6- Eletromagnetismo

Aula 6 - 3º ano - 2º bim

O magnetismo foi se desenvolvendo durante muito temo por meio do estudo das propriedades magnéticas dos ímãs, mas não se suspeitava que existia qualquer relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos. O magnetismo e a eletricidade eram considerados dois ramos da física totalmente independentes.

6.1- A experiência de Oersted

Em 1820, o físico dinamarquês H. C. Oersted, trabalhando em seu laboratório montou um circuito elétrico, com uma bússola nas proximidades, por acidente. Ele verificou que quando não havia corrente passando pelo circuito, a agulha da bússola se orientava na direção norte-sul como era de se esperar. Mas quando estava passando uma corrente pelo circuito ele observou que a agulha se orientava na direção perpendicular ao fio, como mostra a figura a seguir. Então verificou-se pela primeira vez uma relação entre eletricidade e magnetismo: “uma corrente elétrica é capaz de produzir efeitos magnéticos”.

6.2- Fato básico do eletromagnetismo

Como resultado desta descoberta, surgiram muitos estudos nesta área, e então pôde-se estabelecer o princípio básico do eletromagnetismo: “quando duas cargas elétricas estão em movimento aparece entre elas uma força magnética”.
Os efeitos magnéticos até então conhecidos poderiam ser explicados por esta teoria, já que as propriedades magnéticas de um ímã são devidas ao movimentos de cargas elétricas em sua estrutura atômica.

6.3- Campo magnético

Um ímã atrai pedaços de ferro mesmo sem tocá-los, como foi visto brevemente na aula 3. Então a força magnética, assim como a força elétrica, são forças que atuam por meio de campos.
Então uma carga elétrica em movimento cria, no espaço em sua volta, um campo magnético, que atua sobre outra carga, também em movimento, exercendo sobre ela uma força magnética.

6.4- Linhas de indução

Se espalharmos limalha de ferro sobre um ímã podemos enxergar a forma do campo magnético por meio das linhas de indução, este fato está ilustrado nas figura abaixo.

Deve-se notar que por convenção as linhas de indução são traçadas “saindo” do póo norte magnético e “entrando” no pólo sul magnético.

6.5- Linhas de campo elétrico

Se fosse possível visualizar as linhas de campo elétrico tão facilmente quanto as linhas de indução elas teriam a forma mostrada nas figuras a seguir, as linhas de campo elétrico são traçadas “saindo” de uma carga positiva e “entrando” em uma carga negativa.

6.6- Atração e repulsão

Por meio do conceito de linhas de campo e linhas de indução, como mostrado abaixo, é possível entender porque ocorrem os fenômenos de atração e repulsão.

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Por: Felipe Novaes

(Fonte: Máximo, Alvarenga. Curso de Física, vol 3

5- Magnetismo

Aula 5 - 3º ano - 2º bim.

Em uma cidade da Grécia antiga chamada Magnésia, foram descobertas pequenas pedras que atraíam pedaços de ferro, mais tarde descobriu-se que estas pedras eram ímãs naturais. O nome magnetismo tem origem no nome da cidade.

Foi observado também que um pedaço de ferro colocado nas proximidades de ímã natural se comporta como um ímã (ímã artificial).


5.1- Pólos de um ímã

Verifica-se por experiências simples que pedaços de ferro são atraídos com maior intensidade por certas partes do ímã, os pólos do ímã. Se for espalhada limalha de ferro sobre um ímã em forma de barra como o da figura, estas se acumularão nas extremidades da barra, então o ímã em barra tem dois pólos situados nas extremidades desta barra.

Suspendendo-se um ímã em forma de barra, de modo que possa girar livremente em torno de seu centro, observa-se que ele sempre se orienta em uma mesma direção, a direção Norte-Sul da Terra. Esta propriedade dos ímãs é utilizada na construção de bússolas. Os pólos de um ímã recebem o nome de “pólo norte magnético” e “pólo sul magnético”.

Pólo norte de um ímã é aquele que aponta para o norte geográfico da Terra quando o ímã pode girar livremente, pólo sul é aquele que aponta para o sul geográfico da Terra.

Pólos magnéticos de mesmo nome se repelem e pólos de nomes diferentes se atraem.

5.2- A Terra é um grande ímã

Os ímãs, quando podem girar livremente, se orientam sempre na direção Norte-Sul da Terra, porque a Terra se comporta como um grande ímã.

O pólo norte geográfico da Terra é um pólo sul magnético e o pólo sul geográfico da Terra é um pólo norte magnético. Portanto a Terra pode ser representada por um grande ímã como na figura.
Os pólos magnéticos da Terra têm uma ligeira inclinação em relação aos pólos geográficos, mas para efeitos de visualização esta diferença pode ser desprezada.

5.3- Inseparabilidade dos pólos

Verifica-se experimentalmente que não é possível separar os pólos de um ímã, ou seja, não é possível obter um pólo magnético isolado. Qualquer ímã tem pelo menos dois pólos. Se um ímã em barra for quebrado ocorrerá como ilustrado na figura a seguir.

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Por: Felipe P. Novaes
(extraído/modificado de: Máximo, Alvarenga. Curso de Física, vol. 3)

4 - Atividade I

Aula 4 - 3º ano - 2º bim.

1- A voltagem é muito importante na análise de um choque elétrico? Explique.

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2- Uma pessoa “toma um choque” em uma tomada de 220 V. Qual é o valor da corrente elétrica que passa pela pele seca da pessoa? E pela pele molhada? Qual é o efeito fisiológico em cada caso?

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3- Para que servem e como funcionam os dispositivos de controle como fusíveis e disjuntores?

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4- Um fio de prata tem 20 m de comprimento e 2 mm de diâmetro, calcule o valor da resistência do fio sabendo que a resistividade da prata é 1,6 x 10 – 8 Ω.m (utilize π = 3,1).

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5- Se o comprimento do fio da questão 4 for dobrado, qual será a nova resistência?

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6- Como uma caneta eletrizada atrai pequenos pedaços de papel, mesmo sem tocá-los?

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7- O que é a rigidez dielétrica de um material?

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8- Explique o funcionamento de um pára-raio?

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Após todas as turmas terem entregue a Atividade I, colocarei o link para baixar a resolução.

Entrega 1 aula depois - vale 09

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2 aulas depois - vale 07

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3 aulas depois - vale 05

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depois de 4 aulas não precisa nem entregar.

3- Campos

Aula 3 - 3º ano - 2º bim.

Ao aproximar um ímã de um pedaço de ferro, ou um corpo eletrizado de um outro material, percebe-se que de alguma forma estes corpos interagem, mesmo sem haver nenhum contato. Por exemplo, o ímã atrai um pedaço de ferro, e um pente eletrizado atrai pequenos pedaços de papel, mas não existe nenhum toque entre os corpos para que ocorra a atração.

Esse tipo de interação é devido ao campo magnético do ímã e ao campo elétrico de um corpo eletrizado. Pode-se imaginar que existe algo em volta do corpo eletrizado que comunica ao espaço em seu redor que ali existe uma carga elétrica, o mesmo ocorrendo com o ímã, neste caso que existe um pólo magnético.

3.1- Rigidez dielétrica:

A corrente elétrica é caracterizada pelo movimento de elétrons livres, como em um fio condutor, mas existem materiais que apresentam poucos elétrons livres, então este material é um mau condutor de eletricidade,ou um isolante (dielétrico).

Em um isolante os elétrons estão fortemente presos aos seus respectivos átomos. À medida que este material é exposto a um campo elétrico, este campo tenta arrancar os elétrons das camadas mais externas de seus átomos. Para um certo valor limite, que depende de cada material, o campo torna-se tão intenso que os átomos não conseguem mais segurar seus elétrons, então o material deixa de ser um isolante e passa a ser um condutor, já que fica com muitos elétrons livres. Este valor limite que o material suporta antes de se tornar um condutor é a rigidez dielétrica do material.

Por exemplo, o ar é um bom isolante elétrico, mas se o campo elétrico ultrapassar o valor de 3,0 x 10 ⁶ N/C, que é a rigidez dielétrica do ar, ele deixa de ser um isolante e passa a ser um condutor de eletricidade, então ocorre a centelha ou faísca, que é a corrente elétrica passando pelo ar e ionizando-o. Este fato é observado principalmente em relâmpagos, e experiências de eletrostática (como na figura a seguir).

3.2- Poder das pontas:

Em um condutor eletrizado (carregado eletricamente) a carga elétrica tende a se espalhar por sua superfície, mas nas regiões pontiagudas ocorre um grande acúmulo de cargas elétricas. Então nas regiões das pontas o valor do campo elétrico é muito maior do que no restante do condutor. É muito difícil acumular uma carga elétrica muito grande em um corpo com uma forma pontiaguda, já que mesmo que o valor do campo elétrico seja pequeno em todo o corpo, nas pontas o valor pode ser muito grande ultrapassando a rigidez dielétrica do ar, então o ar nas proximidades das pontas torna-se condutor e a carga elétrica escapa do material por ali. Portanto se uma pessoa deseja colocar uma grande quantidade de carga em um condutor deve-se utilizar um condutor de forma esférica.

3.3- Pára-Raios:

O funcionamento do pára-raio é baseado no poder das pontas. Quando uma nuvem carregada eletricamente passa por cima de um pára-raio o campo elétrico em sua ponta torna-se muito intenso tornando o ar condutor, então a probabilidade do raio cair no pára-raio é muito maior do que do raio cair em sua vizinhança. Experiências mostram que a ação protetora do pára-raio estende-se a uma distância aproximadamente igual ao dobro de sua altura.

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Por: Felipe Novaes
(Fonte: Máximo, Alvarenga. Curso de Física, vol 3)

2- Grossura dos Fios em Instalações Elétricas

Aula 2 – 3º Ano - 2º Bim.

Para analisar a grossura dos fios nas instalações elétricas é necessário estudar mais profundamente a resistência elétrica dos fios.

Analisando-se fios feitos do mesmo material:

- Quanto mais comprido o fio, maior é a sua resistência, então: R é proporcional a L, onde L é o comprimento do fio.

- Quanto mais grosso o fio, maior a área de sua secção transversal A, menor é a resistência, então: R é proporcional a 1 / A .

- Combinando estas duas proporcionalidades e inserindo uma constante (representa a resistividade e depende de cada tipo de material), temos:

Então, quanto mais grosso é o fio, menor é o valor de sua resistência, então a corrente elétrica passa por ele com maior facilidade.

No projeto de circuitos onde passará uma corrente muito alta este fator deve ser levado em consideração, e o circuito deve ser projetado com fios bem grossos. Já nos circuitos projetados para pequenas correntes os fios podem ser um pouco mais finos.

Dependendo da grossura dos fios, uma instalação elétrica suporta até um certo valor de corrente elétrica antes de “queimar”. Por isso são instalados dispositivos de controle como fusíveis e disjuntores.

Esses dispositivos abrem o circuito impedindo a passagem de corrente elétrica se o valor da corrente ficar acima de um certo valor limite.

Exercícios:

1- Um fio de cobre tem 10 m de comprimento e diâmetro de 2 mm, calcule o valor da resistência deste fio sabendo que a resistividade do cobre é 1,7 x 10 ^{– 8} (ohm).m. (Utilize pi = 3,1).

2- Se o diâmetro do fio da questão 1 for dobrado, qual é o valor da nova resistência?

3- Se o fio da questão 1 fosse de prata, qual seria o valor da resistência? A resistividade da prata é 1,6 x 10 ^{– 8} (ohm).m

4- Por que os fios das instalações elétricas não são feitos de prata, já que sua resistividade é menor que a do cobre?

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Resolução dos exercícios

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Por: Felipe P. Novaes