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Departamento de Física - UFF Atividade 10 - Lei de Faraday - Física Experimental II Alunos: Camila Kubo e Rogério Bernardes Turma: CF Lei de Faraday Este laboratório usa o simulador Lei de Faraday da Universidade do Colorado - Boulder, sob a licença CC-BY 4.0 https://phet.colorado.edu/sims/html/faradays-law/latest/faradays-law_en.html Se familiarize com o simulador. Introdução Faraday e Lenz mostraram, independentemente, que quando se altera o fluxo do campo magnético que atravessa um circuito, surge uma força eletromotriz induzida que dá origem a uma diferença de potencial, daí podendo aparecer uma corrente elétrica no circuito. Este fenômeno foi denominado apropriadamente de indução magnética, e sua importância tecnológica é muito grande. Podemos, por exemplo, citar os geradores de eletricidade e os transformadores, todos baseados nesse fenômeno. Seja B(t) um campo magnético variável no tempo, S uma área delimitada por um fio fechado (espira), um𝑛 → vetor unitário perpendicular à superfície S em cada ponto e dS uma área infinitesimal (veja a figura). Espira em um campo magnético variável. O fluxo do campo magnético através da superfície S é dado pela expressão ϕ 𝐵 𝑡( ) = ∫ 𝐵 → (𝑡)∙𝑛 → 𝑑𝑆 onde a integração é sobre a área limitada pela espira. https://phet.colorado.edu/sims/html/ohms-law/latest/ohms-law_es.html Pela Lei de Faraday, tem-se que a variação temporal do fluxo do campo magnético através da espira induz uma fem na mesma, dada por:ε(𝑡) ε(𝑡) =− 𝑑ϕ 𝐵 (𝑡) 𝑑𝑡 Para estudar a Lei Faraday, vamos utilizar a simulação da Lei de Faraday, onde aparecem um ímã e duas bobinas com diferentes números de espiras. Instruções: Abra a simulação da Lei de Faraday: em seguida, responda às perguntas abaixo usando as evidências de suas observações. 1. Qual é a comparação entre as fem induzidas (tensão) no momento em que a borda do imã (região mais próximas aos pólos norte e sul) inicia a entrada no interior do solenóide de cima e; quando se move no meio dele? R: A tensão quando o meio do ímã se move através da bobina é maior do que quando as linhas do campo magnético mais próximas se movem através do fio por conta da distância até a bobina, que é inversamente proporcional à intensidade da indução eletromagnética. Com isso, no segundo caso a lâmpada brilha com mais intensidade do que o primeiro caso. 2. Repita o movimento do ímã só que desta vez fazendo que ele penetre no solenóide de baixo (bobina com maior número de espiras). 3. Você percebe alguma diferença de tensão? Explique a razão física que suporta sua resposta. R: Sim. A tensão é bem maior por conta do maior número de espiras presentes na bobina, o que causa uma força eletromagnética superior e, consequentemente, uma indução eletromagnética mais intensa. E, nesse caso, a lâmpada alcança sua intensidade máxima. A taxa de variação do campo magnético está sendo maior no interior das espiras. 4. Alterne a polaridade do imã clicando na parte inferior da tela de simulação.Repita os procedimentos anteriores, primeiro em relação a pergunta número 1. Depois em relação às perguntas 2 e 3. 5. Você percebe alguma diferença em relação as fem induzidas? Se sim, quais seriam? Explique em detalhes a razão da existência ou inexistência de diferenças. R: Sim. A corrente agora altera o sentido de forma com que o campo magnético atrai o imã que está se aproximando e afasta o ímã que está se afastando. Contrariando então, os efeitos da bateria na configuração inicial. 6. A velocidade com a qual você move o ímã para dentro das bobinas tem algum efeito sobre a força eletromotriz (fem) induzida? Qual a razão científica que sustenta o fato observado e alegado em sua resposta? R: Sim. A lei de Faraday diz que a voltagem induzida é proporcional ao número de espiras no conjunto, à área da seção transversal de cada espira e à taxa com a qual o campo magnético varia no interior das espiras. 7. Preveja e verifique o que acontece com o brilho da lâmpada quando o imã se aproxima da bobina de cima e depois com a bobina de baixo, mas com a mesma velocidade nos dois casos. R: O brilho da lâmpada aumenta conforme o ímã se aproxima do interior das bobinas. Na bobina de cima, o brilho chega a, no máximo, aproximadamente metade do brilho da de baixo. 8. Usando só a bobina de baixo, aproxime e afaste o imã com mais ou menos a mesma velocidade. Qual a direção da corrente? Inverta a polaridade do imã e repita os movimentos. A direção da corrente é a mesma? R: Ao aproximar o polo S do imã, se induz uma FEM que faz circular uma corrente no sentido horário. Removendo o imã, se induz uma corrente no sentido anti-horário. Ao inverter a polaridade do ímã, a direção da corrente é mantida, mas seu sentido é invertido. 9. Seria a propagação da luz no vácuo através da pela Lei de Faraday? Veja a figura abaixo e dê sua opinião. R: Pela Lei de Faraday, podemos observar que a variação do campo magnético produz um campo elétrico. A direção de propagação de uma onda magnética é perpendicular e em fase à onda de propagação elétrica, isto é, elas estão sempre em planos transversais. Faraday não descreveu a propagação da luz no vácuo. Maxell propôs equações usando as leis de Ampère, Coulomb e Faraday para determinar a velocidade de propagação da luz no vácuo, que é de 3 . 10^8. CONCLUSÃO: Descreva o que você aprendeu sobre a lei de Faraday e os efeitos causados pelo movimento de um ímã em uma bobina. Utilize as evidências que recolheu das simulações para apoiar a sua resposta. R: A atividade proposta e a simulação usada foram ótimas ferramentas para o aprendizado sobre o comportamento das correntes elétricas, campos magnéticos, fluxos etc. na interação de um ímã com bobinas. Ao responder os itens acima, os alunos conseguiram obter o conhecimento necessário para o domínio do assunto e possível aplicação futura. Os conhecimentos sobre lei de Faraday e os efeitos causados pelo movimento do ímã nas bobinas estão descritos nas respostas anteriores, que foram dadas baseadas nas evidências retiradas das simulações.
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