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Eletromagnetismo

Conta uma lenda grega que o pastor Magnes se surpreendeu ao ver como a bola de ferro de seu bastão era atraída por uma pedra misteriosa, o âmbar (em grego, elektron). A história demonstra como é antigo o interesse pelos fenômenos eletromagnéticos.

Denomina-se eletromagnetismo a disciplina científica que estuda as propriedades elétricas e magnéticas da matéria e, em especial, as relações que se estabelecem entre elas.

Histórico

A existência de forças naturais de origem elétrica e magnética fora observada em contextos históricos independentes, mas só na primeira metade do século XIX um grupo de pesquisadores conseguiu unificar os dois campos de estudo e assentar os alicerces de uma nova concepção da estrutura física dos corpos.

No final do século XVIII Charles-Augustin de Coulomb e Henry Cavendish haviam determinado as leis empíricas que regiam o comportamento das substâncias eletricamente carregadas e o dos ímãs. Embora a similaridade entre as características dos dois fenômenos indicasse uma possível relação entre eles, só em 1820 se obteve prova experimental dessa relação, quando o dinamarquês Hans Christian Oersted, ao aproximar uma bússola de um fio de arame que unia os dois pólos de uma pilha elétrica, descobriu que a agulha imantada da bússola deixava de apontar para o norte, orientando-se para uma direção perpendicular ao arame.

Pouco depois, André-Marie Ampère demonstrou que duas correntes elétricas exerciam mútua influência quando circulavam através de fios próximos um do outro. Apesar disso, até a publicação, ao longo do século XIX, dos trabalhos do inglês Michael Faraday e do escocês James Clerk Maxwell, o eletromagnetismo não foi - nem começou a ser - considerado um autêntico ramo da física.

Variáveis e magnitudes

Os fenômenos eletromagnéticos são produzidos por cargas elétricas em movimento. A carga elétrica, assim como a massa, é uma qualidade intrínseca da matéria e apresenta a particularidade de existir em duas variedades, convencionalmente denominadas positiva e negativa. A unidade elementar da carga é o elétron, partícula atômica de sinal negativo, embora sua magnitude não resulte em entidade suficiente para cálculos macroscópicos normais. Como unidade usual de carga usa-se então o coulomb; o valor da carga de um elétron equivale a 1,60 x 10-19 coulombs.

Duas cargas elétricas de mesmo sinal se repelem, e quando de sinais contrários se atraem. A força destas interações é diretamente proporcional a sua quantidade de carga e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. Para explicar a existência dessas forças adotou-se a noção de campo elétrico criado em torno de uma carga, de modo que a força elétrica que vai atuar sobre outra carga distanciada da primeira corresponde ao produto da quantidade de carga desta primeira por uma grandeza chamada intensidade de campo elétrico. A energia que este campo transmite à unidade de carga chama-se potencial elétrico e geralmente se mede em volts.

Uma das variáveis magnéticas fundamentais é a indução magnética, intimamente relacionada com a intensidade do campo magnético. A indução representa a força magnética exercida sobre um corpo por unidade de carga elétrica e de velocidade. A unidade de indução magnética é o tesla, que equivale a um weber por metro quadrado; o weber é uma medida de fluxo magnético (grandeza que reflete a densidade dos campos magnéticos). Tanto a intensidade de campo elétrico e magnético quanto a indução magnética apresentam um caráter vetorial e, por conseguinte, para descrevê-las adequadamente devem-se definir, para cada uma, sua magnitude, direção e sentido.

Por correlacionar a eletricidade e o magnetismo, adquiriu função especial no campo da física a noção de corrente elétrica, entendida como a circulação de cargas livres ao longo de um material condutor. Sua magnitude é determinada pela intensidade da corrente, que é a quantidade de cargas elétricas livres que circulam pelo condutor em um tempo determinado. Chama-se ampère a unidade de intensidade de corrente resultante da passagem em um condutor de um coulomb de carga durante um segundo. Essa unidade tornou-se a mais importante do ponto de vista eletromagnético, levando o sistema internacional de unidades a ter a notação MKSA: metro, quilograma, segundo, ampère.

Indução eletromagnética

No decorrer do século XIX, as experiências de Örsted e Ampère demonstraram a influência que as correntes elétricas exercem sobre os materiais imantados, enquanto Faraday e Joseph Henry determinaram a natureza das correntes elétricas induzidas por campos magnéticos variáveis no espaço.

Os resultados de suas pesquisas, fundamento da indução eletromagnética, constituem a base do eletromagnetismo. Outros postulados enunciam a existência de dois pólos elétricos, positivo e negativo, independentes e separados, e de dois pólos magnéticos inseparáveis de nomes diferentes (norte e sul). Ampère, estimulado pelas descobertas de Örsted, aprofundou-se na pesquisa das forças magnéticas provocadas nas proximidades de uma corrente elétrica e demonstrou que esses impulsos se incrementam na razão direta da corrente e na razão inversa da distância ao fio pelo qual ela circula. Comprovou, além disso, que as forças induzidas estão em grande medida condicionadas pela orientação do fio condutor.

Ao aproximar-se um ímã de uma pilha elétrica observa-se uma variação em sua força eletromotriz, que é a medida da energia fornecida a partir de cada unidade de carga elétrica nela contida. Essa alteração é interrompida quando se imobiliza o ímã, e adquire sinal contrário quando este é afastado. Deduz-se daí que os campos magnéticos produzem correntes elétricas em um circuito e que o sentido de seu fluxo tende a compensar a perturbação exterior, com a indução simultânea de um campo magnético oposto ao inicial.

Analogamente, uma corrente elétrica que circula em um condutor gera um campo magnético associado que, como efeito derivado, induz no condutor uma corrente de sentido contrário ao da inicial. Esse fenômeno é conhecido como auto-indução, e a relação entre o campo magnético e a intensidade da corrente induzida por ele é fornecida por um coeficiente denominado indutância, que depende das características físicas e geométricas do material condutor. A unidade de medida de indução é o henry, definido como a grandeza gerada entre dois circuitos dispostos de forma tal que quando num deles a intensidade varia em um ampère por segundo seja induzida no outro uma força eletromotriz de um volt.

Interpretação do eletromagnetismo

Desde o advento das idéias inovadoras de Isaac Newton, estabeleceu-se uma interpretação causal do universo segundo a qual todo efeito observado obedeceria a forças exercidas por objetos situados a certa distância. Nesse contexto histórico nasceu a teoria eletromagnética, segundo a qual as atrações e repulsões elétricas e magnéticas resultavam da ação de corpos distantes.

Era preciso, pois, encontrar a verdadeira causa final dessas forças, buscando-se uma analogia com a massa gravitacional de Newton e, simultaneamente, explicar de forma rigorosa os mecanismos de interação eletromagnética entre os corpos. Coube a Ampère, a partir de seus trabalhos sobre correntes elétricas, expor a teoria da existência de partículas elétricas elementares que, ao se deslocar no interior das substâncias, causariam também os efeitos magnéticos. No entanto, em suas experiências, ele não conseguiu encontrar essas partículas.

Por outro lado, Faraday introduziu a noção de campo, que teve logo grande aceitação e constituiu um marco no desenvolvimento da física moderna. Concebeu o espaço como cheio de linhas de força -- correntes invisíveis de energia que governavam o movimento dos corpos e eram criadas pela própria presença dos objetos. Assim, uma carga elétrica móvel produz perturbações eletromagnéticas a seu redor, de modo que qualquer outra carga próxima detecta sua presença por meio das linhas do campo. Esse conceito foi desenvolvido matematicamente pelo britânico James Clerk Maxwell, e a força de seus argumentos acabou com a da idéia de forças que agiam sob controle remoto, vigente em sua época.

Os múltiplos trabalhos teóricos sobre o eletromagnetismo culminaram em 1897, quando Sir Joseph John Thomson descobriu o elétron, cuja existência foi deduzida do desvio dos raios catódicos na presença de um campo elétrico. A natureza do eletromagnetismo foi confirmada ao se determinar a origem das forças magnéticas no movimento orbital dos elétrons ao redor dos núcleos dos átomos.

Ondas eletromagnéticas

O conceito de onda eletromagnética, apresentado por Maxwell em 1864 e confirmado experimentalmente por Heinrich Hertz em 1886, é utilizado para demonstrar a natureza eletromagnética da luz.

Quando uma carga elétrica se desloca no espaço, a ela se associam um campo elétrico e outro magnético, interdependentes e com linhas de força perpendiculares entre si. O resultado desse conjunto é uma onda eletromagnética que emerge da partícula e, em condições ideais - isto é, sem a intervenção de qualquer fator de perturbação - se move a uma velocidade de 299.793km/s, em forma de radiação luminosa. A energia transportada pela onda é proporcional à intensidade dos campos elétrico e magnético da partícula emissora e fixa as diferentes freqüências do espectro eletromagnético.

Aplicações

A teoria eletromagnética é muito usada na construção de geradores de energia elétrica, dentre estes destacam-se os alternadores ou geradores de corrente alternada, que propiciam maior rendimento que os de corrente contínua por não sofrerem perdas mediante atrito. A base do alternador é o eletroímã, núcleo em geral de ferro doce e em torno do qual se enrola um fio condutor revestido de cobertura isolante. O dispositivo gira a grande velocidade, de modo que os pólos magnéticos mudam de sentido e induzem correntes elétricas que se invertem a cada instante. Com isso, as cargas circulam várias vezes pela mesma seção do condutor. Os eletroímãs também são utilizados na fabricação de elevadores e instrumentos cirúrgicos e terapêuticos. Seu uso abrange diversos campos industriais, uma vez que os campos que geram podem mudar de direção e de intensidade.

Fonte: biomania.com

Eletromagnetismo

Introdução

O magnetismo é um campo em que físicos, engenheiros, cientistas de materiais, químicos, metal´urgicos e outros trabalham juntos.

Atualmente, constitui um dos objetos de estudo mais interessante da ciência, além de apresentar um grande interesse econômico, o qual faz com seja uma das maiores forças tecnológicas neste momento.

Desde uma simples bússola até a geração de energia elétrica ou as memórias dos computadores, diversos fenômenos magnéticos estão envolvidos.

Neste trabalho pretende-se mostrar através de montagens simples dois fenômenos muito importantes ligados ao magnetismo: uma transiçao de fase magnética em um material ao ser aquecido e o surgimento de correntes parasitas, as correntes de Foucault, em condutores submetidos à um fluxo variável de campo magnético.

Um pouco de história

A história do magnetismo começou com um mineral chamado magnetita (Fe3O4), a primeira substância com propriedades magnéticas conhecida pelo homem.

Sua história anterior é obscura, mas seu poder de atrair ferro já era conhecido séculos antes de Cristo.

A magnetita está amplamente distribuída.

No mundo antigo, os depósitos mais abundantes ocorriam na região chamada Magnésia, localizada no que é hoje a Turquia, e a palavra magneto é derivada de uma similar grega, que se diz ter vindo do nome dessa região.

O primeiro a escrever sobre o magnetismo no Ocidente foi Peter Peregrinus, em um tratado datado de 1269 onde, além de descrever a magnetita e suas propriedades, definia a propriedade do imã de apontar sempre para o Norte, mencionava pela primeira vez o termo pólo magnético e explicava como um imã, quando partido em dois, se transforma em dois imãs.

Mas o trabalho mais significativo desse tempo e o mais completo desde o tempo de Peter Peregrinus foi o livro De Magnete, publicado em Londres, em 1600, por William Gilbert, na época médico da rainha Elizabeth I.

O livro discutia a b´ussola magnética, o comportamento do imã propriamente dito, com seus poderes de atração e repulsão, a distinção entre a ação magnética e a ação (elétrica) do âmbar e o envolvimento de cada imã por uma “órbita invisível de virtude”, que afetava qualquer pedaço de ferro que fosse colocado em sua vizinhança.

O livro discutia, também, como um imã de forma esférica poderia desempenhar o papel da Terra e com o auxílio de pequenos imãs, demonstrava o comportamento daquilo que hoje chamamos de campo magnético terrestre, explicando a propriedade da agulha da b´ussola de sempre apontar para o Norte ou para o Sul, a declinação magnética e a inclinação magnética [6].

18 - 3 Instrumentação para o ensino F 809 No século XIX, o professor dinamarquês Hans Christian Oersted conseguiu provar experimentalmente, em 1820, que quando uma corrente elétrica passava ao longo de um fio aparecia um campo magnético e Andr`e-Marie Amp`ere, na França, entre 1821 e 1825, esclareceu o efeito de uma corrente sobre um imã e o efeito oposto, de um imã sobre uma corrente.

Nos anos seguintes, Michael Faraday, na Inglaterra, iniciou suas pesquisas argumentando que se uma corrente num fio produzia efeitos magnéticos, como Ampère tinha demonstrado, o inverso poderia ser verdadeiro, isto é, um efeito magnético poderia produzir uma corrente elétrica.

Para testar essa hipótese, Faraday enrolou duas espiras de fio num anel de ferro, uma ligada a uma bateria e a outra, ligada a um medidor de corrente elétrica, verificando a existência, na segunda espira, de uma corrente temporária quando ligava e desligava a bateria.

Noutra experiência, Faraday usou uma espira enrolada em uma haste de ferro e dois imãs em forma de barra para demonstrar que os imãs, por si sós, podiam produzir uma corrente.

Para explicar como a eletricidade e o magnetismo podiam afetar um ao outro no espaço vazio, Faraday propôs a idéia de um campo, imaginando linhas de força magnética tanto mais próximas umas das outras quanto mais intenso era esse campo e supondo que essas linhas tendiam a se encurtar sempre que possível e a se repelir mutuamente.

Mais tarde, em 1837, Faraday introduziu também a idéia de linhas de força elétrica [6].

Por volta de 1855 Jean Bernard Leon Foucault observou que quando um disco de cobre era colocado entre os pólos de um magneto era preciso mais força para fazê-lo girar do que quando não havia o magneto, fato que ocorre devido ao surgimento de correntes parasitas no interior do metal produzidas pela variação do fluxo, correntes estas que também ficaram conhecidas como correntes de Foucault [7].

A análise matemática completa dos fenômenos elétricos e magnéticos aceita hoje apareceu em 1873, quando o escocês James Clerk Maxwell publicou seu Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo.

A partir de então, sobre a história mais recente, podemos citar alguns dos trabalhos mais importantes, sintetizadamente, começando com Oberlin Smith, que idealizou a gravação magnética e que, anos mais tarde, Valdemar Poulsen colocou em prática construindo o primeiro gravador magnético.

No final do século XIX, Pierre Curie mostrou que as propriedades magnéticas de uma dada substância sofrem tranformações em uma certa temperatura, que ficou conhecida como ponto de Curie.

Em 1905, Paul Langevin apresenta seus estudos sobre o diamagnetismo e, em 1907, Pierre Weiss, sobre o ferromagnetismo.

Neste trabalho, destacam-se principalmente os nomes de Jean Bernard Leon Foucault e Pierre Curie.

A seguir, apresentamos um breve resumo de suas biografias.

Jean Bernard Leon Foucault

Jean Bernard Leon Foucault nasceu em Paris em 18 de Setembro de 1819.

No início de sua carreira estudou medicina; concluído o curso, cedo o abandonou para se dedicar à Física.

Em 1851 ele constrói o então famoso experimento que conhecemos como Pêndulo de Foucault, constituído por uma esfera metálica de 28 kgf de peso, suspensa por um fio de aproximadamente 67 m, e que serve para demonstrar a rotação da Terra.

Alguns anos após, inventa e constrói o giroscópio, um aparelho que lhe permitiu realizar novas experiências sobre o movimento da Terra.

Foucault recebeu pela descoberta 18 - 4 Instrumentação para o ensino F 809 do giroscópio a medalha Copley, da Royal Society de Londres.

Em 1855 se torna assistente de física do Observatório Imperial de Paris.

Junto com Armand Fizeau consegue medir a velocidade da luz no ar e na água, além de conseguir a primeira fotografia solar tirada depois de aprimorar o daguerreótipo, que foi um aparelho fotográfico criado por Daguerre.

Deve-se a Foucault, a descoberta das correntes induzidas em um condutor quando em movimento na presença de um campo magnético intenso.

As Correntes de Foucault são utilizadas para amortecer oscilações em alguns aparelhos (balanças de precisão, medidores de corrente, tensão etc). frenagens, fornos de indução etc).

Foucault morreu em 11 de Fevereiro de 1868, em Paris.

Pierre Curie

Pierre Curie nasceu em Paris em 15 de maio de 1859.

Licenciou-se em física em 1878 e assumiu o cargo de assistente no laboratório da Universidade de Sorbonne onde trabalhou juntamente com seu irmão mais velho, Jacques.

Os dois jovens físicos anunciaram a descoberta de um importante fenômeno, a piezeletricidade (eletricidade produzida pela tensão nos cristais).

Em suas pesquisas em magnetismo, observou que quando um material ferromagnético era aquecido, acima de uma dada temperatura ele perdia suas propriedades magnéticas, temperatura esta que ficou conhecida como ponto de Curie.

Pierre também deu importantes contribuições com suas pesquisas sobre radiação, que o levou, juntamente com sua esposa, Marie Curie, e Henri Becquerel, a ganhar o prêmio Nobel de Física em 1903 [8].

Balança Curie

A balança Curie é uma montagem simples que ilustra uma transição de fase magnética.

Para entender um pouco melhor do que se trata uma transição de fase magnética é preciso falar um pouco sobre o magnetismo da matéria.

Cada elétron em um átomo possui um momento de dipolo magnético orbital e um momento de dipolo magnético de spin que se combinam vetorialmente.

A resultante dessas duas grandezas vetoriais se combina vetorialmente com resultantes semelhantes de todos os outros elétrons no átomo, e a resultante para cada átomo se combina com aquelas para todos os outros átomos em uma amostra de um material.

Se a combinação de todos estes momentos de dipolo magnético produz campo magnético, então o material é magnético.

Existem 3 tipos gerais de magnetismo:

Diamagnetismo: manifestado por todos os materiais comuns, mas é tão fraco que é mascarado se o material exibir também magnetismo de um dos outros dois tipos.

No diamagnetismo, fracos momentos de dipolo magnético são produzidos nos átomos do material quando este é colocado em um campo magnético externo Eletromagnetismo; a combinação de todos esses momentos de dipolo induzidos fornece ao material como um todo apenas um fraco campo magnético resultante.Os momentos de dipolo, portanto o seu campo resultante, desaparecem quando Eletromagnetismo é removido.

Paramagnetismo: manifestado por materiais contendo elementos de transição, elementos terras-raras e elementos actinídeos. Cada átomo de um material deste tipo possui um momento de dipolo resultante permanente, mas os momentos estão orientados aleatoriamente no material apresentando um campo magnético resultante nulo.Entretanto, um campo magnético externo Eletromagnetismo pode alinhar parcialmente os momentos de dipolo magnético atômicos dando ao material um campo magnético resultante. O alinhamento e portanto o seu campo desaparecem quando Eletromagnetismo é removido.

Ferromagnetismo: é uma propriedade do ferro, do níquel, do cobalto e alguns outros elemen tos. Alguns dos elétrons nestes materiais possuem seus momentos de dipolo magnético resultante alinhados, que produzem regiões com fortes momentos de dipolo magnético. Um campo externo Eletromagnetismopode então alinhar os momentos magnéticos de tais regiões, produzindo um forte campo magnético para uma amostra do material; o campo persiste parcialmente quando Eletromagnetismo é removido [2].

Por definicão, o momento de dipolo magnético por unidade de volume é denominado magnetizacão Eletromagnetismo. A magnetizaçãoi de uma amostra pode ser obtida multiplicando-se o momento magnético Eletromagnetismo pelo núumero Nde átomos por unidade de volume. Dessa forma, um ferromagneto pode ser caracterizado por possuir uma magnetização permanente, que não se anula quando o campo externo é removido.Quando a temperatura de uma amostra ferromagnética é elevada, chega-se à um ponto em que a agitação térmica quebra toda a ordenação magnética, ou seja, os momentos magnéticos passam a orientar-se aleatoriamente, e a amostra deixa de ser ferromagnética passando a ser paramagnética.Este fenômeno caracteriza uma transição de fase magnética e a temperatura em que isto acontece é denominada como ponto de Curie.

A tabela 1 mostra os valores do ponto de Curie para o ferro, níquel e cobalto.

 

Eletromagnetismo
Tabela 1: Pontos de Curie para alguns materiais (referˆencias [3, 5])

Existe, em uma extensa classe de materiais, uma relação aproximadamente linear entre Eletromagnetismo e a intensidade magnética, definida por Eletromagnetismo , onde [9]:

Eletromagnetismo

A quantidade escalar adimensional Eletromagnetismo è denominada susceptibilidade magnética. Um campo ex-terno Eletromagnetismo tende a alinhar os dipolos, levando a uma magnetização não nula. A tendência ao alinhamento encontra oposição na agitação térmica, assim, a susceptibilidade paramagnética deve depender da temperatura T, diminuindo quando T aumenta [3].

As primeiras medidas sistemáticas da susceptibilidade de um grande n´umero de substâncias sobre uma grande faixa de temperatura foram realizadas por Curie em 1895.

Ele encontrou que Eletromagnetismo era independente da temperatura para diamagnósticos, mas que variava inversamente com a temperaturapara paramagnéticos:

Eletromagnetismo

Esta relação é chamada como lei de Curie, eC é a constante de Curie [10]. Mais tarde, mostrou-seque a lei de Curie é apenas um caso especial de uma lei mais geral:

Eletromagnetismo

Que ficou conhecida como lei de Curie-Weiss [10]

Os resultados de Curie ficaram sem explicação teórica por dez anos, até que em 1905 Langevin propôs uma teoria.

Em um material ferromagnético, Eletromagnetismo é várias ordens de grandeza maior do que em materiais paramagnéticos ou diamagnéticos, e a relação entre Eletromagnetismo e Eletromagnetismo é não.À medida que Eletromagnetismo cresce, Eletromagnetismo vai crescendo mais lentamente, tendendo a atingir um patamar após o qual se mantém praticamente constante, efeito conhecido por saturação [3]. Entretanto, se diminuirmos Eletromagnetismo a magnetização não volta pelo mesmo caminho que seguiu até a saturação, e se for levada até a saturação contrária e depois até o ponto de saturação anterior, forma um ciclo conhecido como ciclo de histerese (veja figura 1), que descreve o comportamento da magnetização em função do campo para cada material.

Eletromagnetismo
Figura 1: Ciclo de histerese típico de um material ferromagnético

E importante notar que os resultados descritos acima para materiais ferromagnéticos valem somente para temperaturas abaixo da temperatura Eletromagnetismo característica de cada material [3]. Acima de Eletromagnetismo, esses materiais passam a apresentar comportamento paramagn´rtico e obedecem a lei de Curie-Weiss(equação 3). Toda formulação teórica desenvolvida para estudar o ferromagnetismo é de natureza puramente quântica. Os detalhes envolvidos são um tanto quanto complexos e fogem ao escopo deste trabalho.

De uma maneira simplificada, o ferromagnetismo apresentado por materiais como ferro, cobalto e níquel, se origina de uma interaçãoi quântica chamada de acoplamente de troca, na qual os spins dos elétrons de um átomo interagem com os dos átomos vizinhos. O resultado é o alinhamento dos momentos de dipolo magnético dos átomos, apesar da tendência aleatória devido à agitação térmica. Este alinhamento persistente é o que dá aos materiais ferromagnéticos o seu magnetismo permanente[2].

Montagem Experimental

A montagem proposta neste trabalho é uma forma bem simples de mostrar que, ao aquecer um material ferromagnético, este perde suas propriedades magnéticas em uma certa temperatura. Esta montagem, chamada de balança Curie, consiste em um pêndulo de um material ferromagnético que é liberado para oscilar somente quando o material atinge sua temperatura de Curie. A figura 2 mostra como deve ser a balança.

Eletromagnetismo
Figura 2: Esquema simplificado da montagem da balança de Curie

A construção do pêndulo é simples. Tendo em mão uma barrinha de um material magnético, que é o principal material do experimento, monta-se em um suporte um pêndulo com esta barra usando fios finos que podem ser retirados de cordoalhas flexíveis. Em um outro suporte coloca-se o ímâ e o aproxima do pêndulo, até que este seja atraído. A figura 3 mostra algumas fotos da montagem.

Em nossos experimentos, construímos um pêndulo utilizando uma pequena barra de níquel, pois este material apresenta uma temperatura de Curie mais baixa, segundo a tabela 1, e portanto mais fácil de ser alcançada; aproximamos um ímã sem deixar que este tocasse na barra, mas perto o suficiente para que o pêndulo fosse atraído e ficasse suspenso pelo campo magnético, e com a chama produzida por um bico de Bunsen aquecemos o pêndulo. Um bico de Bunsen pode produzir uma chama com temperaturas acima de 1000oC quando bem ajustado, de forma que a temperatura de Curie do níquel é facilmente atingida. Assim, quando isso acontece, o pêndulo começa a sentir cada vez menos a ação do campo até que se solta e passa a oscilar. A figura 4 mostra algumas fotos tiradas de experimentos feitos no Laboratório de Ensino de Química do Instituto de Química da UNICAMP.

Eletromagnetismo

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Figuras 3: Fotos da montagem da balança Curie

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Figura 4: Fotos do experimento com a balança Curie

O fato de não encostar o ímã na barra, mas sim, apenas aproximar, é para diminuir a transferência de calor para o ímã, pois não queremos que este altere suas propriedades magnéticas. Assim, como pode ser visto nas fotos, ao atingir a temperatura de Curie, o pêndulo começa a oscilar livremente.

Material Utilizado

barra de ferro ou níquel

fios finos de cobre retirados de cordoalhas flexíveis

ímã

suporte para o pêndulo

suporte para o ímã

bico de Bunsen

Correntes de Foucault

Introdução Teórica

Antes de começarmos a tratar sobre o que significam as correntes de Foucault, é conveniente que façamos uma introdução sobre a lei da indução de Faraday e sobre a lei de Lenz.

Faraday percebeu que uma f.e.m. e uma corrente podem ser induzidas em uma espira quando o fluxo de linhas decampo magnético fB passando através da área limitada pela espira é variado.

Quantitativamente,esta relação pode ser escrita como:

Eletromagnetismo

Segundo a lei de Lenz, qualquer corrente induzida tem um sentido tal que o campo magnético que ela gera se opõe à variação do fluxo magnético que a produziu.

Matematicamente, a lei de Lenz é expressa pelo sinal negativo que aparece na fórmula da Lei de Faraday [6]. A lei de Lenz está diretamente vinculada ao princípio de conservação de energia [3].

Dessa forma, quando variamos os fluxo de campo magnético sobre uma placa condutora, correntesinduzidas deverão surgir no interior da placa de modo a produzir um campo que cancele a variação do fluxo, da mesma maneira que acontece em uma espira. Essas correntes induzidas que surgem emcondutores devido à variação do fluxo do campo magnético são chamadas de correntes parasitas oucorrentes de Foucault.

Quando um condutor pelo qual passa uma corrente I é submetido a um campo magnético Eletromagnetismo,surge uma força com direção perpendicular ao sentido da corrente e à direção do campo.

Esta força, também chamada de força de Lorentz, pode ser expressa de uma maneira simplificada por:

Eletromagnetismo

Onde Eletromagnetismo é a forçpca, I é a corrente, Eletromagnetismo é o comprimento do condutor submetido ao campo, e Eletromagnetismo o campo magnético. Nos experimentos propostos neste trabalho para verificar a existência de correntes induzidas, esta força é a responsável pelos efeitos observados como consequência dessas correntes.As correntes de Foucault sãp notoriamente difíceis de calcular, porém, seus efeitos são facilmenteobservados [11].

Montagem Experimental

Para ilustrar este fenômeno, são propostas duas montagens clássicas, onde na primeira um pêndulo formado por uma placa condutora de material não magnético é posto a oscilar entre os pólos de dois ´mãs e, na segunda um disco condutor é colocado no lugar do pêndulo. A figura 5 mostra um esquemasimplificado de cada montagem.

Eletromagnetismo

Figura 5: Esquema simplificado mostrando as montagens para observar os efeitos das correntes de Foucault com pêndulos e com disco, respectivamente

Pretende-se observar os efeitos provocados pelo surgimento das correntes de Foucault quando colocamos o pêndulo para oscilar ou o disco para girar.

Pêndulos

No experimento com os pêndulos, o fenômeno observado consiste em uma freagem destes ao passarpelos ímas.

Para evidenciar o fato de que são as correntes de Foucault surgidas as responsáveis pelo efeito, existem três tipos de pêndulos: um formado por uma placa inteira, outro por uma placa damesma forma mas com fendas, e um terceiro tambémm formado por uma placa com fendas mas que não são totalmente vazadas na parte inferior, restanto uma conexão entre as diversas fendas (veja figura6).

O ímã utilizado, mostrado na figura 7, é constituído por uma plataforma com dois parafusos que permitem ajustar o gap1 por onde o pêndulo oscila.

Este ímã, assim como os pêndulos, é parte integrante de um conjunto demonstrativo pertencente ao Laboratório de Ensino de Física do IFGW,e foi tomado emprestado para a realização dos experimentos. Porém, o experimento poder ser feito utilizando quaisquer outros ímãs que produzam um campo não muito fraco (como ímãs de alto-falante, por exemplo), presos a um suporte, ou atée mesmo, com um eletroíma, onde variando a corrente nas espiras obtem-se efeito semelhante ao de variar ogap do ímã da figura 7.

Quando soltamos o pêendulo formado pela placa inteira para oscilar, o efeito é bastante forte. O pêndulo é quase que totalmente freado já na primeira vez em que passa pelos ímãs. Usando o pêndulocom as fendas conectadas (o pêndulo do centro na figura 6), este também é freado rapidamente, mas oscila um pouco mais que o primeiro, efeito que pode ser explicado pelo fato das fendas aumentaremo circuito que as correntes induzidas tem que percorrer. Já com o pêndulo com fendas abertas, este oscila quase que livremente entre os pólos dos ímãs, pois note que as correntes n ão conseguem fechar um circuito como acontecia para os outros dois casos, e o efeito provocado por pequenas corrente induzidas em cada uma das hastes é muito fraco. A figura 8 mostra fotos que foram tiradas em experimentos utilizando-se os três tipos de pêndulos.

Eletromagnetismo
Figura 6: Pêndulos com diferentes forma

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Figura 7: Imã de neodímio (Nd) com gap ajustável

Disco

Na montagem com o disco, é interessante notar a existência de um freamento ao movimentá-lo, semelhante à ação de uma força de atrito viscoso.

Para entender como isso acontece, consideremos oesquema mostrado na figura 9; quando o disco está girando no sentido mostrado na figura, a regiião abo limitada por duas linhas radiais contínuas (oa e ob) e o arco ab está entrando na região onde há campo magnético, simbolizada por uma circunferência tracejada com X’s no interior que significaml inhas de campo magnético entrando perpendicularmente na página, e dessa maneira, o fluxo de linhasde campo na região abo está aumentando, o que induz uma corrente no interior do condutor (correntede Foucault) com sentido tal que tente gerar um campo magnético que anule a variação de fluxo na região. Como o campo magnético externo está entrando na página, o campo magnético produzido pela corrente induzida deve estar saindo, assim, pela regra da mão direita, sabemos que esta correntedeve ter sentido anti-horário, como mostra a figura.

Seguindo o mesmo raciocínio, a região Eletromagnetismo, limitada pelas linhas radiais tracejadas (Eletromagnetismo) e pelo arco Eletromagnetismo, está saindo da região onde há campo magnético, e para gerar um campo que compense a diminuição de fluxo, a corrente induzida deve ter sentido horário. Dessa forma, temos na região central uma corrente resultante I direcionada para o centro do disco.

Nesta região existe ainda a ação do campo magnético que, segundo a fórmula para a força de Lorentz (equaão 5), deve produzir uma força que tem um sentido tal que gere um torque para frear o disco.

Eletromagnetismo
Figura 8: Fotos dos três tipos de pêndulos oscilando entre os pólos dos ímãs

Eletromagnetismo
Figura 9: Esquema simplificado ilustrando o surgimento de uma força contrária ao movimento do disco devido a presença de correntes de Foucaut

Para realizar este experimento, foi construído um disco de alumínio, que não é ferromagnético, com uma pequena manivela para que se possa girá-lo.

A figura 10 mostra como foi feito.

A figura 11 mostram algumas fotos do equipamento pronto. O ímã utilizado para gerar o campo magnético é o mesmo utilizado para os pêndulos (veja figura 7).

Eletromagnetismo
Figura 10: Desenho do disco construído

Eletromagnetismo
Figura 11: Fotos do disco construído para o experimento

Material Utilizado

pêndulos metálicos de material que não seja ferromagnético

suporte para os pêndulos

disco metálico também de material que não seja ferromagnético (cobre ou alumínio, por exemplo)

suporte com eixo para girar o disco

ímãs permanentes ou eletroimã

Discussão

Os experimentos propostos neste projeto são experimentos “clássicos”, e portanto não foram elaboradas neste trabalho. Porém são pouco utilizados por professores ao tratarem os conceitos envolvidos, parte por dependerem de alguns equipamentos não tão comuns, a não ser em um laboratório, e parte por não possuírem um guia para orientação. Dessa forma, todo desenvolvimento deste projeto também se propõe a servir como um roteiro para a realização das experiências, o que facilita um professor ao dar uma aula, no sentido de não ter que desenvolver o experimento e sim, simplesmente seguir o roteiro.

A importância didática deste projeto consiste em auxiliar alunos de ensino médio e também de nível superior no entendimento dos conceitos envolvidos em cada um dos fenômenos destacados nos experimentos, fenômenos estes que muitas vezes não ficam claros apenas com a teoria.

Talvez fosse interessante notar quais seriam as explicações dadas por alunos para os fenômenos observados, pois a forma pouco intuitiva pela qual os campos magnéticos atuam faz com que tais efeitos sejam difíceisde visualizar.

De certa forma, estes experimentos objetivam fazer com que os alunos raciocinem utilizando a teoria que lhes é passada para explicar o que é observado, e assim entender a física portraz dos fenômenos.

Referências

[1] http://www.feiradeciencias.com.br
[2] Halliday, D., Resnick, R., Walker, J.,Fundamentos de F ´isica, v.3, 6 ed., LTC, Rio de Janeiro,2002;
[3] Nussenzveig, H. M.,Curso de F ´isica B ´asica, v.3, 2 ed., Edgard Blucher, S ~ao Paulo, 1992;
[4] Feynman, R. P., Leighton, R. B., Sands, M.,The Feynman Lectures on Physics: Mainly Electro-magnetism and Matter, v.2, Addison-Wesley Publishing Company, Massachusetts, 1977;
[5] O’Handley, R. C.,Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, John Wiley andSons, New York, 2000;
[6] http://www.ufsm.br/gef/
[7] http://www.1911encyclopedia.org/
[8] http://nobelprize.org/physics/laureates/1903/pierre-curie-bio.html
[9] Reitz, J. R., Milford, R. J., Christy, R. W.,Fundamentos da Teoria Eletromagn ´etica, 3 ed.,Editora Campos, Rio de Janeiro, 1988.
[10] Cullity, B. D.,Introduction to magnetic materials, Addison-Wesley, Massachusetts, 1972.
[11] Griffiths, D. J.,Introduction to electrodynamics, 3 ed., Prentice Hall, New Jersey, 1999.

Fonte: www.ifi.unicamp.br

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