Em um material ferromagnético, | ~M | é várias ordens de grandeza maior do que em materiais paramagnéticos ou diamagnéticos, e a relação entre ~M e ~H é não-linear.
à medida que ~H cresce, ~M vai crescendo mais lentamente, tendendo a atingir um patamar após o qual se mantém praticamente constante, efeito conhecido por saturação [3].
Entretanto, se diminuirmos ~H 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.
é importante notar que os resultados descritos acima para materiais ferromagnéticos valem somente para temperaturas abaixo da temperatura TC característica de cada material [3].
Acima de TC, esses materiais passam a apresentar comportamento paramagnético 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 interação 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].
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.
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 ímã e o aproxima do pêndulo, até que este seja atraído.
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 1000 oC 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.
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.
• barra de ferro ou níquel
• fios finos de cobre retirados de cordoalhas flexíveis
• imã
• suporte para o pêndulo
• suporte para o ímã
• bico de Bunsen.
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 de campo magnético B passando através da área limitada pela espira é variado.
Quantitativamente, esta relação pode ser escrita como: = - d B dt (4) 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, correntes induzidas 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 em condutores devido à variação do fluxo do campo magnético são chamadas de correntes parasitas ou correntes de Foucault.
Quando um condutor pelo qual passa uma corrente I é submetido a um campo magnético ~B, 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: ~F = I ~L × ~B (5) Onde ~F é a força, I é a corrente, ~L é o comprimento do condutor submetido ao campo, e ~B o campo magnético.
Nos experimentos propostos neste trabalho para verificar a existência de correntes induzidas, esta força é a responsável pelos efeitos observados como conseq¨uência dessas correntes.
As correntes de Foucault são notoriamente difíceis de calcular, porém, seus efeitos são facilmente observados [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 ímãs e, na segunda um disco condutor é colocado no lugar do pêndulo.
A figura 5 mostra um esquema simplificado de cada montagem.
Pretende-se observar os efeitos provocados pelo surgimento das correntes de Foucault quando colocamos o pêndulo para oscilar ou o disco para girar.
No experimento com os pêndulos, o fenômeno observado consiste em uma freagem destes ao passar pelos ímãs.
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 da mesma forma mas com fendas, e um terceiro também formado por uma placa com fendas mas que não são totalmente vazadas na parte inferior, restanto uma conexão entre as diversas fendas (veja figura 6).
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 íma, 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 até mesmo, com um eletroíma, onde variando a corrente nas espiras obtem-se efeito semelhante ao de variar o gap do íma..
Quando soltamos o pêndulo 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 ímas.
Usando o pêndulo com 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 aumentarem o circuito que as correntes induzidas têm que percorrer.
Já com o pêndulo com fendas abertas, este oscila quase que livremente entre os pólos dos ímãs, pois note que as correntes não conseguem fechar um circuito como acontecia para os outros dois casos, e o efeito provocado por pequenas correntes 1Termo utilizado para designar o espaçamento entre os pólos dos ímãs.
A figura 8 mostra fotos que foram tiradas em experimentos utilizando-se os três tipos de pêndulos.
2 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 o esquema mostrado na figura 9; quando o disco está girando no sentido mostrado na figura, a região 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 significam linhas de campo magnético entrando perpendicularmente na página, e dessa maneira, o fluxo de linhas de campo na região abo está aumentando, o que induz uma corrente no interior do condutor (corrente de 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 corrente deve ter sentido anti-horário, como mostra a figura.
Seguindo o mesmo raciocínio, a região a0b0o, limitada pelas linhas radiais tracejadas (oa0 e ob0) e pelo arco a0b0, 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 18 - 12 Instrumentação para o ensino F 809 Figura 8: Fotos dos três tipos de pêndulos oscilando entre os pólos dos ímãs.
Nesta região existe ainda a ação do campo magnético que, segundo a fórmula para a força de Lorentz (equação 5), deve produzir uma força que tem um sentido tal que gere um torque para frear o disco.
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 íma utilizado para gerar o campo magnético é o mesmo utilizado para os pêndulos (veja figura 7).
• 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
• imãs permanentes ou eletroimã
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 difíceis de 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 por traz dos fen
Fonte: www.ifi.unicamp.br
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