Magnetismo e Eletromagnetismo, Notas de estudo de Cultura

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Magnetismo e Eletromagnetismo SENAI-SP, 2003 Trabalho elaborado pela Divisão de Recursos Didáticos da Diretoria de Educação do Departamento Regional do SENAI-SP (1998) e adaptado para as necessidades educacionais da Escola SENAI “Conde José Vicente de Azevedo”.

S UMÁRIO

GERAÇÃO DE E NERGIA E LÉTRICA

A eletrostática é a parte da eletricidade que estuda a eletricidade estática. Esta, por sua vez, refere-se às cargas armazenadas em um corpo, ou seja, sua energia potencial.

Por outro lado, a eletrodinâmica estuda a eletricidade dinâmica que se refere ao movimento dos elétrons livres de um átomo para outro.

Para haver movimento dos elétrons livres em um corpo, é necessário aplicar nesse corpo uma tensão elétrica. Essa tensão resulta na formação de um polo com excesso de elétrons denominado pólo negativo e de outro com falta de elétrons denominado de pólo positivo. Essa tensão é fornecida por uma fonte geradora de eletricidade.

Fontes geradoras de energia elétrica

A existência da tensão é condição fundamental para o funcionamento de todos os aparelhos elétricos. As fontes geradoras são os meios pelos quais se pode fornecer a tensão necessária ao funcionamento desses consumidores.

Essas fontes geram energia elétrica de vários modos:

• por ação térmica;
• por ação da luz;
• por ação mecânica;
• por ação química;
• por ação magnética.

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA POR AÇÃO TÉRMICA

Pode-se obter energia elétrica por meio do aquecimento direto da junção de dois metais diferentes.

Por exemplo, se um fio de cobre e outro de constantan (liga de cobre e níquel) forem unidos por uma de suas extremidades e se esses fios forem aquecidos nessa junção, aparecerá uma tensão elétrica nas outras extremidades. Isso acontece porque o aumento da

temperatura acelera a movimentação dos elétrons livres e faz com que eles passem de um material para outro, causando uma diferença de potencial.

À medida que aumentamos a temperatura na junção, aumenta também o valor da tensão elétrica na outra extremidade.

Esse tipo de geração de energia elétrica por ação térmica é utilizado num dispositivo chamado par termoelétrico, usado como elemento sensor nos pirômetros que são aparelhos usados para medir temperatura de fornos industriais.

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA POR AÇÃO DE LUZ

Para gerar energia elétrica por ação da luz, utiliza-se o efeito fotoelétrico. Esse efeito ocorre quando irradiações luminosas atingem um fotoelemento. Isso faz com que os elétrons livres da camada semicondutora se desloquem até seu anel metálico.

Dessa forma, o anel se torna negativo e a placa-base, positiva. Enquanto dura a incidência da luz, uma tensão aparece entre as placas.

O uso mais comum desse tipo de célula fotoelétrica é no armazenamento de energia elétrica em acumuladores e baterias solares.

fotocélula

luz

translúcidomaterial liga de selênio ferro

A pilha de lanterna funciona segundo o princípio da célula primária que acabamos de descrever. Ela é constituída basicamente por dois tipos de materiais em contato com um preparado químico.

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA POR AÇÃO MAGNÉTICA

O método mais comum de produção de energia elétrica em larga escala é por ação magnética.

A eletricidade gerada por ação magnética é produzida quando um condutor é movimentado dentro do raio de ação de um campo magnético. Isso cria uma ddp que aumenta ou diminui com o aumento ou a diminuição da velocidade do condutor ou da intensidade do campo magnético.

A tensão gerada por este método é chamada de tensão alternada, pois suas polaridades são variáveis, ou seja, se alternam.

Os alternadores e dínamos são exemplos de fontes geradoras que produzem energia elétrica segundo o princípio que acaba de ser descrito.

terminais de latão resina areia serragem recipiente de zinco(placa negativa) eletrólito bastão de carvão(placa positiva) papel alcatroado

eixo de rotaçãoda espira

ímã permanente

ímã permanente

espira condutora (^) ddp

EXERCÍCIOS

Responda às questões a seguir: a) Defina eletrodinâmica com suas palavras.

b) Qual é o método de geração de energia elétrica mais comum e que, por causa disso, é utilizado em larga escala?

c) Cite dois exemplos práticos de equipamentos que se utilizam da geração de energia elétrica por ação mecânica.

2. Relacione a segunda coluna com a primeira.
3. Geração de energia elétrica por ação química.
4. Geração de energia elétrica por ação térmica.
5. Geração de energia elétrica por ação magnética

( ) Tensão alternada ( ) Bateria solar ( ) Pilha elétrica ( ) Elemento sensor dos pirômetros

É possível também obter um imã de forma artificial. Os ímãs obtidos dessa maneira são denominados ímãs artificiais. Eles são compostos por barras de materiais ferrosos que o homem magnetiza por processos artificiais.

Os ímãs artificiais são muito empregados porque podem ser fabricados com os mais diversos formatos, de forma a atender às mais variadas necessidades práticas, como por exemplo, nos pequenos motores de corrente contínua que movimentam os carrinhos elétricos dos brinquedos do tipo “Autorama”.

Os ímãs artificiais em geral têm propriedades magnéticas mais intensas que os naturais.

PÓLOS MAGNÉTICOS DE UM Í MÃ

Externamente, as forças de atração magnética de um ímã se manifestam com maior intensidade nas suas extremidades. Por isso, as extremidades do ímã são denominadas de pólos magnéticos.

Cada um dos pólos apresenta propriedades magnéticas específicas. eles são denominados de pólo sul e pólo norte.

Uma vez que as forças magnéticas dos ímãs são mais concentradas nos pólos, é possível concluir que a intensidade dessas propriedades decresce para o centro do ímã.

Na região central do ímã, estabelece-se uma linha onde as forças de atração magnética do pólo sul e do pólo norte são iguais e se anulam. Essa linha é denominada de linha neutra. A linha neutra é, portanto, a linha divisória entre os pólos do ímã.

ORIGEM DO MAGNETISMO

O magnetismo origina-se na organização atômica dos materiais. Cada molécula de um material é um pequeno ímã natural, denominado de ímã molecular ou domínio.

Quando, durante a formação de um material, as moléculas se orientam em sentidos diversos , os efeitos magnéticos dos ímãs moleculares se anulam, resultando em um material sem magnetismo natural.

Se, durante a formação do material, as moléculas assumem uma orientação única ou predominante, os efeitos magnéticos de cada ímã molecular se somam, dando origem a um ímã com propriedades magnéticas naturais.

O BSERVAÇÃO

Na fabricação de ímãs artificiais, as moléculas desordenadas de um material sofrem um processo de orientação a partir de forças externas.

ímã molecularaumentado milhões de vezes

Como artifício para estudar esse campo magnético, admite-se a existência de linhas de força magnética ao redor do ímã. Essas linhas são invisíveis , mas podem ser visualizadas com o auxílio de um recurso. Colocando-se um ímã sob uma lâmina de vidro, e espalhando limalha de ferro sobre essa lâmina, as limalhas se orientam conforme as linhas de força magnética.

O formato característico das limalhas sobre o vidro, denominado de espectro magnético, é representado na ilustração a seguir.

Essa experiência mostra também a maior concentração de limalhas na região dos pólos do ímã. Isso é devido à maior intensidade de magnetismo nas regiões polares , pois aí se concentram as linhas de força.

Com o objetivo de padronizar os estudos relativos ao magnetismo e às linhas de força , por convenção estabeleceu-se que as linhas de força de um campo magnético se dirigem do pólo norte para o pólo sul.

CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME

Campo magnético uniforme é aquele em que o vetor de indução magnética B tem o mesmo módulo, a mesma direção e o mesmo sentido em todos os pontos do meio, homogêneo por hipótese.

No campo magnético uniforme, as linhas de indução são retas paralelas igualmente espaçadas e orientadas. O campo magnético na região destacada na ilustração a seguir, por exemplo, é aproximadamente uniforme.

Essa convenção se aplica às linhas de força externas ao ímã.

FLUXO DA I NDUÇÃO MAGNÉTICA

Fluxo da indução magnética é a quantidade total de linhas de um ímã que constituem o

campo magnético. É representado graficamente pela letra grega φ (lê-se "fi").

O fluxo da indução magnética é uma grandeza e, como tal, pode ser medido. No SI (Sistema Internacional de Medidas), sua unidade de medida é o weber (Wb). No Sistema CGS de medidas, sua unidade é o maxwell (Mx).

Para transformar weber em maxwell, usa-se a seguinte relação: 1 Mx = 10-8^ Wb

DENSIDADE DE FLUXO OU I NDUÇÃO MAGNÉTICA

Densidade de fluxo ou indução magnética é o número de linhas por centímetro quadrado de seção do campo magnético em linhas/cm^2.

fluxototal sessãotransversal

É possível classificar os materiais de acordo com a intensidade com que eles se imantam, isto é, o modo como ordenam seus ímãs atômicos sob a ação de um campo magnético. Assim, esses materiais podem ser classificados em:

• paramagnéticos;
• diamagnéticos;
• ferromagnéticos.

Experimentalmente, é possível verificar que certos materiais, quando colocados no interior de uma bobina (ou indutor) ligada em C.C., ou próximos de um imã, têm seus átomos fracamente orientados no mesmo sentido do campo magnético. Esses materiais são denominados de paramagnéticos.

Material paramagnético sem a ação de um campo magnético

Material paramagnético sob a ação de um campo magnético

Materiais como o ferro, o aço, o cobalto, o níquel, a platina, o estanho, o cromo e suas respectivas ligas são exemplos de materiais paramagnéticos. Eles são caracterizados por possuírem átomos que têm um campo magnético permanente.

Dentre os materiais paramagnéticos, o ferro, o aço, o cobalto, o níquel, e suas ligas constituem uma classe especial.Com efeito, alguns materiais provocam no indutor que os tem como núcleo, um aumento de indutância muito maior que o aumento provocado pelos demais materiais paramagnéticos. Esses materiais, são denominados de ferromagnéticos.

Por serem também paramagnéticos, esses materiais apresentam campo magnético permanente , pois os campos magnéticos de seus átomos estão alinhados de tal forma que produzem um campo magnético mesmo na ausência de um campo externo.

Material ferromagnético sem a ação de um campo magnético

Material ferromagnético sob a ação de um campo magnético

Os materiais ferromagnéticos, por serem um caso particular dentre os materiais paramagnéticos, apresentam a densidade do fluxo magnético B, presente no interior do indutor, maior do que quando há ar ou vácuo no seu interior.

Embora os materiais ferromagnéticos possuam imantação mesmo na ausência de um campo externo (o que os caracteriza como ímãs permanentes), a manutenção de suas propriedades magnéticas depende muito de sua temperatura. Quando aumenta a temperatura, as propriedades magnéticas se tornam menos intensas.

O ouro, a prata, o cobre, o zinco, o antimônio, o chumbo, o bismuto, a água, o mercúrio, ao serem introduzidos no interior de um indutor, ou próximos de um imã, provocam a diminuição de seu campo magnético. Esses materiais são denominados de diamagnéticos.

Esses materiais caracterizam-se por possuírem átomos que não produzem um campo magnético permanente, ou seja, o campo resultante de cada átomo é nulo.

Aplicando-se um campo magnético a esses materiais, pequenas correntes são produzidas por indução no interior dos átomos. Essas correntes se opõem ao crescimento do campo externo, de modo que o magnetismo induzido nos átomos estará orientado em sentido oposto ao do campo externo.

Material diamagnético sem a ação de um campo magnético

Material diamagnético sob a ação de um campo magnético