UNIDADE 2COMUNICAÇÕES

2.1. Comunicação de informação a curtas distâncias

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Melhorando a comunicação: microfone e o altifalante

• Microfone: converte um sinal sonoro num

sinal eléctrico

• Altifalante: converte sinais eléctricos nos

sons originais.

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Noção de campo… um modelo alternativo à descrição das interacções

• Chama-se campos de forças a toda a região do espaço na qual uma certa influência se faz sentir: uma partícula colocada em qualquer dessa região sofre a acção de uma força bem definida.

• Um campo, em Física, não é uma entidade material. É, tal como o conceito, um auxiliar muito útil.

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O campo magnético

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As auroras austrais (pólo Sul) e boreais (pólo Norte) devem-se à acção do campo magnético terrestre.

O campo magnético

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Campo magnético terrestreQuando se suspende um íman pela parte central, observa-se que ele oscila procurando equilibrar-se numa posição tal que o pólo norte aponta para o Norte Geográfico que corresponde ao pólo sul magnético.

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A causa do magnetismo da Terra encontra-se, quase de certeza, no pesado núcleo em fusão do planeta que é composto por materiais magnéticos.

Campo magnético terrestre

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Como criar um campo magnético?

Um íman é um objecto que, comportando-se como a magnetite, atrai objectos metálicos.

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Por que atrai o íman a limalha de ferro?

O íman cria um campo magnético à sua volta, atraindo certos materiais.

Um campo magnético é uma região do espaço onde se fazem sentir as acções magnéticas do íman.

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ÍmanesTodos os ímanes apresentam dois pólos magnéticos: pólo norte e pólo sul

- pólos magnéticos iguais repelem-se

- pólos magnéticos diferentes atraem-se

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Ímanes

Partindo um íman em duas partes, cada parte funciona como um novo íman completo.A atracção ou repulsão entre ímanes é resultado da acção de uma força à distância – força magnética.

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Experiência de Oersted

Ao colocar uma agulha magnética sob um fio condutor percorrido por uma corrente eléctrica, Oersted observou que :(1) a agulha magnética oscilava, acabando por ficar perpendicular ao fio(2) quando se interrompia o circuito, a agulha voltava à posição inicial.

A experiência demonstrou que cargas eléctricas em movimento criam, no espaço à sua volta, um campo magnético.Verificou, ainda, que o campo magnético criado por um fio percorrido por uma corrente é tanto maior quanto maior for a intensidade da corrente.

I = 0

I

I

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Qual a diferença entre o campo magnético criado pelo

íman e pela corrente eléctrica?

Experiência de Oersted

Um íman cria sempre um campo magnético à sua volta e um fio condutor apenas cria um campo magnético se houver corrente eléctrica, ou seja, o campo magnético deixa de existir quando a corrente eléctrica cessa.

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Vector campo magnético - B

Um campo magnético pode ser visualizado através das linhas de campo ou linhas de força que, por convenção, começam no pólo norte e terminam no pólo sul.

A unidade S.I. de campo magnético é o tesla (T).

pólo norte magnético

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Linhas de campoPara tentar visualizar um campo, desenham-se séries de linhas (linhas de força ou linhas de campo) que indicam:- a direcção e sentido do campo em cada

ponto- intensidade do campo.Por exemplo, as linhas que unem pontos de igual

pressão (isobáricas) traduzem um campo de pressão que é escalar.

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Linhas de campo magnéticoPropriedades das linhas de campo magnético:- são tangentes, em cada ponto, ao

campo magnético;- têm o sentido do campo magnético;- são mais densas nas regiões onde o

campo magnético é mais intenso;- saem do pólo norte e entram no pólo

sul;- são linhas fechadas e que nunca se

cruzam.

Linhas de campo criadas por um

íman.

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Linhas de campo magnético

Linhas de campo criadas por um

íman.

Linhas de campo: pólos iguais repelem-

se mutuamente.

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Linhas de campo magnético

Linhas de campo: pólos diferentes atraem-se

mutuamente.

Caso atractivo Caso repulsivo

As partículas da limalha de ferro

orientam-se segundo as linhas de campo.

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Campo magnético uniformeO campo magnético pode ser uniforme ou não uniforme.

- Num campo uniforme, a densidade das linhas de campo é constante;

- Num campo não uniforme, a densidade de linhas de campo é variável.

Numa região do espaço onde o campo magnético é uniforme:

- B têm o mesmo valor em todos os pontos; - as linhas de campo são paralelas e equidistantes entre si.

O campo magnético criado por um íman em forma de U é

uniforme.

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Num campo magnético não uniforme:

- B têm um valor diferente em cada ponto do espaço;

- a densidade de linhas de campo é variável.

Campo magnético não uniforme

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• Criado por cargas eléctricas em repouso.• Uma partícula de carga neutra não sente a

acção de um campo eléctrico.

EqFe

Campo eléctrico

Unidades S.I.Fe – força eléctrica (N)q – carga pontual (C)E – campo eléctrico (V/m)

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Representação do vector campo eléctrico

E

+

+

Carga fonte do campo

Carga de prova

E

+

-

Carga fonte do campo

Carga de prova

O sentido do campo eléctrico depende da acção ser atractiva ou repulsiva

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Campo eléctrico criado por uma só carga

E- E+

- O campo eléctrico é radial, pois tem a direcção do raio que passa no ponto.

- É centrípeto.

- O campo eléctrico é radial, pois tem a direcção do raio que passa no ponto.

- É centrífugo.

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Linhas de campo eléctricoPropriedades das linhas de campo eléctrico:- são tangentes, em cada ponto, ao

campo eléctrico;- têm o sentido do campo eléctrico;- são mais densas nas regiões

onde o campo eléctrico é mais intenso;

- começam nas cargas positivas e terminam nas negativas;

(a) Vector campo eléctrico e (b) Linhas de campo eléctrico criado por uma carga eléctrica positiva.

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Linhas de campo eléctrico

(a) Vector campo eléctrico e (b) Linhas de campo eléctrico criado por uma carga eléctrica negativa.

Linhas de campo uniforme

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Linhas de campo eléctrico

Vector campo eléctrico e Linhas de campo eléctrico criadas por: (a) uma carga eléctrica positiva; (b) uma carga eléctrica positiva e outra negativa (dipolo eléctrico), (c) duas cargas com o mesmo sinal.

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Sabendo que a corrente eléctrica cria um campo magnético, podemos colocar a seguinte questão…

Será que o contrário também é verdade? Isto é, será que o

campo magnético de um íman pode gerar uma corrente

eléctrica?Foram Michael Faraday, em Inglaterra, e Joseph Henry, nos EUA, que encontraram respostas após 7 anos de pesquisa…

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Experiência IIndução electromagnética por movimento de um íman no interior de uma bobina

1. O que acontece quando colocas o íman no interior do tubo?

2. O que observas quando movimentas o íman no interior do mesmo?

Nada a registar…

O ponteiro do voltímetro movimenta-se, indicando que há produção de uma corrente eléctrica. Se o íman não se movimenta na bobina não há produção de corrente eléctrica.Como o circuito não tem qualquer gerador, diz-se que a corrente eléctrica nele gerada é uma corrente induzida e falamos de um processo de indução electromagnética.

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Experiência I

Se o magnete permanecer em repouso, não se detecta corrente no circuito.É, portanto, necessário que o campo magnético varie no interior da bobina para que se crie uma força electromotriz (f.e.m.)

Indução electromagnética por movimento de um íman no interior de uma bobina

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Experiência IIIndução electromagnética por acção de um campo eléctrico variável numa bobina

As correntes induzidas podem ser geradas não sómagnetes mas também através de correntes eléctricas.

Corrente eléctrica induzida por uma bobina que se afasta e aproxima. A bobina 1 é o circuito indutor e a bobina 2 o circuito induzido.

Se a bobina 1 se mover no interior da outra (bobina 2), o galvanómetro assinala que foi estabelecida corrente no circuito, ou seja, detecta-se o aparecimento de uma f.e.m. induzida na bobina 2.Note-se que, enquanto a corrente na bobina tiver intensidade constante, não há f.e.m. produzida.

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Experiência IIIndução electromagnética por acção de um campo eléctrico

variável numa bobina

A corrente eléctrica variável criou um campo magnético variável que teve, igualmente, como consequência, o aparecimento de uma f.e.m. induzida na bobina exterior. Corrente eléctrica induzida por uma

bobina cuja corrente se faz variar por variação da resistência R do circuito indutor (bobina 1).

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A Indução ElectromagnéticaA experiência I permite concluir que:À custa do movimento de um íman junto a uma bobina, é possível obter um campo magnético, variável ao longo do tempo, que tem como consequência o aparecimento de uma f.e.m. induzida nos terminais da bobina.

A experiência II permite concluir que:Uma corrente eléctrica variável cria um campo magnético variável nas vizinhanças. Este origina um f.e.m. induzida numa bobina nele colocado, ou seja, gera uma corrente induzida.

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Fluxo magnético

m = BA cosUnidades S.I.:m- Fluxo magnético Wb (Webber)B – Campo magnético T (Tesla)A – Área da superfície m2

- ângulo formado pela direcção do vector campo magnético e pela perpendicular à superfície

Na tentativa de interpretar os fenómenos magnéticos, os físicos do séc. XIX utilizaram o conceito de fluxo, por analogia ao fluxo (caudal) dos líquidos.

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Fluxo magnético

Bn

O campo magnético atravessa perpendicularmente a superfície.O ângulo formado pela direcção do vector campo magnético e pela normal à superfície é = 0ºO fluxo magnético será dado por:

m = BA cos (0º) m = BA

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Fluxo magnéticoO campo magnético tem a mesma direcção da superfície.O ângulo formado pela direcção do vector campo magnético e pela normal à superfície é = 90ºO fluxo magnético será dado por:

m = BA cos (90º)

m = 0 Wb

Bn

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Fluxo magnéticoO valor do fluxo magnético que atravessa uma área A é uma medida do número de linhas de força (e, portanto, da intensidade) do campo magnético que atravessa a mesma área.

Fluxo magnético que atravessa uma bobina de N espiras:

m = N m (uma espira)

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Bobina ou SolenóideDenomina-se solenóide ou bobina um conjunto de espiras circulares justapostas (enrolamento), perfazendo um determinado comprimento.

Bobina de N espiras percorrida por uma corrente contínua.

Linhas de campo magnético geradas por uma bobina percorrida por uma corrente eléctrica.

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Lei da Indução Electromagnética

tm

i

As experiências realizadas por Faraday permitiram enunciar a seguinte relação, conhecida pela Lei de Faraday:Lei de FaradayA f.e.m., i, numa espira de um condutor metálico é igual, em módulo, à taxa de variação temporal do fluxo magnético que atravessa a espira.

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Lei da Indução Electromagnética

tm

i

A partir da expressão da Lei de Faraday constata-se que são as variações de fluxo magnético que originam uma f.e.m. Se o fluxo se mantiver constante não há f.e.m. produzida.

Uma espira constitui um circuito fechado em que existe uma corrente eléctrica induzida, cuja intensidade pode ser calculada pela Lei de Ohm:

i = R ×I

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ExemploConsidere uma bobina constituída por um enrolamento com N = 10 espirascirculares com área de secção recta 1 dm2. Admitindo que a bobinaé mergulhada numa região do espaço onde existe um campo de induçãomagnética de valor 10 T e que forma um ângulo de 60º com o plano das espiras, determine o fluxo magnético gerado na bobina.

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Geradores de f.e.m. induzidaA Lei de Faraday está na origem da produção industrial de

electricidade.

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Geradores de f.e.m. induzidaOs geradores de indução são máquinas que transformam energia mecânica (energia cinética de rotação de um eixo) em energia eléctrica.

Geradores corrente AC e DC: http://www.wvic.com/how-gen-works.htmhttp://www.molecularexpressions.com/electromag/java/generator/ac.html

Há sempre um campo magnético, criado por um íman, no qual há um circuito que, ao rodar com uma frequência constante, provoca uma variação contínua do ângulo e consequente variação do fluxo magnético.A f.e.m. assim induzida é uma função harmónica do tipo sinusoidal e a corrente eléctrica induzida designa-se por alternada.

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Funcionamento do microfoneMicrofone: converte um sinal sonoro num sinal eléctrico.

Quando o som atinge a membrana, esta entra em oscilação devido às diferenças de pressão provocadas pela onda sonora (ondas de pressão).

Como a membrana está ligada à bobina, esta passa a oscilar com a mesma frequência.

Durante este movimento, o fluxo magnético do campo criado pelo íman varia (um maior ou menor nº de linhas de campo vai atravessar as suas espiras).

Essa variação de fluxo magnético a que a bobina fica sujeita induz uma f.e.m. que, por sua vez, origina uma corrente eléctrica no circuito da bobina.

Íman Bobina ligada ao diafragma

Som

Diafragma

Sinal eléctrico a amplificar

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Funcionamento do altifalanteAltifalante: converte um sinal eléctrico num sinal sonoro.

http://www.molecularexpressions.com/electromag/java/speaker/index.html

Quando a corrente eléctrica passa na bobina, varia de acordo com os sinais eléctricos recebidos

Esta corrente eléctrica variável dá origem a um campo magnético variável.

Este campo magnético ao interagir com o campo magnético produzido pelo íman provoca na bobina um movimento oscilatório.Uma vez que a bobina está ligada a uma

membrana, esta passa a vibrar com a mesma frequência e com a mesma intensidade, reproduzindo o som original, ou seja, a membrana oscilante não é mais do que uma fonte sonora.

Íman

Corrente alternada

Diafragma

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Funcionamento do microfone e altifalante - síntese

Microfones de indução

Vibração do meio (diafragma) provoca

Variação do fluxo magnético produz

Força electromotriz variável origina

Corrente eléctrica alternada cuja intensidade e frequência reproduzem

as vibrações originais.

Altifalantes

Corrente eléctrica alternada origina

Criação de um campo magnético variável na bobina origina

Atracção e repulsão magnética por interacção com o campo magnético gerado pelo íman

originaVibração do meio (membrana)