Fenômenos Elétricos, Magnéticos e Oscilatórios - Aula 2 - Unidade 4 a 6.pptx

Fenômenos Elétricos, Magnéticos e Oscilatórios - Aula 2 - Unidade 4 a 6.pptx

1. Fenômenos Elétricos, Magnéticos e Oscilatórios Profª Lucile Cecilia Peruzzo

2. Lucile Cecilia Peruzzo Engenheira Química Mestre em tratamento de Efluentes Doutora em desenvolvimento de processos químicos e biotecnológicos

3. BLUMENAU – OKTOBERFEST

4. Sejam bem-vindos!

5. Seja bem-vindo(a) à Unidade Curricular (UC)  Fenômenos Elétricos, Magnéticos e Oscilatórios ! O conhecimento e a aplicação dos fenômenos elétricos, magnéticos e oscilatórios são de extrema relevância para a Engenharia e para a Sociedade como um todo. Isso se deve ao fato de que o desenvolvimento de dispositivos eletromagnéticos impulsionou significativamente a transformação tecnológica, econômica e produtiva ao longo da história. Tais fenômenos estão na base de inovações fundamentais, desde sistemas de geração e distribuição de energia elétrica até a criação de tecnologias de comunicação, controle e automação industrial.

6. Campo magnético e sua influência sobre as correntes elétricas Nesta aula vamos iniciar o nosso estudo sobre o campo magnético e a sua influência sobre as correntes elétricas. Vamos estudar a matéria na perspectiva ferrosa, o campo magnético, bem como o magnetismo da matéria. Imãs e suas propriedades são elementos importantes para esse entendimento, em combinação com os fenômenos elétricos, do termo "eletromagnetismo". Veremos que, após a experiência de Oersted , no século XVIII, foi possível integrar esses fenômenos, compreendidos, até então, como independentes.

7. O fenômeno físico chamado "magnetismo" é conhecido desde a Grécia e a China antigas, sendo definido como a capacidade que um objeto tem de atrair o outro. Os chineses chamavam os ímãs naturais de "pedras amantes", e, depois, de " aimant " (amante), em francês, originando a palavra atual "ímã". MAGNETISMO

8. MAGNETISMO • As primeiras observações de fenômenos magnéticos são muito antigas. Acredita-se que estas observações foram realizadas pelos gregos, em uma cidade denominada Magnésia. Eles verificaram que existia um certo tipo de pedra que era capaz de atrair pedaços de ferro.

9. MAGNETISMO Sabe-se atualmente que essas pedras, denominadas ímãs naturais, são constituídas por um certo óxido de ferro. O termo “magnetismo” foi, então, usado para designar o estudo das propriedades destes ímãs, em virtude do nome da cidade onde foram descobertos. Observou-se que um pedaço de ferro, colocado nas proximidades de um ímã natural, adquiria as mesmas propriedades de um ímã (imantação), obtendo assim ímãs não-naturais (ímãs artificiais).

10. Os imãs naturais, encontrados, na natureza, na forma de minério, são compostos por pedaços de ferro magnético ou rochas magnéticas, como a magnetita (Fe 3 O 4 ). Há também os ímãs artificiais, produzidos por ligas metálicas, como o níquel-cromo e outros. MAGNETISMO

11. Com relação às propriedades dos objetos ferrosos, ressaltamos que a magnetita é um mineral magnético formado pelos compostos de óxidos de ferro, perfazendo, aproximadamente, 69% de FeO e 31% de Fe2O3 ou 26,7% de ferro e 72,4% de oxigênio. MAGNETITA

12. O mineral apresenta forma cristalina isométrica (agrupamento ordenado de seus átomos, que se repete nas três dimensões), geralmente, na forma octaédrica. A densidade deste tipo de material é de aproximadamente 5,18 g/cm3. A magnetita é a pedra-ímã mais magnética de todos os minerais da Terra, e a existência dessa propriedade foi utilizada para a fabricação de bússolas. MAGNETITA

13. O magnetismo é importante para diversas áreas do conhecimento, como a engenharia, quando associado aos fenômenos elétricos, por exemplo, relés e contactores, que são dispositivos comuns na indústria e funcionam sob os princípios físicos do eletromagnetismo. IMPORTÂNCIA DO MAGNETISMO

14. MAGNETISMO DA MATÉRIA De forma semelhante às cargas elétricas, no magnetismo também ocorre a atração e a repulsão. A propriedade chamada “dipolo magnético” leva ao entendimento de que os polos iguais se repelem e os polos opostos se atraem. Em um ímã natural ou artificial, contudo, não há um monopólio magnético. 

15. Inseparabilidade dos polos magnéticos

16. PROPRIEDADE MAGNÉTICA • Dizemos que um corpo apresenta propriedade magnéticas quando há predominância de imãs orientados sob os demais. • Denominamos substâncias magnéticas àquelas que permitem a orientação de seus imãs elementares. Ex : Ferro, níquel, e algumas ligas metálicas como o aço.

17. IMANTAÇÃO TRANSITÓRIA E PERMANENTE • Ímãs permanentes são aqueles que, uma vez imantados, conservam suas características magnéticas. • Ímãs transitórios são aqueles que, quando submetidos a um campo magnético, passam a funcionar como ímãs; assim que cessa a ação do campo, ele volta às características anteriores.

18. Quando os elétrons livres de um átomo se movimentam, eles criam uma pequena corrente elétrica, dando origem a um campo magnético. Podemos dizer que cada átomo equivale a um pequeno ímã, chamado ímã elementar IMÃS ELEMENTARES

19. Os ímãs elementares de um objeto de metal não magnetizado estão orientados aleatoriamente, e os campos por eles criados acabam anulando-se, resultando em um material sem efeitos magnéticos. IMÃS ELEMENTARES

20. Ao colocarmos o objeto metálico dentro de um campo magnético, haverá orientação dos seus imãs elementares e ele passa a apresentar efeitos magnéticos. Dizemos que o objeto está imantado ou magnetizado. Ímãs elementares orientados IMANTAÇÃO

21. Ímãs artificiais são corpos que adquiriram propriedades magnéticas após submetidos a um intenso campo magnético. Isso pode acontecer por atrito ou contato com um ímã natural, ou pela ação de correntes elétricas.

22. Ao encostarmos um corpo magnetizado em uma barra de ferro, há imantação por contato e a barra passa a ter propriedades magnéticas. IMANTAÇÃO POR CONTATO

23. Ao encostarmos um corpo magnetizado em uma barra de ferro, há imantação por contato e a barra passa a ter propriedades magnéticas.

24. Ao atritarmos um corpo magnetizado com uma barra de ferro, há imantação por atrito e a barra permanecerá magnetizada por algum tempo. IMANTAÇÃO POR ATRITO

25. CLASSIFICAÇÃO DAS SUBSTÂNCIAS MAGNÉTICAS Ferromagnéticas : são as substâncias com forte atração no sentido do campo. Exemplo: Fe, Ni, Co e ligas destes. Apresenta ótima organização dos ímãs elementares no sentido do campo magnético. Fe Ímã S N

26. CLASSIFICAÇÃO DAS SUBSTÂNCIAS MAGNÉTICAS Paramagnéticas : são as substâncias com fraca atração no sentido do campo. Exemplo: Pt , Na, K etc. Apresenta uma sutil organização dos ímãs elementares no sentido do campo magnético . Ímã S N Pt

27. CLASSIFICAÇÃO DAS SUBSTÂNCIAS MAGNÉTICAS Diamagnéticas : são as substâncias com fraca repulsão , logo no sentido contrário do campo. Exemplo: Bi, Ag, Au etc. Apresenta uma sutil organização dos ímãs elementares no sentido contrário do campo magnético . Ímã S N Au

28. MAGNETISMO DA MATÉRIA O planeta  Terra é um ... grande ímã, que se divide em dois grandes polos: norte e sul, assemelhando-se à propriedade de dipolo magnético.

29. O que é campo magnético da Terra?

30. campo magnético da Terra

31. Na imantação por corrente elétrica cria-se campo magnético através de uma corrente elétrica. Normalmente há uma bobina oca, e coloca-se o objeto a ser magnetizado no interior dessa bobina. IMANTAÇÃO POR CORRENTE ELÉTRICA

32. - O que são e como funcionam? - qual é sua diferença em relação ao imã normal? Eletroimãs

33. Eletroimãs São imãs que funcionam com eletricidade . Eles são feitos enrolando um fio condutor (como cobre) em torno de um material ferroso (tipo ferro) e, quando uma corrente elétrica passa pelo fio, gera um campo magnético . Ou seja: o material vira um imã enquanto a corrente está ligada.

34. Qual a diferença entre um eletroímã e um imã comum ? Característica Eletroímã Imã permanente Fonte do magnetismo Corrente elétrica Estrutura interna dos átomos Controle Sim: liga/desliga com eletricidade Não: sempre magnetizado Força do campo magnético Pode ser ajustada(com corrente) Fixa Exemplo de uso Motores, guindastes, campainhas Imã de geladeira, bússola

35. A polaridade de um eletroímã pode ser facilmente invertida, basta inverter o sentido da corrente elétrica. Eletroímãs

36. Em virtude dos conhecimentos acerca do minério chamado magnetita (ímã natural) e a partir da sua propriedade de atrair objetos ferrosos a distância (sem contato físico), os estudos sobre o magnetismo da matéria foram potencializando. Assim, podemos citar inúmeros personagens e cientistas que se dedicaram aos estudos do eletromagnetismo, sendo dois deles de especial relevância em nossos estudos .

37. Cientistas que se dedicaram aos estudos do eletromagnetismo Maxwell  foi um dos principais nomes no assunto, pois demonstrou, em 1864, que as forças elétricas e magnéticas têm natureza dependente do referencial: uma força elétrica em determinado referencial pode tornar-se magnética, se analisada de outro, e vice-versa.

38. Cientistas que se dedicaram aos estudos do eletromagnetismo Faraday descobriu que movimentar um ímã perto de uma bobina de fio ou mover a bobina dentro de um campo magnético gera uma corrente elétrica no fio. Essa descoberta é o princípio da geração de energia elétrica nas usinas (como as hidroelétricas): a água move turbinas que giram grandes ímãs em torno de bobinas, gerando eletricidade !

39. Além de servir para prender listas de compras e cartões na geladeira, os ímãs permitem o funcionamento de motores elétricos, produzem imagens na tela de sua televisão, armazenam informação nos discos dos computadores, cozinham comida em um forno de micro-ondas e emitem sons musicais em alto-falantes. APLICAÇÕES

40. Os ímãs são usados para produzir imagens do interior do corpo humano a partir da Imagem por Ressonância Magnética (IRM), em experimentos físicos de alta energia para identificar partículas subatómicas e na levitação magnética de trens (KNIGHT, 2009). APLICAÇÕES

41. Imagem por Ressonância Magnética (IRM) : A IRM usa ímãs superpotentes para criar um campo magnético muito forte ao redor do corpo. Esse campo organiza os prótons (principalmente os do hidrogênio da água presente no corpo). Depois, pulsos de rádio fazem esses prótons "vibrarem" e, quando eles voltam à posição inicial, emitem sinais que são captados e transformados em imagens muito detalhadas dos tecidos internos — sem precisar de radiação ionizante (como nos raios X).

42. Levitação magnética ( Maglev ) : Nos trens de levitação magnética ( Maglev ), sistemas de ímãs especiais criam forças que suspendem o trem no ar. Sem atrito com os trilhos, o trem pode atingir altíssimas velocidades (mais de 500 km/h) de maneira silenciosa e super eficiente.

43. Para entender mais sobre as propriedades dos ímãs, assista ao vídeo e saiba sobre como é feito esse material.  https://youtu.be/jCL2dLh5MME

44. Utilizando o simulado PhET Colorado na aba 'Bar Magnet ', analisar as funções e os resultados da manipulação das variáveis. Indica-se movimentar os elementos do simulador, analisando os possíveis resultados, bem como variando/manipulando as variáveis no menu, no lado direito.  https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/faraday/latest/faraday.html?simulation=faraday

45. https://phet.colorado.edu/sims/html/faradays-electromagnetic-lab/latest/faradays-electromagnetic-lab_all.html?locale=pt_BR

46. Pergunta inicial...Por que o polo norte de uma bússola de um ímã indica em direção ao Polo Norte Geográfico do planeta?

47. Selecione a aba "Eletroímã" e manipule virtualmente os controles do simulador por 5 minutos e veja o que acontece. Durante 8 minutos…..use o simulador “Ímã e Bússola”)e manipula virtualmente os elementos que o compõem. Observe isso. O que acontece.

48. 3) Você conhece a lei dos polos magnéticos? Você consegue deduzir isso olhando a imagem? …Reinicie o simulador e responda…

49. A EXPERIÊNCIA DE OERSTED • Em 1820, o físico dinamarquês H. C. Oersted notou que uma corrente elétrica fluindo através de um condutor desviava uma agulha magnética colocada em sua proximidade.

50. • Quando a corrente elétrica “ i ” se estabelece no condutor, a agulha magnética assume uma posição perpendicular ao plano definido pelo fio e pelo centro da agulha. A EXPERIÊNCIA DE OERSTED

51. Experimento bússola com uma agulha - A EXPERIÊNCIA DE OERSTED Uma bússola com uma agulha imantada. Sabe-se que a agulha sofre influência do próprio campo magnético da terra. Um circuito elétrico simples abastecido a uma fonte no qual passou corrente elétrica pelo fio condutor. Alinhou a bússola paralelamente ao circuito.

52. Ao fechar o circuito com a bússola alinhada com o fio, ele percebeu que a agulha da bússola se movimentou. Repetiu o procedimento trocando os polos, mudando as posições da bússola em relação ao circuito elétrico. A partir do novo posicionamento continuava a observar que a agulha sofria certa deflexão na existência da corrente elétrica no fio condutor do circuito. A EXPERIÊNCIA DE OERSTED

53. Campo Magnético O campo magnético   é representado de forma semelhante ao campo elétrico . É uma grandeza vetorial (possui intensidade, direção e sentido). A unidade de medida do B é o tesla (T), em homenagem ao físico Nikola Tesla, que potencializou os estudos e o desenvolvimento de dispositivos que se apropriam desse fenômeno.  

54. TESLA Unidade de medida de indução magnética, equivalente à indução magnética uniforme que, repartida normalmente por uma superfície de um metro quadrado, produz através dessa superfície, um fluxo magnético total de 1 Weber. Tesla (símbolo T) é a unidade de indução magnética (ou campo magnético) no SI, equivalente a: = 1 kg* = =  

55. . Campo magnético Região ao redor de um imã ou de um condutor percorrido por corrente elétrica, e representado por linhas de campo magnético Ao contrário do que ocorre com o campo elétrico, as linhas de campo magnético são fechadas.  Não existem monopolos magnéticos.

56. Campos magnéticos típicos  No SI a densidade de fluxo magnético (ou indução magnética) B é medidas em teslas (T).

57. Dentro do ímã, as linhas de indução vão do polo sul para o norte. LINHAS DE INDUÇÃO As linhas de indução magnética são linhas imaginárias que usamos para representar o campo magnético de forma visual.

58. LINHAS DE INDUÇÃO As linhas de indução são sempre fechadas, ou seja, começam num ponto e voltam a esse mesmo ponto. Isso não acontece no caso elétrico. As linhas divergem da carga positiva e convergem para a negativa.

59. Fora do ímã, as linhas de indução vão do polo norte para o sul. LINHAS DE INDUÇÃO

60. As linhas de indução magnética saem e entram perpendicularmente à superfície dos polos. A concentração de linhas é maior nos polos, e quanto maior a concentração de linhas maior é a intensidade do campo magnético. LINHAS DE INDUÇÃO

61. Campos magnéticos constituem uma região do espaço na qual as cargas elétricas sofrem interferência de forças. Quando você tem uma carga elétrica , ela cria um campo elétrico ao seu redor. Esse campo elétrico exerce uma força sobre outra carga que estiver por perto. Ou seja, a força elétrica que sentimos vem do campo elétrico gerado pela carga. Campo elétrico – comparação Campo Magnético (analogia): De maneira semelhante, um ímã ou uma corrente elétrica (elétrons se movendo em um fio) cria um campo magnético ao redor. Esse campo exerce força sobre outros ímãs ou correntes próximas. Então, a força de atração ou repulsão magnética que percebemos é o efeito do campo magnético

62. O que é o Campo Magnético e como ele é Representado? O campo magnético pode ser representado como um vetor em cada ponto do espaço. Isso significa que, para cada ponto, existe: Módulo (intensidade do campo magnético, representada por B ). Direção e sentido (indicando para onde o campo magnético aponta).

63. Intensidade do Campo Magnético (B): A intensidade do campo magnético ( B ) é uma medida da força do campo em uma região específica do espaço. Quanto maior a intensidade , mais forte será o campo magnético naquele ponto.  Direção e Sentido: Direção indica para onde as linhas de campo magnético vão (ou seja, de onde a força começa a atuar e para onde ela vai). Sentido mostra a orientação das linhas de campo magnético (por exemplo, do polo norte para o polo sul de um ímã).

64. Notação para Representação do Vetor: Em algumas situações, utilizamos uma notação vetorial para representar a grandeza física (campo magnético) de forma precisa. A notação pode ser expressa como: Onde:  

65. Em algumas aplicações eletromagnéticas, utilizamos a seguinte notação para representar o vetor da grandeza física em estudo. Vetor entrando Vetor saindo

66. Quando duas cargas estão em movimento, além da força eletrostática manifesta-se uma outra força, chamada força magnética. Todos os fenômenos magnéticos são explicados através dessa força entre cargas em movimento. FORÇA MAGNÉTICA

67. FORÇA MAGNÉTICA A força magnética atua sobre cargas elétricas que estão em movimento. Ela depende da velocidade da carga, da intensidade do campo magnético e da orientação da carga e do campo. Quando uma carga elétrica q se move com uma velocidade v dentro de um campo magnético B , ela experimenta uma força magnética F dada pela equação de Lorentz:

68. FORÇA MAGNÉTICA   é a força magnética   é a velocidade de carga   é o campo magnético   é a carga elétrica   A força F é perpendicular tanto à velocidade da carga quanto ao campo magnético

69. Força Magnética Sobre Carga Elétrica em Movimento De forma semelhante ao campo elétrico , O Campo Magnético é definido como a razão da força magnética sobre uma carga elétrica com velocidade perpendicular ao campo.    

70. EFEITOS Como a força é sempre perpendicular à velocidade da carga, ela não faz com que a carga ganhe ou perca energia, mas sim altera a direção de seu movimento. Isso pode fazer com que uma carga mova-se em uma trajetória circular ou espiral, dependendo das condições. Em um campo magnético, a trajetória de partículas carregadas tende a se curvar. O raio da curva depende da velocidade da partícula, da intensidade da carga e do campo magnético.

71. EFEITOS Por exemplo, no caso de elétrons se movendo em um campo magnético, a força magnética pode fazer com que o elétron siga uma trajetória circular, o que é uma base para a operação de dispositivos como aceleradores de partículas. Essa interação entre carga elétrica e campo magnético é a razão de fenômenos como o funcionamento de motores elétricos, geradores e até mesmo a aurora boreal.

72. A regra da mão esquerda A regra da mão esquerda é usada para ajudar a lembrar a direção do campo magnético, a direção da corrente e a direção da força de impulso magnético quando uma barra condutora é introduzida em um campo magnético. É comumente usada para determinar a direção do movimento de um  motor elétrico  .

73. A regra da mão esquerda Para usar a regra da mão esquerda na física, posicione o dedo indicador, o dedo médio e o polegar perpendiculares entre si, como mostrado na Figura. Em seguida, aplique as seguintes convenções: o dedo indicador representa a direção do campo magnético; o dedo médio aponta para a direção da corrente; e o polegar representa a  direção da força magnética  , que também é semelhante ao movimento ou deflexão do condutor.

74. 1) Uma partícula eletrizada é lançada com velocidade v, que forma um ângulo com o vetor indução magnética B . Sendo de 2,0 μC a carga da partícula, v = 5,0 · 10 6 m/s e B = 3,0 · 10 –1 T, determine a intensidade da força magnética atuante para valores de iguais a 0° , 30° , 90° e 180°.   Exemplo 1 =   = força magnética   C   m/s   T   é o ângulo entre  

75. Quando θ=0 ° = = Quando θ=30 ° = ) x = 1,5 N  

76. 3) Um elétron num tubo de raios catódicos está se movendo paralelamente ao eixo do tubo com velocidade 10 7 m/s. Aplicando-se um campo de indução magnética de 2T, paralelo ao eixo do tubo, a força magnética que atua sobre o elétron vale: =   Dados: q=1,6×10 −19  C v=10 7  m/s B=2 T Como o movimento é paralelo ao campo magnético: ⇒ θ=0 ° = 0  

77. 3) Imagine que 0,12 N seja a força que atua sobre uma carga elétrica com carga de 6 μC e lançada em uma região de campo magnético igual a 5 T. Determine a velocidade dessa carga supondo que o ângulo formado entre v e B seja de 30 graus Dados: F=0,12 N q=6  μC = 6×10 −6  C B=5 T θ=30 ∘⇒ =0,5 🔹 Substituindo na fórmula: 0,12=(6×10 −6 ) ⋅ v ⋅ 5 ⋅ 0,50 = 8,0×10 3 m/s

78. Trabalho da força magnética  O efeito do campo magnético é mudar a direção de movimento da carga.  Assim, quando uma carga 𝑞 sobre um deslocamento infinitesimal 𝑑𝓁 durante um intervalo de tempo infinitesimal 𝑑𝑡 , o trabalho realizado pela força magnética será: W= F⋅d ℓ=∣F∣∣dℓ∣cos θ    

79. Força magnética sobre um condutor em movimento

80. Um dêuteron – partícula constituída por um nêutron e um próton – descreve trajetória circular de raio igual a 10 cm num campo Magnético de indução uniforme e constante, de intensidade igual a 2,0 T. Sendo a massa e a carga elétrica do dêuteron respectivamente iguais a 3,4 · 10 –27 kg e 1,6 · 10 –19 C e supondo a força magnética como a única atuante, calcule: a) o módulo de sua velocidade; b) o intervalo de tempo para o dêuteron percorrer uma Semicircunferência. Raio da trajetória (r) = 10 cm = 0,1 m Indução magnética (B) = 2,0 T Massa do dêuteron (m) = 3,4×10 −27 kg Carga do dêuteron (q) = 1,6×10 −19 C A única força atuante é a força magnética.

82. Introdução histórica  Michael Faraday (1791 – 1867) nasceu em uma família pobre, nas imediações de Londres.  Aos 14 anos passou a trabalhar como entregador e aprendiz de encadernador para o vendedor e encadernador de livros George Riebau , função que ocupou durante sete anos.  Em 1813 passou a trabalhar como assistente do renomado físico e químico Humphry Davy, da Royal Institution of Great Britain .  Somente em 1831, após a morte de Davy, Faraday decidiu reiniciar uma série de experimentos que culminariam com a descoberta da indução eletromagnética.  O fenômeno da indução foi descoberto de maneira independente pelo físico norte-americano Joseph Henry (1797 – 1878), também em 1831. Lei de Faraday e Indutância

83. O eletromagnetismo estabelece-se na fusão da eletricidade, que é o estudo do comportamento das cargas elétricas em repouso relativo, com o magnetismo, que é o estudo do campo magnético produzido por correntes (habitualmente correntes contínuas). Na  timeline  da evolução do eletromagnetismo, aproximadamente onze anos depois da experiência de Oersted , o físico Michael Faraday descobriu a lei da indução magnética. Essa descoberta pode ser considerada extremamente relevante, se não a mais importante, para toda a sociedade.

84. Lei de Faraday • Em 1831, Michael Faraday demonstrou que um campo magnético em movimento induz o surgimento de uma corrente elétrica em um condutor

85. Uma corrente  elétrica e uma ... força eletromotriz ( fem ) são induzidas sobre uma espira quando há uma variação de fluxo magnético sobre ela. Esse fenômeno, conhecido como indução eletromagnética, tem importantes aplicações tecnológicas, tais como: produção de energia elétrica, transformadores de tensão, motores elétricos, forno de indução, frenagem magnética, levitação magnética etc. (OLIVEIRA, 2019).

86. Problema exemplo É necessário construir um transformador que altere a tensão de 110 V para 220V. A bobina primária (que será ligada em 110 V) tem 2000 espiras. (a) Quantas espiras deverá ter a bobina secundária? (b) Supondo que a corrente de entrada foi de 10 A, qual será a corrente de saída?

87. O potencial da mescla dos fenômenos da eletricidade e o magnetismo estão intrinsecamente ligados à variável tempo. Esse acontecimento gerou precedentes para novos estudos que levaram à descoberta dos transformadores, dos motores e geradores elétricos e até da comunicação sem fio.

88. Além da variável tempo, a corrente elétrica é elemento norteador no que se refere a indução eletromagnética. A correlação entre o campo magnético (B) e a corrente elétrica (i) talvez tenha sido uma grande surpresa para os primeiros cientistas que observaram o fenômeno. Outra observação relevante faz-se no campo magnético que pode gerar um campo elétrico capaz de produzir uma corrente. Ou seja, descobriu-se um novo método para gerar corrente elétrica. Para essa relação entre campo magnético e o campo elétrico produzido (induzido) denominamos "lei de indução de Faraday".

89. Lei de Faraday

90. Outra questão fundamental na indução eletromagnética é estabelecida na observação sobre a diferença entre o movimento do ímã através da bobina do lado direito  versus  do lado esquerdo. Ou seja, ao movimentar o ímã no sentido da bobina, se pelo polo norte, se pelo sul, há resultados diferentes no medidor voltímetro. Ora sentido negativo, ora sentido positivo.

91. Heinrich Lenz, em 1833, continuando os estudos de Faraday concluiu que a corrente induzida em uma espira por um fluxo magnético variável tem um sentido tal que o campo magnético que ela cria tende a contrariar a variação do fluxo magnético através da espira. 

92. A imagem abaixo representa a relação entre o movimento do ímã relativo à espira. Independente de quem se mova, surge uma corrente elétrica na espira, chamada de corrente induzida. Pela Lei de Faraday-Lenz, o módulo da força eletromotriz induzida em uma espira condutora é igual à taxa de variação, com o tempo, do fluxo magnético que atravessa a espira.

93. Fluxo magnético • É a quantidade de campo magnético que atravessa uma seção

94. Acesse o  link  indicado e manipule (todas) as variáveis possíveis e disponíveis https://phet.colorado.edu/sims/html/faradays-law/latest/faradays-law_pt_BR.html

95. Exemplo Uma espira circular de diâmetro de 6 cm de diâmetro está em posição inicial paralela a um campo magnético uniforme de intensidade B=8,0x10-2 T. A espira é girada de 90° em um intervalo de tempo de 0,5s. Determine o valor absoluto da força eletromotriz induzida média nesse intervalo.

96. Aplicação: gerador Aplicação: gerador

97. Aplicação: gerador Aplicação: transformadores

98. O fenômeno da indução eletromagnética é a base de funcionamento dos transformadores . Funciona assim: Um transformador tem duas bobinas (chamadas de primário e secundário ) enroladas em torno de um núcleo de ferro . Quando uma corrente alternada (AC) passa pelo primário , ela gera um campo magnético variável no núcleo. Esse campo magnético variável induz uma tensão na bobina do secundário — exatamente como Faraday descobriu: variação de campo magnético → gera corrente . Aplicação: transformadores

99. Exemplo É necessário construir um transformador que altere a tensão de 110 V para 220V. A bobina primária (que será ligada em 110 V) tem 2000 espiras. (a) Quantas espiras deverá ter a bobina secundária? (b) Supondo que a corrente de entrada foi de 10 A, qual será a corrente de saída? A bobina secundária deverá ter 4000 espiras . A corrente de saída no secundário será 5 A .

100. Oscilações eletromagnéticas e circuitos em corrente alternada Entende-se por  circuitos elétricos uma ligação de elementos tais como geradores, receptores, resistores, capacitores, baterias, interruptores e outros elementos a partir de um fio condutor, formando um 'caminho fechado'.

101. Oscilações eletromagnéticas e circuitos em corrente alternada Dentre as muitas aplicações dos circuitos elétricos, podemos destacar a função de ligar equipamentos elétricos e eletrônicos a partir de especificidades de uso. Os circuitos trabalham com a tensão elétrica, a corrente elétrica e a energia elétrica suportada por cada equipamento.

102. É evidente que a utilização dos circuitos elétricos alterna e elimina picos de corrente elétrica que são (normalmente) prejudiciais para certos aparelhos. Portanto, alterar a tensão elétrica e a alternar entre os tipos de corrente elétrica (seja da corrente alternada para a corrente contínua, seja da corrente contínua para a corrente alternada) são funções que os circuitos elétricos ajudam a desempenhar. Oscilações eletromagnéticas e circuitos em corrente alternada

103. E aqui se faz uma importante conexão dos fenômenos e das grandezas físicas a oscilações eletromagnéticas e circuitos elétricos, pois há uma relação intrínseca entre as oscilações eletromagnéticas, que se origina no movimento de carga e corrente a partir de campo elétrico, capacitor, campo magnético e indutor, e circuitos elétricos aplicados.

104. Nesse sentido, as oscilações eletromagnéticas subsidiam a correta aplicação dos diferentes tipos de circuitos elétricos e suas respectivas funções. Um exemplo prático de oscilações eletromagnéticas e circuitos de corrente alternada é visualizado nas linhas de transmissão de energia elétrica. 

105. A base da comodidade humana está no uso e consumo da energia elétrica, em especial como essa grandeza é gerada e como chega em nossos lares com 'tamanha' facilidade. Ou seja, apropriamo-nos da rede elétrica por ser facilitadora da energia com baixo custo. Você conseguiria explicar qual é o tipo de corrente elétrica gerada nas usinas hidroelétricas? E qual é a relação entre as oscilações eletromagnéticas e os circuitos aplicados?

106. Respostas para essas perguntas e outros questionamentos é que buscaremos discutir no presente estudo. Até porque entendemos que diversas formas de energia podem ser (e são) transformadas em energia elétrica mediante eletroímãs com fluxo magnético variável, produzindo as correntes alternadas. Entretanto não basta exclusivamente gerar a energia elétrica, é necessário fazer com que cheguem em nossas residências (e indústrias) com o máximo de potencial elétrico e com milhares de volts de potência. Por isso a importância de se compreender os fenômenos que estão associados aos circuitos elétricos, a corrente alternada e a própria oscilação eletromagnética.

107. entender circuitos elétricos em corrente alternada; correlacionar a oscilação eletromagnética e os circuitos elétricos; compreender o contexto histórico crítico da corrente alternada e da corrente contínua. METAS DE APRENDIZAGEM

108. As oscilações eletromagnéticas aplicadas em circuitos de corrente alternada são elementos que possibilitaram o desenvolvimento de máquinas e equipamentos.

109. Entende-se oscilação como uma variação em função de uma variável ou grandeza. Ou seja, oscilação fundamenta-se na flutuação, na mudança e/ou no movimento alternada O que é oscilação? Ondas eletromagnéticas Entende-se por Ondas Eletromagnéticas oscilações formadas pelos campos elétricos e magnéticos. As OEs transportam energia e viajam na velocidade da luz e podem se apresentar na forma de ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios x e raios gama, em ordem crescente de frequência e energia.

110. A figura na sequência representa o espectro da luz e das ondas eletromagnéticas, em que se estabelecem a frequência  e o comprimento de onda  e amplitude  para cada faixa e radiação. Perceba que para cada frequência e comprimento de onda se observa um tipo de radiação e temperatura exclusiva.

111. A propagação  das ondas se ... fundamenta no transporte de energia ao longo do tempo. As ondas eletromagnéticas alternam campos elétricos e magnéticos, oscilando ao longo do tempo, transportando energia. Ao reconhecer o potencial das oscilações e da geração de energia elétrica, Faraday e Maxwell foram os principais físicos que descreveram, experimentalmente e matematicamente, o comportamento eletromagnético. Por consequência, houve o surgimento da corrente alternada.

112. Circuitos elétricos e aplicações Entende-se que um circuito elétrico está em funcionamento quando conectado e ligado a um dispositivo que fornece cargas elétricas, por exemplo, uma bateria carregada, estabelecendo uma corrente elétrica em um caminho direcionado. Nesse sentido, os circuitos elétricos são projetados a partir de esquemas simplificados e padronizados, desempenhando importante papel no funcionamento de máquinas e equipamentos.

113. Circuito elétrico Um circuito elétrico é a ligação de elementos elétricos, tais como resistores, indutores, capacitores, diodos, linhas de transmissão, fontes de tensão, fontes de corrente e interruptores, de modo que formem pelo menos um caminho fechado para a corrente elétrica.

114. Circuito Elétrico

115. Tensão Elétrica É a quantidade de energia gerada para mover uma carga elétrica. Um gerador fornece uma energia aos elétrons que pode ser usada de diversos modos, para acender uma lâmpada incandescente, esquentar água através dos chuveiros elétricos, aquecer o ferro elétrico etc. Simbolo : V Unidade de medida: Volts

116. Potência Essa grandeza, portanto, aponta a velocidade com que a energia elétrica é transformada em outro tipo de energia. No Sistema Internacional, a unidade de energia elétrica é o joule (J). Entretanto, na prática, as duas unidades de potência mais usadas são o watt (W) e o quilowatt (kW). Simbolo : W Unidade de medida: Watts

117. Circuitos elétricos e aplicações O mundo atual tem incontáveis aparelhos elétricos, cujo funcionamento fundamenta-se em circuitos elétricos. O fato é que todos esses aparelhos, de aplicação pessoal ou de escala industrial, têm rede de distribuição de energia elétrica que os faz funcionar, gerando dependência da engenharia elétrica atual.

118. Elementos como resistores, capacitores, fontes de corrente e de tensão, entre outros, quando aplicados em conjunto, caracterizam os circuitos elétricos, e esses elementos são denominados valores de entrada. O objetivo da análise de circuitos elétricos é obter/conhecer outros valores, chamados de saídas. A figura que segue ilustra os componentes mais comuns em circuitos elétricos.

119. os elementos de um circuito são classificados como ativos e passivos. Elementos ativos dos circuitos aqueles que podem gerar energia elétrica, como as fontes, ( tensão e corrente ) Elementos passivos aqueles que não são, como resistores, indutores e capacitores . CLASSIFICAÇÃO DOS ELEMENTOS DE UM CIRCUITO

120. Corrente Elétrica É a quantidade de carga por unidade de tempo que passa por uma superfície.

121. Corrente Elétrica Condições Necessárias : Existência de um percurso entre dois pontos, ao longo do qual as cargas possam se movimentar. Deve existir uma DDP entre os dois pontos.

122. Tipos de corrente elétrica Corrente contínua (CC) É aquela cujo sentido se mantém constante. Ex : bateria de carro, notebooks, celulares, pilhas, etc. Corrente alternada (CA) É aquela cujo sentido varia alternadamente. Ex : corrente usada nas residências e indústrias.

123. Corrente (em mA) Danos que acarretam 1 a 10 Leve formigamento. 10 a 20 Dor e forte formigamento. 20 a 100 Convulsões e parada respiratória 100 a 200 Fibrilação. Acima de 200 Queimaduras e parada cardíaca. Danos ao corpo humano

124. Densidade de Corrente É o fluxo de cargas que passam por unidade de área da seção transversal do condutor.

125. Cálculo da Densidade de Corrente J = Densidade de Corrente (A/m 2 ) i = Corrente Elétrica (A) A = Área (m 2 ) Outra forma de calcular a densidade de corrente é: n é o número de portadores de carga por unidade de volume e é a carga elementar (1,6.10 -19 C) V d é a velocidade de deriva das cargas.

126. Velocidade de deriva Velocidade de deriva é da ordem de 10 -4 m/s.

127. Exemplo Quanto tempo os elétrons levam para passar da bateria de um carro para o seu motor de arranque? Suponha que a corrente seja 300 A e os elétrons atravessam um fio de cobre cuja área da seção transversal é igual a 0,21 cm² e cujo comprimento é de 0,85 m. O número de elétrons no cobre é 8,47x10 28 elétrons/m³. Dados fornecidos pelo problema?

128.       = 809,5 s ou 14 minutos  

129. Resistores S ão utilizados nos circuitos elétricos como reguladores do nível de tensão em uma placa. Como exemplo prático, podemos citar as placas (mãe, de rede, de vídeo) de circuito de computadores que trabalham com tensões relativamente baixas, portanto uma série de resistores e demais componentes garantem que as tensões nos pontos da placa não ultrapassem limites operacionais estabelecidos.

130. Os resistores e os transformadores são exemplos de recursos que possibilitam certo equipamento trabalhar com a correta frequência de energia, tensão e corrente. O resistor limita ou regula a corrente elétrica, perfazendo uma estabilidade da corrente que flui nas placas. Já o transformador é utilizado para reduzir ou aumentar a tensão (voltagem). Resistores

131. Resistência e Resistividade Os átomos do material interferem no movimento dos elétrons e, portanto, participam das propriedades elétricas do material.

132. Resistência e Resistividade Os portadores de carga ao se moverem através da estrutura dos condutores encontram resistências ao seu movimento. As sucessivas colisões entre elétrons nas partículas do próprio condutor aumentam a temperatura do condutor e sua resistência. Aumentar a temperatura é bom ou ruim?

133. Bom em alguns casos: Em dispositivos como aquecedores elétricos e lâmpadas incandescentes , esse aumento da temperatura é desejado . A resistência gera calor (efeito Joule), que é o que aquece o ambiente ou faz o filamento da lâmpada brilhar. Ruim na maioria dos casos: Em fiação elétrica comum, não queremos que o fio aqueça demais. O aumento da resistência dissipa energia em forma de calor, desperdiçando eletricidade . Pode causar superaquecimento , danificar o material e até gerar riscos de incêndio .

134. Resistência e Resistividade A resistência depende do condutor. Pode ser calculada por: R = Resistência ( Ω ) ρ = Resistividade ( Ω .m ) L = Comprimento do condutor (m) A = Área (m 2 ) https://phet.colorado.edu/sims/html/resistance-in-a-wire/latest/resistance-in-a-wire_pt_BR.html

135. Resistência e Resistividade A resistência é uma propriedade de um dispositivo. A resistividade é uma propriedade do material.

136. Resistência e Resistividade A resistividade depende do material. Pode ser calculada por: ρ = Resistividade ( Ω .m ) E = Campo Elétrico (V/m) J = Densidade de Corrente (A/m 2 )

137. Variação da Resistividade em função da temperatura O cálculo pode ser feito usando-se as equações: = resistividade à temperatura T o ( Ω .m ) = resistividade ( Ω .m ) T o = temperatura inicial ( o C ) T = temperatura final ( o C ) α = Coeficiente de resistividade de temperatura ( o C -1 )

138. Resistores São elementos de circuito que consomem energia elétrica, convertendo-a integralmente em energia térmica. A conversão de energia elétrica em energia térmica recebe o nome de efeito Joule .

139. Resistor elétrico Como exemplo, podemos citar os aquecedores, o ferro elétrico, o chuveiro elétrico, a lâmpada comum e os fios condutores em geral. Representação simbólica dos resistores

140. Resistores

141. Código de Cores para Resistores Exemplo: 1ª Faixa:  Marrom = 1 2ª Faixa:  Preto = 0 3ª Faixa Nº de zeros:  Vermelho = 2 = 00 Valor obtido:  1000  Ω  ou 1 kΩ Tolerância:  Sem cor = ± 20% = 200 Ω Então o resistor pode variar de 800 Ω a 1200 Ω de acordo com a tolerância. R esistores 3 faixas

142. Código de Cores para Resistores Exemplo: 1ª Faixa:  Vermelho = 2 2ª Faixa:  Violeta = 7 3ª Faixa Nº de zeros:   M arrom = 1 = 0 Valor obtido:  270 Ω   Tolerância:  Dourado = ± 5 % = 13,5 Ω Então o resistor pode variar de 256,5 Ω a 283,5 Ω de acordo com a tolerância. R esistores 4 faixas

143. Gerador Os geradores são responsáveis pelo fornecimento de energia para os circuitos elétricos, em especial seus respectivos elementos. Ao conectar os terminais de um gerador aos fios condutores de um circuito, evidencia-se uma diferença de potencial, provocando o surgimento da corrente elétrica (movimentação dos elétrons).

144. Os geradores como pilhas e baterias geram o que chamamos de corrente contínua. Já as tomadas residenciais são geradoras de correntes alternadas. Essa definição se fundamenta no tipo de movimentação dos elétrons. Se o movimento do fluxo das cargas elétricas ocorre em um único sentido , dizemos que o circuito é percorrido por uma corrente contínua . Agora, se o sentido do movimento do fluxo elétrico variar periodicamente com o tempo , dizemos que ele é percorrido por uma corrente alternada. Gerador

145. Capacitores • Capacitor é um dispositivo utilizado para armazenar energia, na forma de energia potencial, contida em campos elétricos.

146. Quando você conecta um capacitor a uma fonte de tensão (como uma bateria), acontece o seguinte: A bateria "empurra" elétrons da placa positiva para a placa negativa do capacitor. A placa conectada ao polo positivo da bateria perde elétrons e fica com carga positiva . A placa conectada ao polo negativo da bateria recebe elétrons e fica com carga negativa . Importante: As cargas não atravessam o isolante (o dielétrico) entre as placas — elas apenas se acumulam em cada lado. Essa separação de cargas cria um campo elétrico e armazena energia no capacitor.

147. Capacitância • Os elementos básicos de qualquer capacitor são dois condutores isolados de formatos arbitrários. • Chamamos tais condutores de placas , quaisquer que sejam suas geometrias. • São bem conhecidos os capacitores de placas paralelas, os esféricos e os cilíndricos.

148. Capacitores, também conhecidos como condensadores, foram desenvolvidos com o objetivo de reter grandes quantidades de cargas elétricas, liberando-as rapidamente quando solicitados.

149. Portanto os capacitores são utilizados para o armazenamento de cargas elétricas em um circuito e, quando solicitado, subsidiam o fluxo de cargas nas placas, estabilizando e atenuando certas variações de corrente elétrica nos circuitos. Carros - Presentes em vários sistemas: injeção eletrônica, painel, rádio, ar-condicionado, etc. geladeiras e ventiladores Geladeiras e ventiladores Ajudam o motor a dar a partida , fornecendo uma descarga inicial de energia etc.

150. Indutor Indutor é um componente aplicado nos circuitos elétricos, eletrônicos e digitais com o objetivo de armazenar energia por meio de um campo magnético. Podemos chamar um indutor de solenoide ou bobina, visto que ambos os dispositivos eletromagnéticos ajudam a armazenar energia criada a partir do campo magnético, formado por uma Corrente Alternada (CA). 

151. Indutor

152. Qual a diferença entre indutor e capacitor?

153. Característica Capacitor Indutor Armazena energia No campo elétrico No campo magnético Comportamento principal Resiste a mudança na voltagem Resiste à mudança de corrente Componente Duas placas condutoras Bobina de fio condutor Usos comum Filtragem e estabilização de energia Filtragem de corrente, transformadores