Relatório 10 - Corrente Foucault.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO - UFMA
CENTRO DE CIÊNCIAS SOCIAIS, SAÚDE E TECNOLOGIA - CCSST
CURSO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS
DISCIPLINA: FÍSICA EXPERIMENTAL III
DOCENTE: RICARDO JORGE CRUZ LIMA
GLÓRIA MARIA DE OLIVEIRA PAIXÃO
CORRENTE FOUCAULT
ANEL DE THOMSON
IMPERATRIZ – MA
2022
GLÓRIA MARIA DE OLIVEIRA PAIXÃO
CORRENTE FOUCAULT
ANEL DE THOMSON
Prática experimental apresentada ao curso de
Engenharia de Alimentos da Universidade Federal do
Maranhão – UFMA do Centro de Ciências Sociais,
Saúde e Tecnologia – CCSST a ser utilizado como
requisito de nota da disciplina de Física Experimental
III.
Docente: Ricardo Jorge Cruz Lima
IMPERATRIZ – MA
2022
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 4
A Lei de Faraday 5
Anel de Thompson (Anel Saltante) 6
2. OBJETIVO 7
3. MATERIAIS 7
3.1 Equipamentos 7
3.2 Utensílios 7
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 8
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 8
6. CONCLUSÃO 12
BIBLIOGRAFIA 13
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1. INTRODUÇÃO
Ao estudarmos as forças eletromotrizes induzidas nos fios condutores, vimos que as
correntes induzidas têm trajetórias bem definidas: os próprios fios. Há situações em que o fio
condutor é uma peça com tamanho maior que um fio. Como consequência do seu tamanho, as
correntes induzidas não apresentarão trajetórias definidas. A essas correntes damos o nome de
correntes de Foucault, em homenagem ao cientista francês Léon Foucault.
Geralmente, as correntes formam trajetórias fechadas, como na figura abaixo. Dessa
forma, podemos chamá-las de correntes em redemoinho.
Figura 1 - Correntes em redemoinho. Fonte:
https://www.preparaenem.com/fisica/as-correntes-foucault.htm.
No interior de um motor elétrico, por exemplo, as correntes de Foucault são, de certa
forma, indesejáveis; tanto pelo fato de dissiparem energia através do aquecimento, como pelo
fato de elas mesmas criarem um fluxo magnético. Nesses casos chamamos essas correntes
indesejáveis de correntes parasitas.
Com a intenção de reduzir os efeitos dessas correntes, as peças são fabricadas em
forma de lâminas finas colocadas paralelamente com um isolamento de óxido de ferro ou
verniz entre elas. Veja a figura abaixo:
Figura 2 - Efeito das correntes. Fonte: https://www.preparaenem.com/fisica/as-correntes-foucault.htm.
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Há casos em que as correntes de Foucault são bem aproveitadas. Por exemplo, como
elas produzem calor, são utilizadas para fundir peças metálicas nos fornos de indução, os
quais são formados por uma bobina percorrida por uma corrente alternada.
Essas correntes são aproveitadas também como freios magnéticos, por exemplo, nos
amperímetros e multímetros. Nesses equipamentos, os ponteiros são colocados em um
pequeno disco de metal que por sua vez fica disposto entre os pólos de um ímã. Dessa forma,
ao movimentar o ponteiro, o disco também se movimenta gerando correntes de Foucault com
sentido contrário ao movimento frenando o ponteiro (SILVA, 2022).
A Lei de Faraday
Sabemos que a corrente elétrica induzida num circuito gera um campo magnético oposto
à variação do fluxo magnético que induz a corrente elétrica. Sabemos também que o sentido
da corrente elétrica induzida é tal que o campo magnético por ela produzido se opõe à
mudança de fluxo que a originou. De acordo com a lei de Lenz, a corrente elétrica induzida
em uma espira deve contrariar essa aproximação. Portanto, a espira deve exercer sobre o ímã
uma força F que se opõe ao movimento do ímã. Essa força é conhecida como força
eletromotriz induzida. O físico Faraday mostrou como calcular essa força (ARAÚJO, 2002).
Suponhamos que Φ1 e Φ2 sejam os fluxos do campo magnético através de uma espira,
nos instantes t1 e t2. Sendo ξ a força eletromotriz média entre os instantes t1 e t2, temos:
Onde, ΔΦ = Φ2 - Φ1 e Δt= t2 - t1
Quando a força eletromotriz é variável, pode-se definir seu valor instantâneo ξ:
Porém, quando ξi for constante, teremos:
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O sinal negativo serve apenas para indicar que a força eletromotriz induzida se opõe à
variação do fluxo magnético, de acordo com a Lei de Lenz. Porém, ao resolvermos exercícios,
nos interessamos apenas pelo módulo da força eletromotriz. Se, ao invés de termos uma única
bobina formada por várias espiras, em cada uma delas houver uma força eletromotriz
induzida, a soma dessas forças nos dará a força eletromotriz total. Se tivermos uma bobina
chata formada por N espiras, o fluxo será o mesmo em cada espira, ou seja, a força
eletromotriz total passará a ser dada da seguinte forma:
Anel de Thompson (Anel Saltante)
Uma fascinante demonstração sobre eletromagnetismo é a ''levitação magnética'' de
uma argola de alumínio. Conforme mostra a figura 1a, a argola é posicionada ao redor de um
longo núcleo de ferro-doce, instalado em uma bobina que é alimentada com tensão alternada
1. Essa demonstração é conhecida como ''anel saltante'' ou ''anel de Thomson'', em
homenagem ao físico norte-americano Elihu Thomson, que a inventou no século XIX.
Figura 3 - Demonstração da levitação magnética. Fonte:
https://www.scielo.br/j/rbef/a/5dN9sfsq574xsVmpYnVtQmQ/?lang=pt#ModalFigfig03.
É bem sabido que duas espiras ou anéis percorridos por corrente elétrica interagem
magneticamente. Essa interação pode ser atrativa - quando o sentido das duas correntes é o mesmo
-, ou repulsiva - quando o sentido das duas correntes é diferente. A figura 2 é uma ilustração
dessas duas possibilidades.
https://www.scielo.br/j/rbef/a/5dN9sfsq574xsVmpYnVtQmQ/?lang=pt
https://www.scielo.br/j/rbef/a/5dN9sfsq574xsVmpYnVtQmQ/?lang=pt
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Figura 4 - Duas espiras com corrente elétrica.
Fonte:https://www.scielo.br/j/rbef/a/5dN9sfsq574xsVmpYnVtQmQ/?lang=pt#ModalFigfig03.
A figura abaixo representa um solenóide, conduzindo uma corrente elétrica i1,
juntamente com algumas linhas de indução magnética. Um pouco à direita do solenóide
encontra-se um anel, conduzindo uma corrente elétrica i2, de mesmo sentido que i1. Quando
as correntes elétricas têm o mesmo sentido, a interação entre o solenóide e o anel é atrativa.
Figura 5 - Interação magnética entre um solenóide e uma única espira.
Fonte:https://www.scielo.br/j/rbef/a/5dN9sfsq574xsVmpYnVtQmQ/?lang=pt#ModalFigfig03
2. OBJETIVO
Determinar o comportamento de diferentes materiais à medida que intercepta um cano
de alumínio, demonstrar a Lei de Faraday-Lenz de indução eletromagnética e seu sentido,
analisar o Anel de Thomson e avaliar o comportamento saltitante utilizando uma bobina.
3. MATERIAIS
3.1 Equipamentos
Pêndulo de freio magnético
3.2 Utensílios
Ímã de neodímio
Cano de alumínio
https://www.scielo.br/j/rbef/a/5dN9sfsq574xsVmpYnVtQmQ/?lang=pt
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Bobina
Anel de alumínio
Régua
Anel cortado e grampeado
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Inicialmente, foi utilizado um cano de alumínio e uma ímã pequena. Em seguida, foi
utilizado o cano de alumínio (paramagnético) na vertical e com um material que não é ímã e
inserido no cano. Posteriormente foi utilizada uma ímã e visto o comportamento que atingiria
o chão.
Logo após foi realizado com o pêndulo e visto a oscilação dos materiais. Foi utilizado
com o campo magnético no centro, outro sem campo magnético e sem seguida, com campo
magnético. Posteriormente foi realizado o experimento do anel de Thomson e utilizado a
corrente de 220 V.
Foi utilizado um anel de alumínio e colocado no ferro. Ligou a indução e a corrente
parasita. Em seguida, foi utilizado uma régua para analisar a altura que o material alcançou.
Depois foi inserindo dois anéis e visto o comportamento que sucedeu. Seguidamente foi
utilizado uma bobina secundária e analisado o comportamento.
Em seguida foi utilizado com embalagem. Assim foi um anel cortado e logo após um
anel grampeado. Posteriormente foi pego outra embalagem menor em formato de anel e
analisado o comportamento.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na natureza, existem alguns materiais que, na presença de um campo magnético,
tornam-se ímãs fracos ou não. Esses materiais são classificados em ferromagnéticos,
paramagnéticos e diamagnéticos. As correntes de Foucault são muitas vezesdemonstradas ao
se retardar o movimento de um pêndulo metálico quando passa por um campo magnético. No
caso de você ter tempo suficiente para experimentar com diferentes materiais, um pêndulo é
uma boa escolha, pois permite comparar o tempo que leva para parar o movimento.
Dessa maneira, foi analisado o comportamento do primeiro material que não é ímã ao
adentrar o cano de alumínio e foi visto que resultou na queda livre, ou seja, não é magnético.
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Figura 1 - Material ao adentrar um cabo de alumínio. Figura 2 - Material em queda livre.
Dessa maneira, foi analisada com uma ímã forte de neodímio, ele é usado em
aplicações em que uma elevada força magnética é necessária a partir do menor volume
possível de material magnético. Mesmo pequenos ímãs de neodímio têm uma quantidade
surpreendente de força magnética e são capazes de levantar mais de 1.000 vezes o seu próprio
peso. Assim, com a ímã demorou mais a cair e ele não gruda em material paramagnético,
onde demorou mais a cair.
Figura 3 - Ímã conectado. Figura 4 - Ímã em conexão com o cabo de alumínio. Figura 5 - Ímã de
neodímio ao adentrar ao cabo de alumínio.
Os ímãs levam mais tempo para cair através do tubo do que o cilindro de aço. Embora
o cobre não seja ferromagnético, ele é um bom condutor de corrente elétrica. Os ímãs em
queda induzem uma corrente elétrica (chamada de correntes de Foucault) que flui em torno do
tubo circular, e gera ela mesma um formato circular, isto é, um campo magnético em forma de
donuts. O campo magnético gerado pelas correntes de Foucault abaixo e acima dos ímãs em
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queda se opõe ao campo magnético do ímã, que conduz a uma força de repulsão abaixo do
ímã e uma força atrativa sobre ele, o que em conjunto desacelera a queda livre.
Em seguida foi observado o que aconteceria com o pêndulo de freio magnético. Assim
a oscilação sem ímã foi livremente. Com o campo magnético no centro foi observado que
ocorreu o freio e quando a ímã passa ocorre uma variação no campo magnético.
Posteriormente sem campo magnético o pêndula oscila livremente e logo após com campo
magnético freou primeiro, mais corrente se formando e também o freio mais eficiente.
Figura 6 - Pêndulo em cada etapa do experimento.
A Lei de Faraday nos diz que ao induzir um fluxo magnético em circuito fechado uma
corrente elétrica é criada. Lenz ao estudar esse fenômeno observou que a corrente elétrica
gerada cria um campo magnético com sentido oposto ao que gerou a corrente. Com sentidos
opostos ocorre a atração da superfície das placas com os ímãs fazendo eles pararem de oscilar.
Ao trocarmos as pás do experimento que servem de pêndulo, observamos que quanto mais
fechado o circuito, maior é a força de frenagem pelos ímãs, e que ao abandonarmos a pá
aberta o fenômeno não ocorre.
Logo após foi analisada o anel de Thomson (saltitante de Thomson). Ligando-se a
bobina a uma fonte de tensão alternada, o campo magnético criado pela bobina varia com a
mesma frequência e induz no anel uma corrente elétrica (Lei de Lenz). Essa corrente gera um
campo magnético que se opõe ao campo magnético criado pela bobina, assim o anel é sempre
repelido pela bobina provocando um salto. Assim, quando inserido o anel de alumínio e
ligado a indução a corrente parasita, então ocorreu redução. Em seguida, no material aberto
não ocorreu modificação, ou seja, ficou no mesmo lugar. Com dois anéis foi visto que subiu
ao mesmo lugar, mas como somente o primeiro tem mais peso.
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Figura 7 -Anel de Thomson em diferentes momentos.
A bobina secundária induzindo a corrente na outra, onde foi visto que a led acendeu no
meio. Então, quanto mais se afasta indo para cima mais fica fraca e não liga.
Figura 8 - Bobina onde a led acendeu.
Em seguida foi analisada/observada como sucedeu o comportamento com um anel de
embalagem. Foi visto que conseguiu levitar, o campo magnético se propaga para fora. Em
seguida, foi observado com o anel cortado e visto que a corrente não se fecha mais. Quando
grampeado é observado que a corrente não se fecha e não refaz o circuito. Com outro anel de
menor raio foi notado que com menos material fica mais leve e tem-se o mesmo poder de
levitação, porém com impulso inicial maior.
O anel saltante ou anel de Thomson é uma interessante demonstração dos efeitos
eletromagnéticos. Ele consiste em uma bobina, um anel metálico, normalmente de alumínio, e
um núcleo metálico que atravessa a bobina e o anel. Quando a bobina é ligada a uma tomada
de corrente alternada, o anel de alumínio salta e fica levitando em uma altura que pode ser
considerada constante. A figura mostra o dispositivo. Um dos fatos que contribuem para a
levitação do anel metálico, apesar de não ser o único, é a fonte de corrente elétrica ser
alternada, pois o anel não levitaria se ela fosse contínua.
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6. CONCLUSÃO
Conclui-se que a corrente Foucault/parasita/fuga é importante nas caracterização e
comportamento dos materiais. Um assunto muito associado às correntes parasitas, são as
perdas magnéticas em máquinas elétricas devido à corrente de magnetização. As máquinas
elétricas compostas por núcleos magnéticos possuem perdas energéticas que diminuem seu
rendimento. Dentre elas podemos citar os motores, geradores e transformadores. Estes são
exemplos as perdas por ventilação, por atrito, por ruído, por histerese, nos enrolamentos, e
dentre elas podemos citar as perdas por correntes parasitas.
Dessa maneira, foi possível observar que em material sem ser ímã resultou em queda
livre, pois não é magnético. Já em ímã de neodímio demorou mais a cair e não gruda em
material paramagnético. Em pêndulo de freio magnético foi observado a oscilação dos
materiais, assim a Lei de Faraday nos diz que ao induzir um fluxo magnético em circuito
fechado uma corrente elétrica é criada. Lenz ao estudar esse fenômeno observou que a
corrente elétrica gerada cria um campo magnético com sentido oposto ao que gerou a
corrente. Com sentidos opostos ocorre a atração da superfície das placas com os ímãs fazendo
eles pararem de oscilar. Ao trocarmos as pás do experimento que servem de pêndulo,
observamos que quanto mais fechado o circuito, maior é a força de frenagem pelos ímãs, e
que ao abandonarmos a pá aberta o fenômeno não ocorre.
Assim, foi possível observar que quanto menor é o material mais leve apresentará e
possui o mesmo poder de levitação, porém o impulso inicial foi maior em anel de embalagem
com seu raio menor.
https://www.mundodaeletrica.com.br/rendimento-eletrico/
https://www.mundodaeletrica.com.br/gerador-cc-caracteristicas-e-funcionamento/
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BIBLIOGRAFIA
SILVA, Domiciano Correa Marques. As correntes de Foucault. Pre Para Enem, 2022.
Disponível em: https://www.preparaenem.com/fisica/as-correntes-foucault.htm. Acesso em:
16 dez. 2022.
ARAÚJO, M. S.T. e MÜLLER, P. ''Levitaçăo magnética'': uma aplicaçăo do
eletromagnetismo. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis, v.19, n.1: p.
115-120, 2002.
https://www.preparaenem.com/fisica/as-correntes-foucault.htm