fisica aplicada força magnetica produzida por cargas em movimento

7/25/2019 Fisica Aplicada Fora Magnetica produzida por Cargas em Movimento

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Ficha Laboratorial n 3

Fora magntica produzida por cargas

em movimento

Curso: Licenciatura em Engenharia Eletrotcnica e das Telecomunicaes

Disciplina: Fsica Aplicada 1

Docente: Joaquim Oliveira

Discentes: Eugeniu Malai, Ioan Danut Trifoi

Trinio: 2015/2018

Data: 01-12-2015


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CET EM ELECTRTECNIA E INSTALAES ELECTRICASELECTROTECNIA

Fora magntica produzida por cargas em movimento Pgina 1de 16

ndiceIntroduo .......................................................................................................................................... 2

Experincia 1: (Fora magntica num condutor com cargas eltricas em movimento) .................... 3

Fora magntica ............................................................................................................................. 3

Propriedades .............................................................................................................................. 3

Fora magntica sobre condutores com corrente ......................................................................... 4

Fora magntica sobre partculas com carga ................................................................................. 5

Procedimentos prticos e resultados obtidos ................................................................................ 8

Em suma: .................................................................................................................................... 9

Experincia 2: (O motor DC) ............................................................................................................. 12

Em suma ....................................................................................................................................... 12

Resultados: ............................................................................................................................... 13

Respostas:................................................................................................................................. 14

Concluso ......................................................................................................................................... 15

Referncias ....................................................................................................................................... 16

Bibliogrficas ................................................................................................................................ 16

Eletrnicas .................................................................................................................................... 16


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Introduo

Com o seguinte relatrio pretende-se descrever a realizao das experiencias

contidas na Ficha Laboratorial 3, que foram realizadas no mbito da disciplina prtica de

Fsica Aplicada 1, ministrada pelo professor Joaquim Oliveira na Escola Superior de

Tecnologia de Castelo Branco.

Este relatrio relata os objetivos da experiencia prtica, sendo estes os seguintes:

Descrever o resultado quando uma corrente flui em um condutor rodeado por um

campo magntico;

Descrever o efeito associado inverso da corrente no condutor;

Perceber o princpio de funcionamento de um motor DC de manes permanentes;

Distinguir os conceitos de fora e torque; Medir corretamente grandezas eltricas com o multmetro e o osciloscpio.


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Experincia 1: (Fora magntica num condutor com cargas eltricas

em movimento)

A seguinte experiencia baseada no conceito fsico chamado de fora magntica

produzida por cargas em movimento. Para uma melhor compreenso foi decidido apresentar

algumas definies.

Fora magntica

A fora magntica um tipo de fora entre objetos, que atua mesmo que estes

no estejam em contato, tal como a fora gravitacional e a fora eltrica. Pode ser

atrativa ou repulsiva, o que fez com que antigamente (antes de 1600) fosse confundida

com a fora eltrica.

Existem manes naturais que se encontram na natureza, por exemplo na Grcia

antiga, as rochas extradas nas minas da regio da Magnesia eram manes naturais que

deram origem ao termo magnetismo. Um man tem sempre um polo norte e um polo sul.

Aproximando dois polos opostos de dois manes, surge uma fora atrativa entre os

manes; e entre polos semelhantes a fora repulsiva.

PropriedadesUm man cria um campo magntico sua volta em que o campo pode ser

detetado, por exemplo com uma bssola, que tambm um pequeno man. A figura aolado mostra um man de forma de barra retangular, o polo norte

costuma estar pintado de vermelho, em que a bssola aponta no

sentido das linhas de campo magntico.

Aproximando uma bssola dos polos, consegue-se ver a direo das linhas de

campo magntico por conveno, as linhas de campo so no sentido em que aponta o

polo norte da bssola. Assim, em cada ponto define-se um vetor de campo magntico,

com o sentido e direo da orientao da bssola.

As linhas de campo saem do polo norte e entram no polo sul e so semelhantes

s linhas de campo eltrico de um dipolo eltrico, mas a diferena que as linhas de

campo magntico no terminam no polo sul, nem comeam no polo norte, mas so linhas

fechadas que passam pelos dois polos.

(Na figura ao lado podemos observar as linhas de campo

magntico de um man retangular.)


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Se partirmos um man em vrios pedaos menores, em cada pedao aparecem

um polo norte e um polo sul. impossvel obter um polo norte ou um polo sul isolado.

Essa a maior diferena em relao ao campo eltrico, onde podem existir cargas

positivas ou negativas isoladas.

A inexistncia de mono-polos magnticos implica que no podem existir pontos

para onde muitas linhas de campo convergem, nem pontos de onde muitas linhas de

campo divergem.

A prpria Terra tambm um man natural e, por isso, a bssola aponta na

direo do Polo Norte geogrfico. As linhas do campo magntico terrestre tm o sentido

do polo sul geogrfico para o Polo Norte geogrfico. Assim, o Polo Norte geogrfico , de

facto, o polo Sul magntico da Terra, e o Polo Sul geogrfico o polo norte magntico.

Os materiais que podem ser magnetizados, formando um man, so chamados

ferromagnticos. A maior parte das substncias so diamagnticas, nomeadamente, no

podem ser magnetizadas e no interagem com o campo magntico de forma aprecivel,

exceto num campo magntico muito forte, onde sentem uma fora repulsiva.

Para mais conhecimentos, tambm existem substncias paramagnticas que so

atradas ligeiramente pelos manes (os materiais ferromagnticos so atrados com maior

fora).

Fora magntica sobre condutores com correnteUm campo magntico tambm pode ser detetado com um fio percorrido por

corrente. O campo magntico produz uma fora sobre o fio, diretamente proporcional

corrente. A fora magntica sobre um pequeno segmento de fio depende tambm da

orientao do fio em relao ao campo magntico; se o fio for paralelo ao campo

magntico, a fora nula, e se o fio for perpendicular ao campo, a fora mxima. O

mdulo da fora tambm diretamente proporcional ao comprimento do pedao de fio. A

constante de proporcionalidade define o mdulo do campo magntico,B.

A direo da fora sempre perpendicular ao campo magntico e perpendicular

ao fio; o sentido da fora segue a regra da mo direita entre o sentido da corrente e o

sentido do campo magntico. Usando vetores, a fora pode ser escrita assim:

Em que um vetor na direo do fio, no sentido da corrente e com mdulo igual

intensidade da corrente, e o comprimento do segmento de fio.


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No caso geral, ser preciso integrar a equao acima para obter a fora total

sobre um fio. No caso particular em que o fio for retilneo, com comprimento L, e o campo

magntico for uniforme, a fora resultante :

A equao da direo da fora permitem-nos concluir que, no sistemainternacional de unidades, as unidades do campo magntico so N=(m.A). Essa unidade

o tesla, identificado pela letra T. Um campo magntico de um tesla um campo

bastante elevado. Uma unidade menor, usada com frequncia, o gauss, identificado

com a letra G: . Para conhecimento, o mdulo do campo magntico

terrestre, na superfcie da Terra, encontra-se entre 0.3 G e 0.6 G em diferentes locais.

Fora magntica sobre partculas com carga

A fora produzida pelo campo magntico sobre um fio com corrente o resultadodas foras que atuam sobre cada uma das cargas de conduo, devido ao seu

movimento.

Quando no h corrente, a velocidade mdia das cargas de conduo nula e a

fora magntica resultante tambm nula. Quando a corrente aumenta no condutor, a

velocidade mdia das cargas de conduo aumenta em proporo direta corrente, e a

fora sobre cada carga de conduo tambm aumenta em proporo direta. A fora

magntica sobre cada carga de conduo e, de forma geral, a fora magntica sobre

qualquer partcula com carga q dada pela equao: *

(Na figura a esquerda pode se observar

uma representao da fora magntica sobre as

cargas de conduo, num condutor com corrente.)

*Em que a velocidade da partcula e o campo magntico no ponto onde se

encontra a partcula. Assim, a fora magntica diretamente proporcional ao mdulo da

velocidade da partcula e sua carga.

Se a velocidade for paralela ao campo, a fora ser nula, e se a velocidade for

perpendicular ao campo, a fora ser mxima. A fora magntica perpendicular

velocidade da partcula e perpendicular ao campo.


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Se a carga da partcula for positiva, o sentido da fora dado pela regra da mo

direita, desde (ver figura abaixo), ou no sentido oposto, se a carga da partcula for

negativa.

(A fora magntica sobre umapartcula perpendicular sua

velocidade e a campo magntico, no

sentido da regra da mo direita.)

Numa regio onde existem campos eltrico, , e magntico, , a fora sobre uma

partcula com carga qe velocidade :

Em geral, a fora resultante poder ter componentes nas direes tangencial e

normal. A fora magntica sempre no plano perpendicular direo tangencial.

Qualquer mudana de energia cintica devida ao campo eltrico j que o campo

magntico no realiza nenhum trabalho, por produzir fora sempre perpendicular ao

deslocamento.

As linhas de campo magntico de um campo magntico uniforme so retas

paralelas e costumam desenhar-se equidistantes entre sim, para indicar a uniformidade

do campo. Assim sendo, num plano perpendicular ao campo uniforme, as linhas so

desenhadas como pontos, se o campo apontar para fora do desenho, ou por meio de x,

se o campo apontar para dentro do desenho, como no caso seguinte, por exemplo, na

figura que segue est representado um campo magntico uniforme, que aponta para

dentro da folha.

(Movimento de uma partcula com carga

negativa dentro de um campo magntico

uniforme, apontando para dentro da folha.)

Consideremos uma partcula, com carga


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q, que se desloca dentro de um campo magntico uniforme, sem existirem outras foras

para alm da fora magntica. Se a velocidade inicial da partcula for perpendicular ao

campo, o mdulo da fora magntica ser .

Como em cada instante a fora perpendicular velocidade, e o modulo davelocidade permanece constante (a fora magntica no altera a energia cintica), o

resultado ser um movimento circular uniforme em que a fora centrpeta, a

fora magntica .

Consequentemente, o raio da trajetria e a velocidade angular do movimento

sero:

As partculas com carga negativa rodaro em sentido oposto s partculas com

carga positiva.

Se a velocidade inicial no for perpendicular ao campo, a componente da

velocidade no sentido do campo permanece constante, enquanto a velocidade

perpendicular roda, com a velocidade angular dada pela equao acima.

A sobreposio do deslocamento uniforme, na direo do campo, e o movimento

circular uniforme no plano perpendicular, produz um movimento helicoidalque segue as

linhas de campo magntico. O raio da hlice ser menor nas regies onde o campo for

mais forte, e as linhas de campo estiverem mais perto umas das outras.

Um par de campos eltrico e magntico, uniformes e perpendiculares entre si

podem ser usados para filtrar partculas com uma determinada velocidade. A figura

abaixo mostra um filtro de velocidades, formado por um campo eltrico uniforme que

aponta para cima, e um campo magntico uniforme que aponta para fora do papel.

Uma partcula com carga positiva qe velocidade para a direita sentir uma fora

eltrica para cima, e uma fora magntica de mdulo , para baixo.


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Consequentemente, a fora resultante ser nula se o mdulo da velocidade

for exatamente igual a:

Coloca-se uma barreira no filtro, de maneira que unicamente as partculas que sedeslocam em linha reta (com velocidade E/B) logrem ultrapassar a barreira.

Procedimentos prticos e resultados obtidos

Para a experiencia 1, no ideal, necessrio a utilizao do material abaixoindicado, no entanto houve uma pequena alterao que foi a substituio da fonte de

alimentao, uma vez que no havia disponvel fonte de 12 V 6 A, assim sendo foi

utilizada uma fonte de alimentao dupla, que ligada em paralelo fornecia 24 V6 A:

2 manes e respetiva base (PASCO EM-8641);

1 Suporte metlico com trip;

1 Condutor metlico rgido;

Cabos eltricos;

1 Fonte de alimentao 12 V6 A.

Uma vez o material preparado procedeu-se a montagem da experinciaque pode ser

visualizada na fotografia acima.


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Em suma:A experiencia pede para ligar o condutor rgido a uma fonte de alimentao,

usando conectores eltricos, e observar os acontecimentos, de seguida inverter a ligao

dos conectores eltricos na fonte de alimentao e voltar a observar os acontecimentos.

Assim sendo, a primeira ligao realizada teve o condutor de lado esquerdo ligado

a fonte no sinal positivo e o condutor de lado direito ligado no sinal negativo, como se

pode ver abaixo na figura de lado esquerdo, no segundo procedimento as ligaes foram

invertidas de posio como se pode observar na figura abaixo de lado direito. (A seta

tracejada indica o sinal negativo.)

No procedimento observou-se ainda que ao ligar a fonte de alimentao, o

condutor rgido percorrido por uma corrente, o que provoca este a deslocar-se, para a

frente no primeiro caso, e para atras no segundo caso. O efeito sobre o condutor rgido

pode ser explicado pelo conceito da fora magntica.

Primeiramente tem que se perceber o que se passa com o condutor rgido quando

percorrido por uma corrente eltrica. Assim sendo, quando uma corrente eltrica

atravessa um fio condutor, cria em torno dele um campo magntico. Este efeito foiverificado pela primeira vez por Hans Christian Orsted em abril de 1820. Ele observou

que a agulha de uma bssola defletia de sua posio de equilbrio quando havia prximo

a ela um fio condutor pelo qual passava uma corrente eltrica.

Como sabemos, a agulha de uma bssola um pequeno man, e como todo man

atrado ou repelido quando aproximado de outro man ou um campo magntico, assim

sendo na nossa experiencia, em vez da bussola foram utilizados dois manes de alto

poder, que foram fixados nos quais foram fixadas duas placas de metal e dentro das

quais passava o condutor rgido.


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Uma vez que os manes estavam fixos no se podiam deslocar, como na

experiencia com a bussola verificada por Orsted, isto fez com que se deslocasse o

prprio fio rgido percorrido por uma corrente eltrica de 4 A.

Agora explicando o porque do fio rgido se deslocar para frente ou para atrasquando percorrido por uma corrente eltrica. Para a explicao melhor dos

acontecimentos em alguns casos vamos utilizar o exemplo com a bussola, que na

experiencia prtica tambm foi utilizada, utilizando uma aplicao no sistema Android do

Smartphone.

Com as informaes acima foi possvel realizar este experimento e verificar que

todo fio condutor, quando atravessado por uma corrente eltrica, cria em torno de si um

campo magntico. Percebe-se ainda que o condutor rgido desloca-se para um lado ou

para outro se invertermos o sentido da corrente, ou seja inverte o sentido da deflexo.

Um m no interage com cargas eltricas estacionrias, mas quando estas

cargas esto em movimento, surge uma interao entre o m e o fio que as conduz. Isso

se d porque um fio condutor quando percorrido por uma corrente eltrica, gera em torno

de si um campo magntico, de mesma natureza que daquele de um m natural.

Um m, como a agulha da bssola, possui dois polos magnticos, norte e sul.

Quando o campo magntico de dois ms naturais interagem, o polo sul de um m atrado pelo polo norte do outro e vice e versa. Da mesma forma, polos iguais se

repelem. Por isso, a agulha de uma bssola possui uma orientao preferencial: seus

polos norte e sul esto sendo atrados pelos polos sul e norte do campo magntico da

Terra. Por conveno as bssolas apontam para o polo norte magntico da Terra. Por

isso feita uma marca no polo sul da agulha da bssola.

Quando outro campo magntico, alm do da Terra, se aproxima da agulha da

bssola (ou seja do man), este campo passa a interagir com esta, fazendo que sua

agulha seja atrada ou repelida por este segundo campo. Por isso usamos a bssola

como "verificador" da existncia de um campo magntico, quando desconfiamos que

algum objeto est magnetizado.

Mais ainda podemos dizer, que pela conveno do eletromagnetismo, a

orientao das linhas do campo magntico "sair" do polo norte e "entrar" no polo sul.


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Com efeito, o campo magntico que se forma em torno do fio circular, ou seja,

podemos imaginar linhas de campo circulares concntricas que tem uma determinada

orientao.

Para determinar a orientao do campo usa-se a Regra da Mo Direita que diz:

Com o dedo polegar da mo direta apontando no sentido da

corrente, que flui do polo positivo para o polo negativo, curve

os dedos fazendo um movimento circular no sentido de

fechar a mo. O sentido do campo ter o mesmo sentido de

rotao dos dedos. Ou seja, imagine que a ponta dos seus

dedos, excluindo-se o polegar so setas que apontam para o

norte. Ento pode-se imaginar que a ponta dos dedos ir

repelir o norte e atrair o sul da agulha da bssola, como

mostra a figura.

Conclui-se que, se a agulha da bssola estiver em repouso, sem interferncia de

um campo magntico prximo, ela estar apontando no sentido norte-sul magntico da

Terra, como j foi dito. Ento, se raciocinarmos em termos de linhas de campo, e se a

orientao das linhas de campo geradas pelo fio que atuam sobre a agulha estiverem

apontando para o polo norte da agulha da bssola (que por sua vez aponta para o polo

sul da Terra), esta ser repelida pela ao deste campo magntico. E se estiver

apontando para o sul da agulha, esta ser atrada pela ao deste campo.

Quanto a agulha vai defletir depender da intensidade do campo magntico

gerado pelo fio. Logo, se a intensidade do campo magntico for pequena, a agulha far

uma pequena abertura e se a intensidade do campo magntico for alta, a agulha tender

a ficar com uma abertura perpendicular ao fio. A intensidade do campo gerado pelo fio

diretamente proporcional corrente que passa por esse.

Efeito similar se d quando o fio ao invs de estar sobre a bssola no sentido

norte-sul, estiver perpendicular bussola. Neste caso a agulha permanece na mesma

posio, ou a inverte completamente. E o raciocnio para verificar se o sentido de rotao

da agulha da bssola coerente, aplicar a regra da mo direita.


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Experincia 2: (O motor DC)

As mquinas de corrente contnua (c.c.) ou em ingls DC (direct current), e

nomeadamente os motores de c.c., tiveram muita utilizao no incio da divulgao da

energia eltrica (fins do sc. XIX e incio do sc. XX). Ainda hoje se utilizam em algumas

aplicaes particulares. Os motores de c.c. tm muito boas caractersticas de regulao

de velocidade, facto que os torna particularmente interessantes.

Em suma

Material necessrio:

Kit didtico DIGIAC 3000 Dispositivos electromagnticos-1, e respetivos

acessrios (ligadores e cabos);

Multmetro digital;

Osciloscpio.

Na figura abaixo pode-se ver a ligao que foi feita na placa de testes (Kit didtico

DIGIAC 3000).


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Resultados:Tempo entre dois impulsos (entre flancos ascendentes):

Tempo = 10.8 ms;

Velocidade do motor em rotaes/s:

Velocidade = 1/(10.8*2*10^-3) = 46.296 rps;

mais comum calcular a velocidade de rotao de um motor em rotaes por

minuto - rpm. Este valor ser obviamente 60 vezes superior que o valor em rotaes/s:

Velocidade = 2777.76 rpm;

Verifique que a tenso do multmetro aos terminais ligeiramente inferior a 1 V.

Tome nota do tempo entre dois impulsos e calcule a velocidade de rotao do motor.

Reduza gradualmente a tenso e preencha a tabela seguinte com os dados medidos,

deve-se ter em conta que o ajusta gradualmente da tenso teve influncias de desgaste

tcnico do material pelo que os valores da tenso no foram ajustados de forma ideal aos

da tabela abaixo indicada:

Tenso

(mV)

Tempo entre 2 impulsos

(s)

Velocidade de rotao

(rotaes/s)

Velocidade de rotao

(rpm)

1000 0.0108 1/(0.0108*2) = 46.296 46.296*60 = 2777.760

900 0.0142 35.211 2112.680

800 0.0200 25.000 1500.000

700 0.0250 20.000 1200.000

600 0.0420 11.905 714.286

500 0.0520 9.615 576.923

400 0.0720 6.944 416.667

300 0.0860 5.814 348.837

200 0.0973 5.139 308.325

100 0.1172 4.266 255.973


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Tenso (mV)

Velocidade de rotao (rpm)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1 2 3 4 5 6 7 89

1011

VALORGERAL

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Tenso (mV) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100

Velocidade de rotao (rpm) 2.777,7602.112,6801.500,000 1.200,000 714,286 576,923 416,667 348,837 308,325 255,973

Velocidade de rotao em funo da tenso

Com base nos dados da tabela, obteve-se o seguinte grfico da velocidade de

rotao em rpm, em funo da tenso aplicada aos terminais do motor (em mV).

Analise e comente o resultado obtido:

Analisando o grfico pode-se concluir que ao variar gradualmente a tenso

aos terminais do motor DC, utilizando um potencimetro, podemos

controlar a velocidade do mesmo.

Respostas:

1a) O comprimento do condutor que fica na zona do campo magntico(l);

2b)Rodar com velocidade varivel (basicamente este o princpio de

funcionamento dos motores de corrente contnua).

o Se a espira tiver condies de girar livremente, a fora magntica

que perpendicular ao sentido da corrente e ao campo magntico

causar rotao.


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Referncias

Bibliogrficas

Fsica, vol.2Paul Tipler (Cap. 28.3)

Eletrnicas

https://pt.wikipedia.org/wiki/For%C3%A7a_magn%C3%A9tica (Consultado 20-11-2015)

http://fisicaevestibular.com.br/exe_mag_3.htm

http://www.ufrgs.br/eng04030/Aulas/teoria/cap_08/grandmag.htm~

http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/CampoMagnetico/efeitosobrecar

gas2.phphttp://www.trajanocamargo.com.br/wp-

content/uploads/2012/05/Apostila_de_Eletromagnetismo.pdf

https://elearning.iefp.pt/pluginfile.php/49293/mod_resource/content/0/Electricidade_-

_Electronica/Electricidade/Bobina/Grandezas%20Magneticas.pdf

http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/aplicacao-forca-magnetica-sobre-um-

condutor.htm

https://www.youtube.com/watch?v=TxZsUHP3rIY

fisica aplicada força magnetica produzida por cargas em movimento

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