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1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CENTRO MULTIDISCIPLINAR CARAÚBAS INTERDISCIPLINAR BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA RELATÓRIO DO EXPERIMENTO 09– CAMPO MAGNETICO DA TERRA CARAÚBAS – RN 2022 2 ARTHUR ITALO NASCIMENTO FERREIRA DAILTON MORAIS DE CARVALHO HUGO VINICIUS LEITE QUEIROZ THAYZA LOPES DE ARAÚJO RELATÓRIO DO EXPERIMENTO 09 – CAMPO MAGNETICO DA TERRA RELATÓRIO APRESENTADO A DISCIPLINA DE LABORATÓRIO DE ELETRICIDADE E MAGNETISMO MINISTRADA PELO DOCENTE MACKSON MATHEUS FRANÇA NEPOMUCENO REFERENTE AO NONO EXPERIMENTO REALIZADO NO SEMESTRE 2022.1. CARAÚBAS – RN 2022 3 LISTA DE FIGURAS Figura 1 .......................................................................................................................................6 Figura 2 .......................................................................................................................................7 Figura 3 .......................................................................................................................................7 Figura 4 .......................................................................................................................................8 Figura 5 ......................................................................................................................................10 Figura 6 ......................................................................................................................................11 4 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 5 2. PROBLEMA. ........................................................................................................................ 5 3. REFERNCIAL TEÓRICO. ................................................................................................... 5 4. METODOLOGIA ................................................................................................................ 9 5. OBJETIVOS. ...................................................................................................................... 12 5.1. Objetivo Geral. ..................................................................................................... 12 5.2. Objetivos especificos ........................................................................................... 12 6. ANALISE DE DADOS ...................................................................................................... 12 7. CONCLUSÃO .................................................................................................................... 16 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS. ............................................................................... 17 5 TÍTULO DO RELATÓRIO: CAMPO MAGNETICO DA TERRA 1. INTRODUÇÃO Considerando que o campo elétrico é gerado pela carga elétrica, pode ser entendido como a área ao redor da carga elétrica afetada pelo campo elétrico. No estudo da eletricidade e do magnetismo, James Maxwell (1831-1879) pôde demonstrar que um fenômeno que ocorre na física, o campo eletromagnético, é entendido como a concentração de cargas elétricas e magnéticas. Os campos eletromagnéticos são caracterizados por ímãs, por meio dos quais são introduzidos campos elétrico e gravitacional, respectivamente, que também ocorrem em carga elétrica e massa, que se movem como ondas. Portanto, as linhas de campo são essenciais para o estudo dos campos elétricos, pois são imãs dipolares, ou seja, norte-sul, se positivas saem da carga e se negativas e perpendiculares entram na carga. Desta forma, o campo magnético da Terra começa com a suposição de que vem diretamente de seu núcleo. Uma maneira clara e precisa de ilustrar esse fato é usar uma bússola, como demonstrado no século XVI pelo físico William Gilbert (1544-1603), que confirmou que a bússola aponta sempre para o norte e concluiu que, como um ímã, a terra tem dois pólos, norte e sul. 2. PROBLEMA Ao estudar sobre os campos elétricos, é evidente que ele possa ser identificado através de uma bussola. Porém, uma vez que esse campo é modificado, a bussola irá se mover em direção do novo campo no qual é gerado. E porque isso ocorre? Dessa forma, há necessidade de fazer ensaios em laboratório para identificar esse campo e analisar se os valores encontrados são próximos ao valor real do campo magnético da Terra. 3. REFERENCIAL TEÓRICO Relembrando assuntos anteriores para se compreender melhor sobre campo magnético, voltamos para o conceito da força elétrica que surge em duas etapas: uma carga produz um campo elétrico e uma segunda carga reage a esse campo. As forças magnéticas são fundadas em duas etapas, onde primeiro uma carga em movimento ou uma corrente elétrica produz um campo magnético, e uma carga em movimento ou uma segunda corrente age sobre o campo magnético formado, sofrendo a ação de uma força magnética. Segundo Young e Freedman [1], a força magnética é utilizada por todas as pessoas. Estar 6 presente em motores elétricos, nas impressoras de computador, entre outros. As forças magnéticas só atuam sobre cargas em movimento, já as forças elétricas agem sobre uma carga, ela estando em movimento ou em repouso. Mesmo as forças elétricas e magnéticas sendo diferente usasse o termo campo para representar as duas. Então, sabendo que uma carga elétrica em movimento ou corrente elétrica é conhecida por criar um campo magnético em seus arredores. É certo dizer que o campo magnético é o local do espaço em que as cargas em movimento sofrem a ação de uma força magnética. A presença de um campo magnético �⃗� em algum ponto do espaço pode ser demonstrada usando uma bússola. Se existir um campo magnético, a agulha se alinhará na direção e sentido do campo. O campo magnético da terra é bastante abordado porque possui diversas aplicações em múltiplos campos do conhecimento, como na física, comunicação e localização. O campo magnético do imã tem dois polos, onde o seu polo sul magnético está mais próximo do polo norte geográfico terra, como ilustrado na figura 1. Figura 1: Representação dos polos magnéticos e geográficos. Fonte: Mundo educação, 2022. A presença de um campo magnético �⃗� em algum ponto do espaço pode ser demonstrada usando uma bússola. Se existir um campo magnético, a agulha se alinhará na direção e sentido do campo. Essa direção pode ser alterada aplicando um campo externo adicional. Nesse caso, a bússola tende a se orientar pelo campo resultante da soma dos vetores desses dois campos, representado na figura 2. 7 Figura 2: Relação vetorial do campo magnético resultante. Fonte: Tochtli, 2022. Conseguimos fazer a determinação do campo magnético local da Terra (BT), tendo o campo no eixo da bobina (BB), campo resultante (BR) e formem um ângulo com o plano da bobina assim determinamos o campo local da Terra. 𝐵𝑇 = 𝐵𝐸 𝑡𝑎𝑔𝜃 (1) E o campo resultante é dado por uma soma vetorial, demonstrada abaixo: 𝐵𝑅 ⃗⃗ ⃗⃗ = 𝐵𝑇 ⃗⃗ ⃗⃗ + 𝐵𝐸 ⃗⃗ ⃗⃗ (2) Campo magnético em um solenoide ideal Um longo fio enrolado formando uma bobina helicoidal é chamado de solenoide. Quando uma corrente flui, um campo magnético aparece dentro do solenoide, praticamente uniforme e as linhas de campo são paralelas ao seu eixo. Formando um campo bem parecido a imã de barra, que tem suas extremidades definidas de polo Norte que é onde as linhas de campo sai e polo Sul entrada das linhasde campo, como ilustrado na figura 3. Figura 3: Solenoide Fonte: Infoescola, 2022. 8 Para determinação da polaridade do campo magnético de um solenoide pode ser descoberta pela a regra da mão direita, onde o polegar aponta a onde a corrente elétrica passa e ao fechar a mão em volta do fio os dedos mostram o sentido do campo magnético, ilustrado na figura 4 abaixo. Figura 4: Regra da mão direita. Fonte: Info Enem, 2022. Sabendo que o solenoide é a soma das espiras acumuladas, no seu interior o campo magnético é uniforme e constante, pois os campos se somam, já no seu exterior os campos se anulam tornando o campo quase nulo. Conseguimos definir a intensidade em um solenoide ideal pela formula da Lei de Ampere, pois a mesma facilita a análise dos campos magnéticos devido a corrente elétrica, sendo possível calcular um campo magnético total associado a qualquer distribuição de corrente. ∮ �⃗� . 𝑑𝑠⃗⃗⃗⃗ = 𝜇0𝑖𝑛 (Lei de Ampere) (3) Temos: ∮ �⃗� . 𝑑𝑠⃗⃗⃗⃗ = ∫ �⃗� . 𝑑𝑠⃗⃗⃗⃗ 𝑏 𝑎 + ∫ �⃗� . 𝑐 𝑏 𝑑𝑠⃗⃗⃗⃗ + ∫ �⃗� . 𝑑𝑠⃗⃗⃗⃗ + ∫ �⃗� . 𝑎 𝑑 𝑑𝑠⃗⃗⃗⃗ 𝑑 𝑐 (4) Onde a primeira integral que representa a formação de um campo magnético tem um valor nulo e sendo igual a Bh. A segunda e a quarta tendo o campo perpendicular a derivada do comprimento (�⃗� ⊥ 𝑑𝑙⃗⃗ ⃗) o que as torna nulas. E a terceira tem B = 0. Tendo que, 𝑛 = N/L (5) 9 onde N é o número de espiras e L o comprimento. Temos: 𝑖𝑖𝑛 = 𝑁𝑖 = 𝑛𝑙𝑖 Então, ∮ �⃗� . 𝑑𝑠⃗⃗⃗⃗ = 𝜇0𝑖𝑖𝑛 ⟶ 𝐵ℎ = 𝜇0𝑖𝑛𝑙 (6) �⃗� = 𝜇0 . 𝑛 . 𝑖 (Solenoide ideal) (7) 𝑛 = N/L, onde N é o número de espiras e L o comprimento; 𝜇0 = constate de permeabilidade magnética (4π x 10−7𝑇𝑚/𝐴); i = intensidade da corrente elétrica. Onde podemos também achar a corrente do sistema pela Lei de Ohm. V = iR (8) 4. METODOLOGIA 4.1. Instrumentos de coletas de dados O procedimento experimental sobre campo magnético da terra, foi realizado no laboratório de eletricidade e magnetismo da UFERSA, campus Caraúbas. e compõe parte da nota da terceira unidade da referida disciplina. O experimento foi conduzido pelo professor da disciplina que inicialmente explicou toda parte teórica envolvida por trás dos acontecimentos físicos que estávamos prestes a observar, assim como monitorou todo procedimento prático. As bancadas estavam previamente preparadas, por um técnico de laboratório, e todos os equipamentos necessários para a realização deste experimento já estavam sobre a mesa. Os equipamentos são descritos a seguir e demonstrados na figura 5. • Fonte de tensão CC; • Multímetro; • Cabos pra conexão (banana/jacaré); • Resistores; • Solenoide; • Régua; • Bússola; • Protoboard. 10 Figura 5: Equipamento utilizado para coleta de dados Fonte: Autoria própria, 2022. 4.2. Método de análise Iniciamos o nosso experimento contando a quantidade de espiras no solenoide, em seguida com o uso da régua medimos o comprimento da espira, pois esses serão dados importantes e necessários para a realização dos devidos cálculos. Prosseguimos encontrando a corrente que iria circular no circuito, isso para podermos ajustar o nosso amperímetro na escala correta durante a realização do experimento, garantindo assim que o equipamento não venha a ser danificado por mal uso, fizemos isso associando o amperímetro em série com o solenoide e com a associação de resistores em paralelo que já se encontrava montada na protoboard, para isso, conectamos o cabo de medição de cor preta, ou seja o negativo, ao borne comum do multímetro, a outra extremidade desse cabo foi conectada a uma das extremidades da associação de resistores, na outra extremidade da associação de resistores, precisamente do outro lado da associação, onde não tinha nada conectado, um cabo de medição de cor vermelha, ou seja o positivo, foi ligado e a extremidade desse cabo conectada a uma das extremidades do solenoide, então um outro cabo de medição de cor vermelha foi ligado na extremidade que se encontrava livre do solenoide, em seguida ligamos o multímetro e o ajustamos para medição de resistência, o cabo de cor vermelha que vinha da extremidade livre do solenoide foi conectado ao borne do multímetro que indica a medição de resistência e a resistência total daquela associação era mostrada no visor do multímetro, em seguida o multímetro foi desligado. então sabendo a tensão máxima que utilizaríamos na fonte e a resistência do circuito, pela própria definição de resistência conseguimos isolar a corrente máxima que circularia no circuito e dessa forma 11 ajustarmos o equipamento na escala correta, garantindo assim que não aconteça nada que possa danificá-lo. Dando continuidade ao procedimento experimental, inserimos a fonte no circuito montado anteriormente, para isso, desconectamos o multímetro do circuito, para melhor ficar a visualização e montagem do circuito, então o cabo de cor preta que estava conectado ao borne comum do multímetro foi ligado ao terminal negativo da fonte, em seguida, o cabo de medição de cor vermelha que estava conectado ao borne que indica a medição de resistência no multímetro, foi trocado para o borne que indica a medição de corrente, então a extremidade desse cabo foi ligado a uma das extremidades da associação de resistores, antes de fecharmos o circuito inserimos a bússola dentro do solenoide, a bússola foi posicionada apontando para o norte geográfico, e essa direção era perpendicular ao eixo do solenoide, então ligamos e ajustamos o multímetro para medição de corrente, ligamos a fonte e previamente ajustamos em 3,5 V, que era uma tensão estimada para que a bússola sofresse uma deflexão de 60° provocada pelo campo magnético gerado pela bússola, então ao ajustarmos a fonte, conectamos um cabo de medição na cor vermelha a extremidade que se encontrava livre no solenoide, e a extremidade desse cabo foi ligada ao terminal positivo da fonte, fechando assim o circuito. Figura 6:Circuito montado para a realização do experimento. Fonte: Autoria própria, 2022. 12 Então ao ligarmos a fonte de alimentação, observamos a deflexão sofrida pelo ponteiro da bússola, assim como a corrente que era medida para tal deflexão, a deflexão inicial que queríamos era de 60°, então fomos aumentando a tensão até obter essa angulação, ao obter esse valor, fomos diminuindo a tensão de forma que a angulação fosse caindo de 10° em 10°, observamos que na medida que tínhamos uma tensão menor, consequentemente tínhamos uma corrente menor, que também produzia uma deflexão menor, ao obter uma deflexão de 10°, desligado o multímetro e a fonte, desmontamos o circuito e organizamos a bancada conforme a encontramos, e assim, o experimento foi dado como encerrado. 5. OBJETIVOS 5.1. Objetivos Geral Analisar o comportamento de uma bússola de acordo com o campo magnético da terra e de um sistema em que havia um solenoide com uma bussola introduzida em seu interior. Assim, sendo possível determinar o valor do campo resultante para cada angulação ocorrida, referente a corrente na qual circulava no solenoide. 5.2. Objetivos Específicos • Calcular o campo magnético da terra, partindo do sistema; • Determinar a corrente elétrica de acordo com a angulação sugerida, fazendo-se uso do multímetro; • Obter o módulo do campo magnético da Terra utilizando conceitos da magnetostática. • Determinar o módulo e a direção do campo magnético gerado por uma espira e um solenoide, e os efeitos destes sobre a orientação relativa do ponteiro de uma bússola. 6. ANÁLISE DE DADOS No primeiromomento experimental, quando foi contado a quantidade de espiras presentes no solenoide, obtivemos que estas eram de 52 espiras, ao medir usando uma régua o comprimento do solenoide obtivemos que este era de 11 cm, ou seja, 0,11 m. Com isso foi calculado a densidade de espiras por metro no solenoide. 𝑛 = 𝑁 𝐿 (4) 13 n = 52 0,11 m n = 472,72 espiras/metro Ao medir experimentalmente a resistência total do circuito, obtivemos que esta era de 34,23 Ω, então pela própria definição de resistência, conseguimos encontrar a corrente que fluiria no circuito, tendo em vista que tínhamos uma estimativa de tensão para obter a deflexão máxima que queríamos, logo: 𝑉 = 𝑖𝑅 (7) 𝑖 = 𝑉 𝑅 i = 3,5 V 34,23 Ω i = 0,1022 A i = 102,2 mA O valor de corrente encontrado acima nos garantiu o bom manuseio do amperímetro, tendo em vista que com o valor da corrente em mãos, podemos ajustar o multímetro para operar com a grandeza que era esperada, no caso mA. Ao encontrar a deflexão máxima desejada, sofrida pelo ponteiro da bússola, que no caso era 60°, a tensão necessária foi de 3,7 V. A (tabela 1) apresenta os demais valores para deflexão, corrente e tensão na medida que fomos variando a tensão para encontrar novas deflexões que variaram de 10° em 10°. Tabela 1: Valores de tensão, corrente e deflexão obtidos experimentalmente. Θ° i (mA) V (v) 60 94,03 3,7 50 63,81 2,5 40 42,40 1,7 30 28,26 1,1 20 18,08 0,7 10 7,76 0,3 Fonte: Autoria própria, 2022. Sabemos que a deflexão sofrida pela bússola é consequência do campo magnético provocado pela corrente que atravessa o solenoide, que se soma com o campo magnético da terra e provocam um campo resultante. E esse campo resultante é dado por uma soma vetorial, logo: 14 𝐵𝑅 ⃗⃗ ⃗⃗ = 𝐵𝑇 ⃗⃗ ⃗⃗ + 𝐵𝐸 ⃗⃗ ⃗⃗ (2) Usando relações trigonométrica, mais precisamente a relação da tangente, onde a tangente do ângulo de deflexão é igual a divisão do cateto oposto pelo cateto adjacente, podemos estimar o campo magnético da terra para tal situação, tendo em vista que o campo magnético provocado pelo solenoide pode ser determinado, pois todas as variáveis dependentes a gente tem. 𝑇𝑎𝑛𝜃 = 𝐵𝐸 𝐵𝑇 (1) 𝑇𝑎𝑛𝜃 = 𝑛µ0 𝐵𝑇 𝑖 Porém, o campo magnético da terra foi estimado por uma regressão linear, garantindo assim uma maior precisão, já que a regressão retrata o comportamento de todo o experimento. A tabela abaixo (tabela 02) apresenta os valores de tangente para cada angulação encontrada, e a corrente necessária para produzir tal deflexão. Tabela 2: Tangente do ângulo de deflexão e a corrente necessária para determinada angulação. tanΘ° i (mA) 1,7320 94,03 1,1917 63,81 0,8390 42,40 0,5773 28,26 0,3639 18,08 0,1763 7,76 Fonte: Autoria própria, 2022. O gráfico que mostra o comportamento da tangente com a corrente é mostrado a seguir no gráfico 1: Gráfico 1: Comportamento da tangente de θ, em relação a corrente aplicada. 15 Fonte: Autoria própria, 2022. Ao fazer uma regressão linear utilizando o Excel como demonstrado no gráfico 2, nos dados obtidos graficamente acima, encontramos a equação que descreve a relação estatística entre as variáveis preditoras e a variável resposta. A conhecida equação da reta, onde, o valor de corrente acompanha o coeficiente angular da reta, o valor do coeficiente linear é aproximadamente zero e o valor de y é justamente a tangente do ângulo de deflexão para aquela corrente, com isso, é possível encontrar o campo magnético da terra. Gráfico 2: Regressão linear. Fonte: Autoria própria, 2022. Comparando a expressão obtida pela relação trigonométrica, com a equação obtida pela 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 ta n d o â n gu lo d e d ef le xã o Corrente (A) Gráfico de "tanθ" versus "i (mA)" y = 17,959x + 0,0521 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 ta n d o â n gu lo d e d ef le xã o Corrente (A) Gráfico de "tanθ" versus "i (mA)" 16 regressão linear, temos que o nosso coeficiente angular, o nosso a, é justamente 17,959 para a equação encontrada na regressão linear, e vale exatamente ( nµ0 BT ) para a equação obtida pela relação trigonométrica, então temos que: a = nµ0 BT BT = nµ0 a BT = (472,72)x(4π x 10−7) 17,959 BT = 33,0774 x 10−6 T Portanto, este é o campo magnético da terra, estimado com base nos dados experimentais obtidos, ao calcular o erro percentual entre o valor de campo magnético esperado, e o valor obtido, temos: EBT = |1 − 30 x 10−6 33,07 x 10−6 | x 100% EBT = 9,28% O que é considerado um erro percentual relativamente aceito, levando em consideração que muitos erros podem acontecer durante a realização do experimento, entre eles podemos destacar a leitura da bússola, ou do amperímetro. De modo geral, os resultados obtidos foram satisfatórios. 7. CONCLUSÕES Durante o experimento, verificou-se a existência do campo magnético permanente produzido pela Terra usando uma bússola que apontava sempre norte-sul. Pode-se observar que o experimento do campo magnético da Terra é medido a partir de um campo já conhecido, o campo magnético artificial da bobina. Depois de analisar o gráfico e calcular o campo magnético da Terra, percebemos que há um erro com o valor teórico do campo terrestre. Tais erros podem ser explicado por uma leitura errada da bússola. Após a coleta de todos os dados do ensaio, foram feitos cálculos de regressão linear, sendo encontrado pelo experimento um campo de 33,0 μT, e após isso esse valor foi comparado com o da Terra que é de 30 μT onde calculamos o erro relativo e percebemos um erro bem pequeno. 17 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] FREEDMAN, Young e. Fisica III: Eletromagnetismo. 12. ed. São Paulo: Pearson, 2009. 537 p. [2] HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamento de física. Rio de Janeiro: Ltc, 2012. 3 v. Ronaldo Sérgio de Biasi. [3] Sampaio/Calçada – Física, volume único – 2ªedição – São Paulo, 2005. Atual Editora. [4] SILVA JÚNIOR, Joab Silas da. Campo Magnético Terrestre. Disponível em: https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/campo-magnetico-terrestre.htm. Acesso em: 02 nov. 2022. [5] TEIXEIRA, Mariane Mendes. "Eletromagnetismo"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/eletromagnetismo.htm. Acesso em 01 de novembro de 2022. [6] TIPLER, Paul Allen et al. Física para Cientistas e Engenheiros - Eletricidade e Magnetismo, Ótica. 6. ed. Rio de Janeiro: Ltc — Livros Técnicos e Científicos, 2008. 2 v. Tradução e revisão técnica Naira Maria Balzaretti. [7] TOFFOLI, Leopoldo. Solenóide. 2018. Disponível em: https://www.infoescola.com/fisica/solenoide/. Acesso em 02 nov 2022.