relat.experimental teoria eletromagnetica
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAPÁ
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLOGICAS-DCET
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
EDINALDO QUINTELA DOS SANTOS DE ANDRADE
ALEX SANDRO SALES DA SILVA
RELATÓRIO DE EXPERIMENTO DE TEORIA ELETROMAGNETICA
ONDAS ELETROMAGNETICAS: EXPERIMENTO DE HERTZ
MACAPÁ
2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAPÁ
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLOGICAS-DCET
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
EDINALDO QUINTELA DOS SANTOS DE ANDRADE
ALEX SANDRO SALES DA SILVA
Relatório a ser apresentado como requisito
avaliativo parcial para obtenção de aprovação
na disciplina de Teoria Eletromagnética, no
curso de Engenharia Elétrica, na universidade
Federal do Amapá.
MACAPÁ
2016
Resumo: A elaboração de experimentos educacionais na disciplina Teoria Eletromagnética
da UNIFAP visam estimular o aluno na aquisição de conhecimentos e compreensão de
conceitos, unindo o conhecimento teórico ministrado em sala de aula, com elaboração de
experimentos práticos, baseados na metodologia de ensino, Aprendizagem Baseada em
Problemas (APB). Este experimento visa verificar a validade dos conceitos de
eletromagnetismo utilizando os princípios das Leis de Maxwell, que em geral são de difícil
assimilação, explorar de forma sucinta a construção e funcionamento de transmissão e
recepção de ondas eletromagnéticas, através de um modelo didático onde se podem observar
experimentalmente os fenômenos de transmissão, propagação e recepção de ondas
eletromagnéticas. Utilizando-se de um modelo similar ao utilizado pelo alemão Heinrich
Hertz para provar a existência das ondas eletromagnéticas previstas na teoria de James
Clerk Maxwell. O principio é baseado em um arco-elétrico gerado entre dois eletrodos
isolados, de forma que o mesmo produza um campo elétrico variável no tempo que por sua
vez causará uma perturbação na área ao redor do emissor, em todas as direções. Essa
perturbação é a onda eletromagnética que será captada por eletrodos similares e que
transformará essa em corrente elétrica fazendo o efeito luminescente em uma lâmpada de
Néon.
Palavras-chaves: Ondas Eletromagnéticas, Transmissão, Recepção, Lei de Maxwell.
Sumário
1. INTRODUÇÃO.................................................................................................................5
2. DESENVOLVIMENTO.........................................................................................................5
3 TEORIA...................................................................................................................................6
3.1 Induções Eletromagnéticas...................................................................................................7
4 GERADOR ELÉTRICO..........................................................................................................7
4.1 Partes do Gerador Elétrico....................................................................................................7
4.2 Funcionamentos do Gerador Elétrico...................................................................................8
5 EXPERIMENTO.....................................................................................................................8
5.1 Objetivos...............................................................................................................................9
5.2 Material Utilizado e Especificações Técnicas......................................................................9
6 CONCLUSÕES.....................................................................................................................10
7 REFERENCIAS BOBLIOGRAFICAS:................................................................................11
ANEXOS..................................................................................................................................12
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1. INTRODUÇÃO
A disciplina teoria eletromagnética para engenheiros tem como requisito do Curso de
engenharia elétrica da Universidade Federal do Amapá, sendo uma disciplina que consta na
grade curricular do curso sendo utilizado como instrumento obrigatório para obtenção da
conclusão de curso de formação em bacharelado em engenharia elétrica nível superior, na
forma da lei do Ministério da Educação.
A atividade da disciplina se desenvolve de maneira complementar, tendo em vistas a
preparação para o trabalho do futuro engenheiro, induzindo discente ao trabalho pratico,
aplicando os conhecimentos teóricos adquiridos em sala de aula, na intenção de fornecer aos
acadêmicos estudantes de engenharia elétrica das devidas condições para realizar o trabalho
de engenheiro eletricista com competência técnica e teórica necessária.
2. DESENVOLVIMENTO
O primeiro pesquisador que estabeleceu a equivalência entre luz e propagação
eletromagnética foi o físico e matemático escocês James Clerk Maxwell em 1865, Maxwell
propôs que os campos eléctricos e magnéticos se propagam com a velocidade da luz no vácuo
e que a luz poderia ser um tipo de onda eletromagnética. Tais descobertas foram feitas por
meios de cálculos complexos, que permitiram a elaboração de suas equações do
eletromagnetismo. Nas décadas seguintes inúmeros cientistas tentaram comprovar na pratica
tal teoria, todavia a comunidade cientifica ainda olhava para as descobertas de Maxwell com
certa descrença, até que em 1888 o professor Heinrich Hertz conseguiu comprovar de forma
inquestionável a existência das ondas eletromagnéticas. Através de sua experiência que
utilizava instrumentos de laboratório, como Oscilador de Hertz, o aparelho que usava era
formado por duas grandes esferas metálicas ligadas por um condutor retilíneo interrompido
por um faiscador - constituído por duas esferas metálicas menores (gap). Continha uma
Bobina de Ruhmkorff, Chave interruptora e uma Garrafa de Leyden, ele conseguiu produzir
uma centelha entre um “gap”. Em frente ao equipamento Hertz posicionou uma argola aberta
com duas esferas nas extremidades, e verificou que quando a centelha do oscilador era
produzida o uma centelha também era gerada entre a abertura da argola. O elo entre os
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campos elétricos variáveis e campos magnéticos variáveis estavam descoberto, as ondas
eletromagnéticas previstas por Maxwell.
3. TEORIA
As ondas eletromagnéticas podem transportar energia ou informações, são meios de
propagação. Duas partes interdependentes entre si formam a onda eletromagnética, o campo
eléctrico, E, e o campo magnético, B. Não é possível observar diretamente o campo eléctrico
e o campo magnético, a representação artificial da onda está indicada na figura abaixo, o
campo eléctrico está variando em função de y, e o campo magnético está variando em função
de x. Estes campos evoluem no espaço como uma onda, daí a designação de “onda
eletromagnética”.
Figura 1: Onda Eletromagnética
O produto vetorial destes dois campos resulta na densidade de potência, S. A onda
eletromagnética pode ser criada por uma corrente elétrica variável no tempo, conforme prevê
a terceira e quarta equações de Maxwell.
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Figura 2
Equação de Maxwell, Lei de Faraday. Equação de Maxwell, Lei de Gauss.
Tais leis confirmam que um campo elétrico variante no tempo gera um campo magnético também variante e vice e versa. E o experimento desse trabalho se baseia nesse fenômeno, onde o campo dos eletrodos será bruscamente perturbado por uma centelha de alta tensão entre o gap, gerando um campo magnético variante e por sua vez gera a propagação da onda conforme a figura 1.
3.1 Ondas Eletromagnéticas
Em seus experimentos com ondas eletromagnéticas, Hertz foi capaz de induzir uma
corrente em uma espira através do espaço e induzir um corrente numa espira isolada do
circuito. A relação entre a variação do fluxo de campo ( ) na espira e o campo elétrico
perturbado (E) é conhecida como Lei de Faraday:
Usando o teorema de Stocks temos: que é uma das Leis de Maxwell.
4 GERADOR DE ARCO ELÉTRICO
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No experimento de Hertz foi utilizado um circuito oscilador LC para gerar a centelha,
onde a Garrafa de Leyden era o capacitor e a Bobina de Rhumkorff o indutor que oscilavam
quando a chave era acionada. Similar à figura 3.
Figura 3.
Utilizando os conceitos apresentados acima podemos compreender o que os eletrodos
que recebem a alta tensão são uma espécie de antena transmissora de ondas eletromagnéticas.
E os eletrodos distantes funcionam como a antena receptora do experimento, a energia
recebida pelo receptor deve ser capaz de acender uma lâmpada de Néon NE2. A centelha é
gerada por um acendedor elétrico manual.
Figura 4, Experimento.
Este tem como demonstrar visualmente a propagação da energia de um ponto a outro sem a
utilização de condutores. As experiências de Hertz mostraram que as ondas eletromagnéticas
podem ser refletidas, refratadas ou polarizadas.
4.1 Descrição detalhada
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O experimento é constituído das seguintes partes fundamentais:
Transmissor: esta parte constitui os eletrodos que serão excitados pelo acendedor
elétrico manual que produzirá a centelha, os eletrodos estão envoltos em papel alumínio em
retângulos de 7,5 cm x 5 cm, para melhorar a propagação da onda. Cada eletrodo tem 46 cm,
tanto o transmissor quanto o receptor.
O gap (espaçamento entre os eletrodos) é de aproximadamente 0.5 cm em cada
conjunto de eletrodos.
O receptor tem dimensões idênticas ao do transmissor para garantir a ressonância
elétrica dos dois conjuntos, a lâmpada de Néon no receptor é do modelo NE2 que acende com
50 voltes em corrente alternada. A lâmpada de Néon foi escolhida pois a mesma ascende com
baixa corrente e possui impedância negativa.
4.2 Funcionamentos do Gerador Elétrico
No momento que o acendedor é acionado uma centelha ocorre no “Gap”, devido à alta
tensão nos terminais dos eletrodos, que ioniza o ar e rompe a barreira do dielétrico. Cada vez
que é produzida uma centelha no aparelho uma corrente oscilatória ocorre nos terminais, isso
provoca a mudança de polaridade do campo elétrico em uma frequência altíssima.
Esse efeito força que as linhas de força elétrica se movam para fora, no espaço
circundante propagando-se radialmente, até que atinja o receptor e por sua vez produza uma
corrente que varia na mesma direção da corrente no transmissor e ascenda a lâmpada de
Néon.
Figura 5: Modelo de propagação.
5 EXPERIMENTO
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O experimento descrito a seguir visa expor os conceitos apresentados acima utilizando um
Experimento de Hertz didático.
O gerador construído é de fácil construção e operação. Basta para ligar os conectores
jacaré nos eletrodos de transmissão e acionar o acendedor elétrico, nesse momento o circuito
produz as ondas eletromagnéticas que produzem a corrente que ascenderá a lâmpada de néon.
Os testes funcionaram corretamente e após observações com osciloscópio constatou-se
o pulso fornece a frequência de ???? Hz.
5.1 ObjetivosSeguindo o procedimento descrito acima se espera que sejam observados os conceitos de
eletromagnetismo, que muitas vezes são de difícil assimilação. O objetivo principal é que seja
demonstrada a existência das ondas eletromagnéticas e que aluno explore as características do
mesmo. Deve-se destacar que o experimento não possui objetivos quantitativos, visando
apenas uma ilustração qualitativa dos conceitos abordados.
5.2 Material Utilizado e Especificações Técnicas
Componentes Quantidade Descrição Valor
Hastes de Cobre 4 43 cm -Papel Alumínio 1 Folha -Estrutura de Madeira 2 -Fio de Cobre 1 Metro -Acendedor Elétrico 1 -Lâmpada de Néon 1 NE2 -Garra de Jacaré 2 -
6 CONCLUSÕES
A importância da descoberta das ondas eletromagnéticas foi primordial para o
desenvolvimento humano. Sua importância dificilmente pode ser subestimada. Praticamente
todos os dispositivos modernos que realizam algum tipo de tarefa graças às ondas
eletromagnéticas. e que dependem de energia elétrica utilizam os mesmos princípios descritos
aqui Atualmente diversos tipos de geradores já foram desenvolvidos, como geradores de
usinas hidrelétricas, termelétricas, geradores automotivos, por exemplo. Os conceitos físicos
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7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
SADIKU, M. N. O. Elementos de Eletromagnetismo, 2004.
http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_HC12.asp
https://sites.google.com/site/medea2010esdmibeja/hertzianos/hertz-e-a-descoberta-das-ondas-
electromagneticas
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ANEXOS