Experimento 5 -Introdução eletromagnetica : Lei de Faraday e Lei de lenz

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INDUÇÃO
 ELETROMAGNÉTICA: 
LEI DE FARADAY E LEI DE LENZ
Ivan Maciel, 2016016829
Leandro Petruci, 2016004784
Mateus Marucci Maialle, 2016014637
Renê Junior, 2016004238
9 de novembro de 2017
Resumo
Neste laboratório, fizemos experimentos gerando indução magnética, afim de entender melhor as leis de Faraday e Lenz, com auxílio de bobinas elétricas, para gerar o campo.
 1. Introdução
Esse experimento foi realizado para estudar na prática a Lei de Faraday e Lei de Lenz.
A força eletromotriz é a diferença de potencial ao redor da espira descarregado.
A Lei de Faraday diz que o valor da força eletromotriz induzida numa espira de área A é igual à taxa de variação do fluxo magnético através dessa espira. Representada na seguinte fórmula:
Já a Lei de Lenz é uma consequência da conservação de energia aplicada à indução eletromagnética. Ela serve para complementar a Lei de Faraday, nos dizendo a direção que a corrente fluirá. A direção sempre será contrária à variação do fluxo que a produz. Isso significa que qualquer campo magnético produzido por uma corrente induzida será na direção oposta à variação do campo original.
Unindo a Lei de Faraday e a Lei de Lenz, adiciona-se o sinal de menos a fórmula e assim obtém-se a Lei de Faraday-Lenz, que é a seguinte fórmula: 
2. Metodologia
2.1. Materiais
	
Fonte de tensão (0-50 V);	
 Multímetro Digital;	
Transformador variador de tensão;	
Galvanômetro;
Cronômetro;	
Resistor (22 Ω) e chave;	
Imã;	
Bobinas de 400, 600, 1200, 1600 e 20000 espiras;	
Núcleos de ferro de vários formatos;	
Peças de alumínio em diversos formatos e tamanhos;	
Anéis de alumínio;	
Suporte para anel com fio isolante;	
Pêndulo, sapatas, suportes, cabos e placas de conexão.
Figura 1 - Materiais utilizados no experimento
2.2. Métodos
O experimento foi realizado em cinco seções, visando aplicar os conhecimentos adquiridos no aporte teórico da disciplina, usando a indução eletromagnética, testamos os conhecimentos da lei de Faraday e a lei de Lenz. A seguir, apresentamos o desenvolvimento de cada uma das seções:
2.2.1 Força eletromotriz induzida devida ao movimento de um ímã
Primeiramente foi ligado usando cabos a bobina de 1600 espiras ao galvanômetro e estes foram mantidos longes um do outro. Feito isto, utilizamos um imã e este foi afastado e aproximado da bobina e foi observado o ocorrido no galvanômetro.
2.2.2 Força Eletromotriz induzida devida à variação da corrente elétrica
Nessa parte do experimento, foi ligado em série o resistor, a chave e a bobina de 400 formando o circuito primário de um transformador. Para o circuito secundário fizemos a partir de um acoplamento magnético, a ligação com uma bobina de 1600 espiras, sendo que esta estava ligada a um voltímetro. Para a construção deste circuito foi utilizado um núcleo de ferro em forme de U.
Neste circuito utilizamos a fonte de tensão continua e foi aplicado 20V ao primário do circuito. Logo em seguida, foi fechada a chave e anotado o ocorrido. Este processo de abertura da chave foi repetido inúmeras vezes.
Em seguida, substitui-se a bobina de 1600 espiras pela bobina de 2000 espiras e foi repetido o ocorrido com a bobina de 1600 espiras.
Por fim, retornou-se com a bobina de 1600 espiras, mas esta foi alimentada com uma fonte alternada com 12V e foi observado novamente o ocorrido ao fechar a chave.
2.2.3 Lei de Lenz
Para observar a Lei de Lenz, primeiramente foi colocado o imã próximo ao anel de alumínio e verificou-se se houve algum tipo de atração. Feito isto, foi introduzido dois núcleos de ferro na bobina de 600 espiras e o conjunto foi colocado na horizontal. Pelo núcleo de ferro foi passado um anel, sendo que este estava suspenso por um fio isolante de modo que não se toca e núcleo e fica-se a cerca de 0,5 cm da bobina.
Foi aplicado neste circuito uma tensão de 24V de corrente contínua utilizando o circuito com chave já previamente apresentado. Com o anel em repouso, foi ligado o circuito e observado o ocorrido, o mesmo foi feito para o circuito desligado (Figura 2).
Figura 2 - Seção lei de Lenz com anel em repouso
2.2.4 Anel de Thompson
Foi introduzido dois núcleos de ferro na bobina de 1200 espiras e o conjunto foi colocado na vertical (Figura 3) e pelo núcleo foi passado o anel de alumínio. Utilizando a rede, para se obter corrente alternada, utilizamos 110 V para a alimentação do circuito. Ligamos o circuito e anotamos os dados gerado. A experiência foi repetida para bobinas de 600 espiras. Com a chave ligada, também se segurou o anel acima da bobina e foi observado o ocorrido com sua temperatura.
Figura 3 - bobina com conjunto de dois núcleos de ferro
2.2.5 Corrente de Foucault: Frenagem Eletromagnética
Para finalizar, foi introduzido duas bobinas de 1200 espiras no núcleo em forma de U, sendo que em cima destas espiras, foi colocado duas sapatas. Nesta ligação foi aplicada uma tensão de 22 V com corrente contínua.
No pêndulo, foi colocado uma peça de alumínio, de modo que ele pudesse locomover livremente entre as sapatas e foi cronometrado o tempo de frenagem da peça. O experimento citado foi feito para todos os tipos de peças existentes na bancada. Logo após isso, foi fechada a chave do circuito, e novamente foi feita a medição do tempo de frenagem para todos os tipos de peças presentes no laboratório. A tensão manteve-se constante em todo o experimento.
3. Resultados e Discussão
	3.1. Efeito da indução eletromagnética
No Experimento 3.1 ao aproximarmos o ímã da bobina , vemos uma no galvanômetro(figura 4) uma corrente induzida começado a circular, quando afastamos também podemos ver está corrente. 	
Figura 4- Galvanômetro
Com a chave C aberta, no experimento 3.2, não há corrente circulando no primário e consequentemente não há fluxo circulando no núcleo de ferro. Ao fechar a chave C circula corrente no circuito do primário. Com uma variação de tempo é gerado um fluxo magnético pela bobina.
	Durante esta variação de tempo o fluxo variou e o ponteiro do voltímetro deflexionou-se comprovando a seguinte lei:
 isto é, a Lei de Faraday e de Lenz, que diz que quando há variação de fluxo no interior de uma bobina aberta, surge nos terminais da mesma uma d.d.p.
	Ao abrir a chave C o fluxo produzido pela bobina do primário cessa e obedecendo a Lei , a bobina do secundário tende a manter o fluxo no núcleo. Tal fato verifica-se pela deflexão do ponteiro do voltímetro no sentido oposto.
	Ao substituir a bobina por uma de maior número de espiras houve apenas um aumento da d.d.p. nos terminais da bobina do secundário, ou seja, aumentando Ns tem-se que:
 
 
Sendo Ns1 < Ns2 → e2 > e1
	Com relação a segunda parte do experimento, como a corrente é alternada, o fluxo também é alternado e conseqüentemente na bobina do secundário surge uma d.d.p. também alternada de mesma freqüência da corrente.
3.2. Aplicação das Leis de Faraday e Lei de Lenz
		
Com relação ao experimento 3.3, tem-se que o anel é uma bobina de uma espira em curto e é colocado em seu interior um núcleo de ferro.
	Ao fechar-se a chave, o fluxo no interior do núcleo varia num curto espaço de tempo tornando-se constante num instante posterior.
	Estando o fluxo constante no núcleo, este se torna um eletroímã com pólos norte-sul constantes.
	Durante o instante em que o fluxo no núcleo varia até atingir um valor constante, circula uma corrente no anel. Tal corrente produz um campo magnético no interior do anel surgindo assim os pólos norte e sul neste. Como os pólos N-S no anel e N-S do núcleo são opostos, durante o instante que o fluxo no núcleo de ferro varia, o anel se desloca e retorna a posição inicial no momento em que o fluxo torna-se constante. O anel retorna a posição inicial pois a corrente que circulava no seu interior cessa no momento em que o fluxo se torna constante fazendo assim desaparecer o campo magnético em torna do anel e conseqüentemente seus pólos norte e sul.
		
Quando a chave é aberta observa-se os mesmos efeitos descritos
acima porém com deslocamento do anel em sentido oposto, sendo que o fluxo varia de um valor até zero.
		
	
Com relação ao anel de Thompson e às correntes de Foucault, baseando-se nas equações das Leis de Faraday e Lenz o sinal negativo expressa o fato de a força eletromotriz induzida se opor à taxa de variação do fluxo magnético (lei de Lenz). Entretanto, é comum nos livros-texto de Física se enunciar a lei de Lenz em termos da corrente induzida. Em tal procedimento está implícito que a corrente induzida tem o mesmo sinal da força eletromotriz induzida. Se isto sempre fosse verdade, o anel não levitaria. 
	Uma espira, ao conduzir uma corrente I1 variável no tempo, produz ao seu redor uma indução magnética variável. Em outra espira, que se encontra próxima, ocorrerá uma variação temporal do fluxo magnético. A taxa de variação no tempo do fluxo magnético que a corrente variável I1 da primeira espira produz sobre a segunda, tem o mesmo sinal da taxa de variação no tempo da corrente I1 . Desta forma, de acordo com a lei de Faraday-Lenz, na segunda espira há uma força eletromotriz induzida 𝞮2, com sinal contrário ao da taxa de variação no tempo da corrente I1 . Quando a corrente I1 decresce (e portanto sua taxa de variação é negativa), a força eletromotriz induzida 𝞮2 é positiva (tem o mesmo sentido de I1 ). Quando a corrente I1 aumenta (e portanto sua taxa de variação é positiva), a força eletromotriz induzida 𝞮2 é negativa (tem sentido contrário ao de I1 ). Se a corrente elétrica induzida I2 tiver o mesmo sinal da força eletromotriz induzida 𝞮2 (o que não é necessariamente verdade), haverá atração entre as espiras quando I1 decresce e
repulsão quando I1 aumenta. Ora, no dispositivo proposto para a levitação do anel, a corrente elétrica indutora I1 na bobina é alternada, significando que, ao longo de um ciclo completo, para cada instante em que a corrente aumenta a uma determinada taxa, existe um correspondente instante em que ela diminui na mesma proporção. Desta forma, poderá ocorrer atração e repulsão entre a bobina e o anel. Percebe-se então que, ao longo de um ciclo completo, sempre haverá repulsão e sempre haverá atração, mas não na mesma intensidade. A respeito do freio eletromagnético, essa força gerada atua na frenagem do metal em movimento.
4.CONCLUSÕES
Com a realização desse experimento em conjunto com a análise dos resultados observados, podemos validar a indução da força eletromotriz, verificando assim as Leis De Faraday e de Lenz, que com a movimentação de um imã próximo a uma bobina produz uma corrente devido a uma força eletromotriz induzida confirmada pela deflexão do galvanômetro. Também se observou a força eletromotriz induzida através de duas bobinas acopladas eletromagneticamente por um núcleo de ferro. A Lei de Lenz foi comprovada pelo impulso que a peça de alumínio sofre ao ser acoplado ao núcleo das bobinas, e também ao seu aumento de temperatura quando está sofrendo ação dessa força.
Além do mais, foi possível observar que o fenômeno de Indução Magnética surge sempre que houver variação do fluxo do campo magnético. Esta variação do fluxo pode-se obter pelo movimento relativo da fonte de campo magnético e/ou da espira (movimenta-se o imã ou a espira); pela deformação da espira; e pela alteração instantânea do fluxo do campo magnético (mudando a corrente numa bobina próxima à espira). E, por fim, pudemos perceber a relevância dessas leis no que diz respeito ao processo de redução ou amplificação de d.d.p. pelo efeito transformador; e também que a corrente induzida/força eletromotriz induzida numa espira condutora fechada surge num sentido tal que se opõe à variação que a produziu, o que mostra a origem do sinal negativo da Lei de Faraday. 
Referências
O que é a Lei de Faraday, Dísponivel em: <https://pt.khanacademy.org/science/physics/magnetic-forces-and-magnetic-fields/magnetic-flux-faradays-law/a/what-is-faradays-law>	
Adhimar Flavio, Dísponivel em: 	<https://sites.google.com/site/adhimarflavio>
 HALLIDAY, D. & RESNICK R., “Fundamentos de Física”, vol.3, Livros Técnicos e Científicos, 4a edição, Rio de Janeiro, 1984.