Reflexão UFCD 03 – Magnetismo e Eletromagnetismo

Reflexão UFCD 03 – Magnetismo e Eletromagnetismo _________________________________________________________________________________ Eletricidade e Magnetismo: Eletricidade é uma forma de energia, um fenómeno que é um resultado da existência de cargas elétricas. A teoria de eletricidade e seu inseparável efeito, Magnetismo, é provavelmente a mais precisa e completa de todas as teorias científicas. O conhecimento da eletricidade foi o impulso para a invenção de motores, geradores, telefones, radio e televisão, raios-X, computadores e sistemas de energia nuclear. A eletricidade é uma necessidade para a civilização moderna. O magnetismo estuda os objetos que tendem atrair ou repelir outros elementos. Os primeiros indícios de pesquisas a esse respeito se deram na Grécia Antiga. Porém, o interesse só começou a ser fomentado a partir do século XIII. Há historiadores que afirmam ter começado com Tales de Mileto, em uma de suas viagens, chegou até a província da Magnésia, onde, possivelmente foi descoberto o elemento com propriedades magnéticas. A partir do século XIII, surgiram as bússolas, que eram utilizadas em viagens. Esses aparatos continham atributos do magnetismo. Mais de oito séculos se passaram até que os cientistas se atentassem a esse elemento. Oersted e Maxwell conseguiram desenvolver sobre o assunto, tanto no desenvolvimento teórico, quanto no conhecimento empírico. O magnetismo não pode ser estudado separadamente do eletromagnetismo, uma vez que ambos têm propriedades do movimento dos eletrões. A tecnologia do magnetismo é utilizada em motores, transformadores, dínamos, em geral, nos equipamentos eletrónicos. Os materiais magnéticos são atraídos, principalmente, pelos elementos ferrosos. O objeto que está presente no quotidiano das pessoas e que representa muito bem a propriedade magnética são os ímanes. São chamados de paramagnéticos os elementos atraídos pela ação dos ímanes. Esse fenómeno pode ser explicado da seguinte forma: os eletrões em posições diferentes se deslocam na direção do campo magnético que, como em consequência, perdem a força, o que diminui a energia. Os ferromagnéticos, pelo contrário, mantêm-se emparelhados e são fortemente atraídos pelos ímanes. Materiais como: ferro, níquel e o cobalto são exemplos de ferromagnéticos. Os ímanes são elementos que possuem dois polos (norte e sul). Um deles, carregado negativamente e o outro positivamente. Ainda que o íman seja desmembrado em duas partes, ambas continuarão com as extremidades norte e sul, ou seja, esse material é impossível de ser dividido. Voltando à ideia da bússola, o cientista, Hans Oersted, através de uma experiência com uma agulha e uma pilha elétrica, viu que o mecanismo apontava para o norte. No mesmo período, mais dois pesquisadores descobriram novas propriedades. Domingos Françoise Arago e André-Marie Ampère criaram, após estudos, o eletroíman (gerador de campo magnético). Com isso, desenvolveram as pesquisas sobre a eletrodinâmica. André-Marie Ampère publicou uma teoria a respeito da existência de partículas elementares (pequenas partículas que formam outras maiores), mas ele nunca conseguiu provar que tais materiais existem. No entanto, as pesquisas continuaram e, no século XIX, Michael Faraday e James Clark Maxwell conseguiram avançar no eletromagnetismo, eletrodinâmica e na força eletromagnética. Mais adiante, Joseph John Thomson descobriu, em 1897, os raios catódicos, na presença de um campo elétrico. Deu-se a descoberta dos eletrões. Esses raios são responsáveis pela imagem das telas de microcomputadores e televisores. Hoje, a tecnologia está bem mais avançada. A presença dela é muito forte em caixas eletrónicos, nos altifalantes. Porém, estamos em um período de pesquisas bem avançadas e os antigos tubos de imagem da televisão são substituídos pelos cristais líquidos, famosos monitores de LCD. O fenómeno chamado de fluxo magnético é responsável por medir o magnetismo, considerando a força e a extensão dele, no campo magnético, sobre uma plataforma. Esse estudo foi desenvolvido pelo cientista Michael Faraday. Por meio de suas experiências, percebeu que, ao analisar que uma força eletromotriz, ou voltagem, aparecia no circuito, acontecia alteração de valor no fluxo magnético. Além disso, pode ver que essa força aumentava sua rapidez de acordo com a variação do fluxo. Esse fenómeno, denominou-se indução eletromagnética ou Lei da Faraday da indução eletromagnética. Segundo a lei de Lenz, o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que lhe deu origem. Havendo diminuição do fluxo magnético, a corrente criada gerará um campo magnético de mesmo sentido do fluxo magnético da fonte. Havendo aumento, a corrente criada gerará um campo magnético oposto ao sentido do fluxo magnético da fonte. Tendo como exemplo uma espiral circular no mesmo plano da tela do monitor submetida a um fluxo magnético constante (portanto sem corrente induzida) e "entrando" na tela. Dependendo da movimentação dada à espiral, ocorrerá aumento ou diminuição do fluxo magnético e, com base nesse movimento, podemos determinar o sentido da corrente criada: • Afastamento (diminuição do fluxo magnético): sentido horário. • Aproximação (aumento do fluxo magnético): sentido anti-horário. • Com a variaçao do fluxo magnético, mesmo constante, gera uma corrente elétrica, intensa ou não, depende-se do campo que se forma na espira circular. De acordo com os estudos de Michael Faraday, a variação do fluxo magnético próximo a um condutor cria uma diferença de potencial induzida nesse mesmo condutor, tal a gerar uma corrente - denominada corrente induzida - que cria um fluxo magnético oposto à variação do fluxo inicial. Não havendo variação do fluxo magnético, não há a ocorrência de uma corrente induzida. Esta variação pode acontecer: Com um campo magnético constante: • Afastamento do condutor ou da fonte magnética (diminuição do fluxo); • Aproximação do condutor ou da fonte magnética (aumento do fluxo); • Variação da área da espiral; • Volta da espiral. Com a variação do campo magnético da fonte magnética. A indução eletromagnética é o princípio fundamental sobre o qual operam transformadores, geradores, motores elétricos e a maioria das demais máquinas elétricas. A corrente elétrica gerada é diretamente proporcional ao fluxo magnético que atravessa o circuito na unidade de tempo. A lei de Lenz, é lei derivada do princípio de conservação da energia. Ao aproximarmos um polo norte de um íman a uma espiral, o fluxo iria aumentar se a corrente que surgisse fosse no sentido horário (aumentando ainda mais o fluxo magnético). Este fato, pois, criaria energia "do nada", violando, assim, o princípio fundamental da conservação da energia. O eletroíman é um dispositivo que utiliza corrente elétrica para gerar um campo magnético, semelhante àquele encontrado nos ímanes naturais. É geralmente construído aplicando-se um fio elétrico enrolado em espiral ao redor de um núcleo de ferro, aço, níquel ou cobalto ou algum material ferromagnético. Quando o fio é submetido a uma tensão, o mesmo é percorrido por uma corrente elétrica, o que gerará um campo magnético na área a este aspeto, espiral através da Lei de Biot-Savart. A intensidade do campo e a distância que ele atingirá a partir do eletroíman dependerão da intensidade da corrente aplicada e do número de voltas da espiral. A passagem de corrente elétrica por um condutor produz campos magnéticos nas suas imediações e estabelece um fluxo magnético no material ferromagnético envolto pelas espirais do condutor. A razão entre a intensidade do fluxo magnético pelas espirais e a corrente que produziu esse fluxo é a indutância. O pedaço de ferro apresenta as características de um íman permanente, enquanto a corrente for mantida a circular, e o campo magnético pode ser constante ou variável no tempo dependendo da corrente utilizada (contínua ou alternada). Ao se interromper a passagem da corrente, o envolto pelas espirais pode tanto manter as características magnéticas ou não, dependendo das propriedades do mesmo. Aplicações no dia-a-dia: Eletroímanes são usados em diversos aparelhos, como motores, faróis de carro, campainhas e discos-rígidos. Nas colunas de som, são usados dois ímanes: um permanente e um eletroíman, que é ligado e desligado na frequência adequada, indo para a frente e para trás, como um pistão, fazendo o cone vibrar e produzir o som. Eletroímanes mais poderosos são utilizados para separar o lixo em ferros-velhos, ou nos portos para colocar contentores em navios. Um íman permanente é feito de um material ferromagnético. As suas propriedades magnéticas são causadas pelo movimento dos eletrões que se encontram no interior da matéria. Um íman é um bipolo, tem sempre dois polos, "norte" e "sul". Por definição, o polo sul de um íman é o que é atraído pelo polo norte magnético da Terra. Os bipolos não podem ser separados. Se um íman for dividido ao meio, obtêm-se dois ímanes menores, cada um com um polo norte e um polo sul. Um eletroíman é um íman que se baseia em campos magnéticos gerados por cargas em movimento. Ou seja, uma peça de liga de ferro, com um fio enrolado, por onde corre energia elétrica. Quando dois campos magnéticos interagem entre si surge uma força, denominada força magnética, a qual atua à distância igualmente à força gravitacional e elétrica. Quando uma carga elétrica se movimenta, gera um campo magnético e, estando imersa em um campo magnético, estes interagem entre si. Se a carga se desloca na mesma direção do vetor campo magnético, não há força atuando, ao passo que ao deslocar-se numa direção diferente surge, então, uma força perpendicular ao plano dos vetores velocidade e campo magnético. Um campo magnético consiste num campo criado por ação de correntes elétricas. Historicamente o campo magnético associou-se à ação dos ímanes e só mais tarde James Maxwell e a sua teoria do eletromagnetismo conseguiram identificar as causas da referida atração, entre ímanes, assim como entre correntes elétricas, originando assim uma visão unificadora da eletricidade e do magnetismo. No interior de um campo magnético, um dipolo magnético pode experimentar uma rotação, e uma carga em movimento pode experimentar uma força. A intensidade e a direção do campo podem ser dadas em termos de densidade de fluxo magnético ou em termos de intensidade de campo magnético. A densidade de fluxo magnético é uma grandeza vetorial, e consiste no fluxo magnético por unidade de área de um campo magnético perpendicular à força magnética. A intensidade do campo magnético é também uma grandeza vetorial e encontra-se relacionada com a permeabilidade do meio. A sua unidade SI é o ampere por metro. Aplicações do Eletromagnetismo A parte prática dos estudos acerca do eletromagnetismo pode ser vista em vários aparelhos usados no dia-a-dia. Quando chegas em casa e o estômago avisa que está na hora de comer, mas queres ter um alimento quente, rapidamente, podes usar o micro-ondas. Ele, o tempo inteiro, gera campos elétricos que oscilam no tempo. No momento que precisas entrar em contato, seja com um ente querido, com a pessoa amada, um parente distante ou um amigo, não é necessário procurar o telefone público, se tiveres um telefone móvel. O aparato tecnológico faz parte do nosso dia-a-dia e tem muita gente que diz não conseguir viver sem ele. Os telemóveis captam e geram campos eletromagnéticos, através de ondas. Isso permite as comunicações à longa distância. Aquelas chapas pretas que encontramos em casas modernas, capazes de absorver a energia solar, por incrível que pareça, recebem ondas eletromagnéticas: elas recebem a energia dos raios solares e convertem em energia elétrica. Um ótimo contribuinte para o meio ambiente, uma vez que a energia é limpa. Nas grandes cidades, existem prédios enormes chamados de arranha-céu. Muitos deles chegam a mais de 50 andares. Para subir todos esses andares, só com um preparo físico invejável. Mas, como nem todos podem se preparar – ainda mais para subir escadas – pessoas fantásticas criaram os elevadores. Do mesmo modo, o eletromagnetismo entra também em instrumentos usados na medicina, para os cirurgiões, nas máquinas de ressonância e outros. _________________________________________________________________________________ Curso: Técnico de Instalações Elétricas – EFA-NS Formador: José Márcio Almeida Formando: Fernando Miguel Costa Silva Nº 11 25 de junho de 2013