com tipo de carga diferente ou do mesmo tipo. Por convenção, as linhas de campo do campo magnético dirigem-se do pólo norte para o pólo sul, tal como as linhas de campo eléctrico dirigem-se das cargas positivas para as cargas negativas. Há, no entanto, uma diferença importante entre campos criados por cargas eléctricas e campos magnéticos. É possí- vel obter cargas positivas e negativas separadamente mas os pólos N e S de um íman não são separáveis: ou seja, não é possível obter pólos magnéticos isolados. Assim, enquanto as linhas de um campo eléctrico podem dirigir-se para o infinito, não se fechando, se o campo for criado por uma única carga (ou por cargas do mesmo tipo), as linhas de um campo magnético fecham-se sempre, uma vez que os dois pólos estão necessariamente presentes. O campo magnético pode ser criado quer por íma- nes quer por correntes eléctricas. As linhas de campo magnético criado por uma corrente eléctrica num fio são circunferências com centro no fio. Já as linhas de campo magnético criado por uma bobina (um bobina é uma série de espiras enroladas) assemelham-se às linhas criadas por um íman em barra. De facto, uma bobina funciona como um íman, mas apenas enquanto é percorrida por uma corrente eléctrica. Colocando uma barra de ferro no interior da bobina, aumenta-se a intensidade do campo magnético, obtendo-se um electroíman. Visualização do campo magnético entre dois pólos do mesmo tipo: cada pequena agulha magnética no suporte de vidro orienta-se segundo a tangente à linha de campo no ponto onde se encontra. Interacção entre dois ímanes: pólos de tipo diferente atraem-se e pólos do mesmo tipo repelem-se. Um íman partido dá origem a dois novos ímanes, cada um com dois pólos. Não há pólos isolados. Visualização do campo magnético criado por um íman em U: o campo magnético é tanto mais intenso quanto maior for a densidade das linhas de campo. Visualização do campo magnético criado por uma corrente eléctrica numa série de espiras circulares. As linhas do campo magnético assemelham-se às linhas criadas por um íman em barra, sendo possível identificar um pólo norte numa extremidade e um pólo sul na outra extremidade. Visualização do campo magnético criado por uma corrente eléctrica num fio. As linhas do campo magnético são circulares, com centro no fio. pólo N pólo S pólo Npólo S 145 OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... Observe as fotos e o esquema ao lado. 1 Como podem ser obtidos espectros magnéticos como os das fotos? 2 O campo magnético actua apenas no plano em que um íman se encontra apoiado ou no espaço, em todas as direcções? Fundamente a resposta. 3 Que foto representa a interacção entre pólos do mesmo tipo? Porquê? 4 Nas diversas imagens é possível identificar zonas onde o campo é mais intenso e zonas onde o campo é menos intenso. Porquê? 5 Qual é convenção utilizada para a orientação das linhas de campo magnético? 6 Faça um esboço das linhas de campo magnético na zona entre dois pólos do mesmo tipo. Observe a foto abaixo e os esquemas ao lado. 7 Que sucede em torno de um fio quando este é percorrido por uma corrente eléctrica? Como se pode suportar essa conclusão? 8 Como funciona um electroíman? 9 Que semelhanças há entre um electroíman e um íman? E que diferenças há? 10 Aumentando o número de espiras numa bobina, pode aumentar-se a intensidade do campo magnético no interior e na proximidade da bobina, quando esta é percorrida pela corrente. Que outro processo há para aumentar a intensidade desse campo magnético, sem aumentar a intensidade da corrente eléctrica? N S ligação a uma pilha ligação a uma pilha ligação a uma pilha ligação a uma pilha ligação a uma pilha OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... 146 O campo magnético terrestre Inclinação do campo magnético em Portugal continental: aproximadamente 55º. Bússola de inclinação, que permite medir a inclinação do campo magnético da Terra. A Terra é um espécie de íman gigante, pensa- se que devido a correntes eléctricas no interior da Terra. Como se convencionou que o pólo de uma bússola que aponta para o norte é o pólo norte da bússola, o pólo sul desse íman gigante que é a Terra está situado perto do norte geo- gráfico. Actualmente, esse pólo está no norte do Canadá (a sua posição varia de ano para ano!). Chama-se a esse pólo “norte magnético”. Os mapas da página seguinte mostram a posi- ção desse pólo em 2005. Em cada ponto da Terra, uma bússola aponta para o norte magnético, numa direcção que faz em geral um certo ângulo não nulo com o norte geográfico, definido pelo eixo de rotação da Terra. Esse ângulo entre a direcção para onde a bússola aponta e o norte geográfico é a cha- mada declinação magnética. As linhas do campo magnético da Terra estão representadas no esquema ao lado. Como se pode observar, nos pólos magnéticos o campo é vertical. Noutros locais da Terra, a direcção do campo magnético faz um certo ângulo com a horizontal, ângulo esse que é designado por inclinação magnética e que em Portugal con- tinental vale aproximadamente 55º. A inclinação magnética pode ser determinada com bússolas de inclinação, como a da figura abaixo. Visualização do campo magnético terrestre: a Terra funciona como um íman gigante, em que o pólo magnético sul desse íman está perto do pólo norte geográfico. Por isso, o pólo norte das bússolas aponta para norte... Em cada ponto da Terra, o campo magnético tem um certa inclinação que, na zona dos pólos magnéticos, é de 90º. Em Portugal, a inclinação do campo magnético terrestre é de aproximadamente 55º. norte magnético norte geográfico 55º OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... 140 1 Identifique três tipos de campos de forças. 2 Como é possível detectar a existência de um campo gravitacional? E de um campo eléctrico? 3 O que é um espectro de um campo de forças? 4 Como se pode obter o espectro de um campo de forças eléctricas? Espectro do campo magnético criado por um íman em barra, obtido polvilhando limalha de ferro. A orientação da limalha define as linhas de força do campo magnético. O campo é mais intenso nas zonas em que as linhas estão mais concentradas. Espectro de um campo eléctrico criado por dois pólos eléctricos, com cargas de sinal diferente, obtido com pequenos grãos de trigo. A orientação dos grãos define as linhas de força do campo eléctrico. O campo é mais intenso nas zonas em que as linhas estão mais concentradas. Por exemplo, o campo é mais intenso em A do que em B. Campo magnético e campo eléctrico Uma experiência muito simples permite ilustrar a ideia de campo de forças. Polvilhando com limalha de ferro um vidro colocado sobre um ou vários ímanes, observa-se um espectro magnético, isto é uma dis- tribuição regular da limalha em torno dos ímanes. A disposição da limalha evidencia linhas de força do campo magnético. O campo de forças é mais intenso nas zonas onde as linhas de força são mais concen- tradas. Foram experiências como esta que conduziram Michael Faraday (1791–1867) à ideia de campo de forças. Com ou sem limalha de ferro, o íman modifica as propriedades do espaço em seu redor. Em qualquer ponto do espaço que circunda o íman surgem forças a actuar no pedacinho de limalha que lá se situar. Estas forças variam segundo um padrão característico e não aleatoriamente. O campo magnético pode ser criado por ímanes ou por correntes eléctricas, como veremos adiante. Há outros tipos de campos, como por exemplo os campos gravitacionais e os campos eléctricos. Um campo gravitacional é criado por qualquer objecto com massa e um campo eléctrico por qualquer objecto com carga eléctrica não nula. Um exemplo de campo gravitacional é o campo criado pelo Sol. É este campo que exerce forças nos planetas do Sistema Solar. O campo gravi- tacional da Terra actua sobre todos os corpos na Terra, sobre a Lua, sobre os satélites artificiais, etc. Os campos eléctricos podem ser visualizados através da disposição de pequenos grãos (por exemplo, de sêmola de trigo) mergulhados num óleo no qual se colocaram eléctrodos ligados a fontes eléctricas. A dis- posição dos pequenos grãos evidencia linhas de força do campo eléctrico. O campo de forças é mais in- tenso nas zonas onde as linhas de força são mais con- centradas. Em geral, a intensidade do campo de forças diminui à medida que aumenta a distância ao objecto que criou o campo. A B 141 OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... A foto mostra um espectro de um campo eléctrico obtido numa zona onde se encontram dois objectos, um circular e outro linear, ambos carregados electricamente. 1 Em qual dos pontos A, B, C ou D é maior a intensidade do campo eléctrico? Fundamente a resposta. 2 A carga eléctrica dos corpos é do mesmo tipo ou de tipos diferentes? Fundamente a resposta. 3 No interior do objecto circular não parece existir linhas de campo. Que se poderá concluir acerca da intensidade do campo eléctrico nessa zona? Os campos eléctricos e os campos magnéticos podem ser caracterizadas por grandezas físicas. Os nome dessas grandezas são idênticos aos nomes dos cam- pos. Por exemplo, a grandeza física campo eléctrico, que se representa por  E (é uma grandeza vecto- rial) está relacionada quer com a força eléctrica que se exerce sobre qualquer carga colocada no campo quer com a energia potencial associada a essa carga quando fica sob a acção do campo. A unidade SI de campo eléctrico é o volt por metro (V/m). Um campo eléctrico criado num dispositivo para obtenção de es- pectros, como o da figura da página anterior, pode atingir milhares de volt por metro. A grandeza física campo magnético, que se re- presenta por  B (é também uma grandeza vectorial) dá-nos o mesmo tipo de informação acerca de cada ponto do espaço onde se faz sentir o campo magné- tico. Isto é, está relacionada com a força exercida so- bre outros ímanes que sejam colocados em qualquer ponto do campo magnético. A unidade SI de campo magnético é o tesla (símbolo T). O campo magnético terrestre é de apenas algu- mas dezenas de microteslas. Em Portugal, vale cerca de 40 mT = 0,000040 T. O campo magnético criado por ímanes é muito mais intenso, sendo tanto mais intenso quanto mais próximo se estiver do íman. Um valor típico é cerca de 0,01 T. Mas há campos mag- néticos muito mais intensos como os utilizados para obter imagens médicas nos aparelhos de ressonância magnética, que podem atingir vários teslas, ou os campos magnéticos nas estrelas de neutrões, que po- dem atingir milhões de teslas... Campos eléctricos e campos magnéticos: unidades SI Os campos magnéticos são muito utilizados em diagnóstico médico. As propriedades magnéticas das partículas dos átomos podem ser modificadas por campos magnéticos e, com o auxílio de ondas de rádio, sensores e computadores é possível identificar essas alterações, possibilitando a visualização de certas estruturas no interior do corpo humano. Um sensor de campo magnético que pode ser ligado a um sistema de aquisição de dados. A B C D OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... 144 Linhas de campo magnético em campos criados por ímanes e em campos criados por correntes eléctricas As interacções entre pólos magnéticos têm semelhanças e diferenças com as interacções eléctricas. Por exemplo, pólos magnéticos do mesmo tipo repelem-se e pólos magnéticos de tipo diferente atraem-se, tal como as cargas eléctricas se podem atrair ou repelir, consoante são ambas com tipo de carga diferente ou do mesmo tipo. Por convenção, as linhas de campo do campo magnético dirigem-se do pólo norte para o pólo sul, tal como as linhas de campo eléctrico dirigem-se das cargas positivas para as cargas negativas. Há, no entanto, uma diferença importante entre campos criados por cargas eléctricas e campos magnéticos. É possí- vel obter cargas positivas e negativas separadamente mas os pólos N e S de um íman não são separáveis: ou seja, não é possível obter pólos magnéticos isolados. Assim, enquanto as linhas de um campo eléctrico podem dirigir-se para o infinito, não se fechando, se o campo for criado por uma única carga (ou por cargas do mesmo tipo), as linhas de um campo magnético fecham-se sempre, uma vez que os dois pólos estão necessariamente presentes. O campo magnético pode ser criado quer por íma- nes quer por correntes eléctricas. As linhas de campo magnético criado por uma corrente eléctrica num fio são circunferências com centro no fio. Já as linhas de campo magnético criado por uma bobina (um bobina é uma série de espiras enroladas) assemelham-se às linhas criadas por um íman em barra. De facto, uma bobina funciona como um íman, mas apenas enquanto é percorrida por uma corrente eléctrica. Colocando uma barra de ferro no interior da bobina, aumenta-se a intensidade do campo magnético, obtendo-se um electroíman. Visualização do campo magnético entre dois pólos do mesmo tipo: cada pequena agulha magnética no suporte de vidro orienta-se segundo a tangente à linha de campo no ponto onde se encontra. Interacção entre dois ímanes: pólos de tipo diferente atraem-se e pólos do mesmo tipo repelem-se. Um íman partido dá origem a dois novos ímanes, cada um com dois pólos. Não há pólos isolados. Visualização do campo magnético criado por um íman em U: o campo magnético é tanto mais intenso quanto maior for a densidade das linhas de campo. Visualização do campo magnético criado por uma corrente eléctrica numa série de espiras circulares. As linhas do campo magnético assemelham-se às linhas criadas por um íman em barra, sendo possível identificar um pólo norte numa extremidade e um pólo sul na outra extremidade. Visualização do campo magnético criado por uma corrente eléctrica num fio. As linhas do campo magnético são circulares, com centro no fio. pólo N pólo S pólo Npólo S 145 OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... Observe as fotos e o esquema ao lado. 1 Como podem ser obtidos espectros magnéticos como os das fotos? 2 O campo magnético actua apenas no plano em que um íman se encontra apoiado ou no espaço, em todas as direcções? Fundamente a resposta. 3 Que foto representa a interacção entre pólos do mesmo tipo? Porquê? 4 Nas diversas imagens é possível identificar zonas onde o campo é mais intenso e zonas onde o campo é menos intenso. Porquê? 5 Qual é convenção utilizada para a orientação das linhas de campo magnético? 6 Faça um esboço das linhas de campo magnético na zona entre dois pólos do mesmo tipo. Observe a foto abaixo e os esquemas ao lado. 7 Que sucede em torno de um fio quando este é percorrido por uma corrente eléctrica? Como se pode suportar essa conclusão? 8 Como funciona um electroíman? 9 Que semelhanças há entre um electroíman e um íman? E que diferenças há? 10 Aumentando o número de espiras numa bobina, pode aumentar-se a intensidade do campo magnético no interior e na proximidade da bobina, quando esta é percorrida pela corrente. Que outro processo há para aumentar a intensidade desse campo magnético, sem aumentar a intensidade da corrente eléctrica? N S ligação a uma pilha ligação a uma pilha ligação a uma pilha ligação a uma pilha ligação a uma pilha OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... 146 O campo magnético terrestre Inclinação do campo magnético em Portugal continental: aproximadamente 55º. Bússola de inclinação, que permite medir a inclinação do campo magnético da Terra. A Terra é um espécie de íman gigante, pensa- se que devido a correntes eléctricas no interior da Terra. Como se convencionou que o pólo de uma bússola que aponta para o norte é o pólo norte da bússola, o pólo sul desse íman gigante que é a Terra está situado perto do norte geo- gráfico. Actualmente, esse pólo está no norte do Canadá (a sua posição varia de ano para ano!). Chama-se a esse pólo “norte magnético”. Os mapas da página seguinte mostram a posi- ção desse pólo em 2005. Em cada ponto da Terra, uma bússola aponta para o norte magnético, numa direcção que faz em geral um certo ângulo não nulo com o norte geográfico, definido pelo eixo de rotação da Terra. Esse ângulo entre a direcção para onde a bússola aponta e o norte geográfico é a cha- mada declinação magnética. As linhas do campo magnético da Terra estão representadas no esquema ao lado. Como se pode observar, nos pólos magnéticos o campo é vertical. Noutros locais da Terra, a direcção do campo magnético faz um certo ângulo com a horizontal, ângulo esse que é designado por inclinação magnética e que em Portugal con- tinental vale aproximadamente 55º. A inclinação magnética pode ser determinada com bússolas de inclinação, como a da figura abaixo. Visualização do campo magnético terrestre: a Terra funciona como um íman gigante, em que o pólo magnético sul desse íman está perto do pólo norte geográfico. Por isso, o pólo norte das bússolas aponta para norte... Em cada ponto da Terra, o campo magnético tem um certa inclinação que, na zona dos pólos magnéticos, é de 90º. Em Portugal, a inclinação do campo magnético terrestre é de aproximadamente 55º. norte magnético norte geográfico 55º 149 OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... Em alguns laboratórios escolares existem bobinas com espiras relativamente grandes que podem ser facilmente movimentadas, com a mão ou com motores, em relação ao campo magnético terrestre, que é relativamente pouco intenso mas é suficiente para provocar variações do fluxo do campo magnético nas espiras dessas bobinas (variação essa que pode originar corrente eléctrica nas espiras, como vamos ver adiante). Consideremos uma bobina típica de 100 espiras circulares de raio 20 cm. São os seguintes os valores aproximados para o campo magnético terrestre em Portugal: • a intensidade vale 40000 nT = 40 mT = 40 × 10-6 T; • a inclinação do campo é aproximadamente igual a 55º. A figura seguinte esquematiza a posição das espiras quando estas estão perpendiculares ao campo magnético da Terra. B  espiras norte magnético solo direcção do campo magnético terrestre 55ºq = A B eixo de rotação 1 Verifique que a área de cada espira é 0,126 m2. 2 Verifique que o fluxo do campo magnético terrestre numa espira vale 5,0 × 10-6 Wb, quando as espiras estão colocadas perpendicularmente ao campo magnético. 3 Calcule o fluxo do campo magnético nas 100 espiras, quando estas estão perpendiculares ao campo. 4 Esquematize em que orientação, face ao campo magnético terrestre, deve ser colocada a bobina para que o fluxo magnético nas espiras seja nulo. 5 Que ângulo faz o plano das espiras com a horizontal quando o fluxo magnético é nulo? 6 Faça um esquema em que represente as espiras na horizontal. Que ângulo fazem as espiras com o campo magnético? 7 Verifique que o fluxo do campo magnético terrestre numa espira colocada horizontalmente vale 2,9 × 10-6 Wb. 8 Calcule o fluxo magnético nas 100 espiras colocadas horizontalmente. Uma bobina grande (a vermelho) pode ser colocada perpendicularmente ao campo magnético terrestre. Se a bobina estiver parada, há fluxo magnético na bobina... mas não há variação do fluxo magnético! OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... 150 Poderá um campo magnético criar um campo eléctrico? Indução electromagnética Uma experiência simples permite ilustrar um dos fenómenos físicos com maior utilidade prática: aproximando e afastando um íman de uma bo- bina de fio de cobre (uma bobina é um fio enro- lado em hélice com muitas espiras), ligada a um detector de corrente, observa-se uma corrente no fio, ora num sentido, ora noutro, consoante o íman se aproxima ou se afasta. Note-se que a corrente só existe enquanto o íman se move! E é tanto mais intensa quando mais rapidamente se move o íman. Parando o íman, não há corrente. Esta experiência ilustra a indução electro- magnética, isto é, a produção dum campo eléc- trico por um íman em movimento. Esse campo eléctrico origina, no fio condutor que constitui a bobina, uma corrente eléctrica. Note-se que a corrente pode surgir quer por- que o íman se move quer porque a bobina se move. Ou seja, é o movimento relativo entre o íman e a bobina que é responsável pela criação do campo eléctrico e, por consequência, pelo aparecimento da corrente eléctrica. voltímetro voltímetro A aproximação e o afastamento do íman da bobina provoca o aparecimento de um campo eléctrico que, por sua vez, origina a movimentação de cargas eléctricas no fio condutor da bobina, surgindo uma corrente eléctrica. Parando o íman, o campo eléctrico criado pelo movimento do íman desaparece, deixando de haver corrente eléctrica. À esquerda: um íman parado na proximidade de uma bobina. O osciloscópio, ligado à bobina, não detecta corrente eléctrica. À direita: movendo o íman, observa-se uma corrente variável no osciloscópio. 1 Observe novamente as fotos acima. Como se deve proceder para obter corrente eléctrica no osciloscópio, mantendo o íman parado? 2 Que evidência há de que o sentido da corrente eléctrica obtida por indução varia durante a indução? 3 Observe a foto ao lado: num fio ligado a uma bobina foram intercalados dois LEDs, um vermelho e outro verde. Quando se move um íman no interior da bobina, os dois LEDs acendem alternadamente. Porquê? (Nota: tenha em conta que um LED é um componente electrónico que só deixa passar corrente eléctrica num sentido). 151 OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... Fluxo do campo magnético, força electromotriz induzida e lei de Faraday Um gerador eléctrico pode ser caracterizado por grandezas físicas adequadas. Por exemplo, a chamada força electro- motriz do gerador é uma grandeza física que está relacio- nada com a energia que se pode obter no gerador por unidade de carga eléctrica que circula no circuito ligado ao gerador. A força electromotriz é frequentemente abreviada para f.e.m. O seu símbolo é e (“épsilon”) e a sua unidade SI é o volt (V). Faraday verificou que a força electro- motriz obtida por indução electromagné- tica depende apenas da maior ou menor rapidez da variação do fluxo magnético na bobina, ou, mais precisamente, é, em módulo, dada pela taxa instantânea de variação temporal do fluxo. Isto é: • quanto mais depressa variar o fluxo, maior é o módulo da f.e.m. induzida no gerador; • se o fluxo não variar, a f.e.m. induzida no gerador é nula. A relação matemática entre o fluxo do campo magnético e a f.e.m. obtida por indução electromagnética é dada pela chamada lei de Faraday, que constitui uma das leis fundamentais do electromagnetismo. Assim, se o fluxo variar de uma maneira uniforme, a taxa de variação de fluxo no tempo pode ser representada por ε = ∆ ∆ Φ t Esta equação é, pois, uma forma de representar a lei de Faraday: o módulo da f.e.m. induzida (módulo porque não se está a considerar o sentido da corrente) é igual à taxa de variação no tempo do módulo do fluxo magnético. Um gerador de indução: rodando a manivela, roda-se uma bobina no interior de um íman em U. O fluxo do campo magnético na bobina varia à medida que a bobina roda, obtendo-se uma força electromotriz variável, que é detectada pelo voltímetro ligado aos extremos da bobina. Os sistemas industriais de produção de corrente eléctrica utilizam um processo semelhante, mas em vez de se obter energia da mão obtém-se energia através de quedas de água ou do movimento de vapor de água. 1 Admita que numa certa espira o fluxo de um campo magnético se mantém constante e igual a 0,20 Wb. Quanto vale a variação do fluxo magnético na espira? E a força electromotriz nos extremos da espira? 2 Admita agora que, nessa espira, o fluxo do campo magnético varia, em módulo, 0,05 Wb em cada segundo. Quanto vale a f.e.m. nos extremos da espira? 3 Se a taxa de variação do fluxo passar para 0,20 Wb em cada dois segundos, quanto passa a valer a f.e.m. nos extremos da espira? 4 Se o fluxo do campo magnético for muito elevado, há necessariamente f.e.m. induzida na espira? Porquê?  B campo magnético variável espira OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... 154 Geradores electromagnéticos e corrente alternada sinusoidal N N S S A B Uma das principais aplicações da lei de Faraday é a construção de gerado- res electromagnéticos. Um gerador electromagnético transforma energia mecânica em energia eléctrica — a energia das cargas em movimento. Um gerador típico é constituído por um sistema rotativo (formado por uma ou várias bobinas de fio enrolado numa armadura de ferro) e íma- nes, tal como na figura ao lado. A bobina é posta a rodar por acção de uma força exterior. Quando o plano da bobina está perpendicular ao campo magnético, é máximo o fluxo do campo magnético através da bobina. À medida que a bobina roda, o plano da bobina fica cada vez mais próximo da posição paralela às linhas de campo magnético. Quer dizer, o fluxo magnético através da espira diminui. Logo, há variação de fluxo na espira e, de acordo com a lei de Faraday, surge uma força electromotriz induzida. Enquanto rodar a bobina, mantém-se a variação do fluxo. Já sabemos que o fluxo do campo magnético através da área A delimitada por uma espira da bobina é dado por F = ´ ´A B cos q Se o ângulo rodar com uma certa velocidade angular w, podemos escrever que o fluxo é, em qualquer instante t, dado por: F = ´ ´ ´( )A B tcos w De acordo com a lei de Faraday, a força electromotriz in- duzida e é a taxa de variação do fluxo: ε = ∆ ∆ Φ t É possível mostrar que essa força electromotriz é, também, dada por uma função sinusoidal, com o mesmo período e a mesma frequên- cia do fluxo magnético na espira. Assim, qualquer função do tipo e e p e e p = ´ ´ æ è ççç ö ø ÷÷÷÷ = ´ ´ æ è ççç ö ø ÷÷÷÷ max max cos sin 2 2 T t T t onde T é o período da função que descreve a força electromotriz obtida num gerador de indução, com espiras a rodar num campo magnético. A corrente alternada das habitações é uma corrente sinusoidal deste tipo. A tensão eléctrica V tem um valor máximo de 311 volts e um valor eficaz de 220 volts (este valor eficaz corresponde à tensão de uma corrente contínua que transporta a mesma energia que a corrente alternada). O período dessa corrente alternada vale 0,02 s e a frequência 50 Hz. Representação esquemática de um gerador de indução electromagnética. A rotação da bobina num campo magnético origina uma corrente induzida na bobina, que pode ser transferida para um circuito exterior através dos terminais A e B. A tensão eléctrica nestes terminais varia periodicamente, com o mesmo período do fluxo do campo magnético na bobina. 155 OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... O gráfico seguinte representa a tensão eléctrica V, expressa em volts, nas habitações em Portugal, em função do tempo, durante 0,1 s: 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 t/s -300 -200 -100 100 200 300 V/V 1 Quanto tempo demora a tensão a repetir o valor máximo? 2 Qual é o período da função sinusoidal que descreve a tensão eléctrica V em função do tempo? 3 Tendo em conta que o valor máximo de V é 311 V, verifique que V pode ser descrito pela função V t= ´ ´ æ è ççç ö ø ÷÷÷÷311 6 28 0 02 sin , , sendo todas as grandezas da função expressas em unidades SI. A foto ao lado mostra uma experiência com um gerador electromagnético e um sistema de aquisição de dados para medir a força electromotriz obtida no gerador. O gráfico representa o valor da força electromotriz obtida durante 5,0 s, em função do tempo, num dos ensaios. Note-se que durante os primeiros 2,5 s não se fez mover o íman. 4 Se o íman não se moveu nos primeiros 2,5 s, que se pode concluir acerca do valor da força electromotriz induzida? 5 O sensor de tensão tem o valor zero bem calibrado? Fundamente a resposta. 6 Quando o íman está parado, na proximidade da bobina, o fluxo do campo magnético na bobina é nulo? Fundamente a resposta. 7 Quando se faz mover o íman, rodando a manivela, induz-se corrente eléctrica. Em que “instante” foi mais rápida a variação do fluxo? Fundamente a resposta. 8 Se durante um pequeno intervalo de tempo a f.e.m. fosse constante e igual a 0,10 V, quanto variaria o fluxo do campo magnético na bobina em cada segundo, em webers? Fundamente a resposta. 9 Se durante um pequeno intervalo de tempo o módulo da f.e.m. aumentar, como varia o fluxo do campo magnético na bobina em cada segundo? Fundamente a resposta. OK Necessito de rever esta página... Necessito de apoio para compreender esta página... 156 Microfones e altifalantes como exemplo de transdutores Um sistema electrónico é um circuito ou conjunto de circuitos que realiza uma certa função. Num sistema, costuma-se distinguir: • a entrada de sinais (em inglês, input); • o processamento dos sinais; • a saída de sinais (em inglês, output). Por exemplo, num leitor de CDs, os sinais de en- trada são os que resultam da leitura (por luz laser) do CD, o processamento é toda a transformação por que passam (descodificação, pré-amplificação, am- plificação, etc.) e a saída corresponde à emissão do som por um altifalante. Num computador, os sinais de entrada podem ser os que o teclado ou um rato proporcionam, o processamento é tudo o que sucede nos circuitos internos do computador e a saída pode ocorrer num ecrã ou numa impressora. Os componentes de saída ou de entrada de um sistema electrónico são chamados, em geral, trans- dutores: • os transdutores de input convertem sinais mecânicos, ópticos ou acústicos em sinais eléc- tricos (ou seja, convertem em energia eléctrica outra forma de energia); • os transdutores de output convertem sinais eléctricos em sinais de outro tipo (portanto, convertem energia eléctrica noutra forma de energia). Um microfone é um transdutor de input que converte o som, isto é, as vibrações do ar (ou de qualquer outro meio) num sinal eléctrico. Em alguns microfones, os chamados microfones de indução, as ondas sonoras são convertidas em vibrações de uma membrana flexível, colocada na proximidade de uma bobina móvel, que por sua vez está próxima de um íman. Quando a membrana vibra, é produzida uma corrente induzida, variável. Essa corrente (input) é em seguida processada e transferida para outros componentes. Um altifalante é um transdutor de ouput que tem uma função inversa à dos microfones. Recebe um sinal eléctrico, sinal esse que é utilizado para fazer vibrar uma membrana, igualmente por indução elec- tromagnética. A vibração da membrana, num cone suficientemente grande, produz ondas sonoras. ondas sonoras (input) sinal eléctrico ondas sonoras (output) sinal eléctrico bobina móvel membrana íman sinal eléctrico membrana íman bobina (move-se em conjunto com a membrana) Componentes principais do microfone de indução. Componentes principais do altifalante.