Atividade experimental 4 - Lei da Faraday

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ATIVIDADE EXPERIMENTAL 4 – LEI DE FARADAY
HEBER FELIPE GOMES DA SILVA
JOSÉ CRISTIANO RODRIGUES 
Instituto Federal do Paraná – Campus Telêmaco Borba
Rodovia PR 160 – km 19,5 – Jardim Bandeirantes – 
Telêmaco Borba – PR
Resumo: Este relatório traz alguns experimentos feitos no simulador do projeto PhET (Physics Educational Technology). Nesse simulador que está disponível na internet, foi possível observar as características de ímãs e bússolas, com suas linhas de campo magnético, os efeitos do movimento relativo entre um ímã e um solenóide, bem como a relação das espiras de um eletroímã e corrente induzida, além dos efeitos devido a variação na área das espiras no secundário de um transformador e conhecer um modelo simples de um gerador. Com as simulações do roteiro experimental, pôde-se estudar e compreender tais efeitos previstos na Lei de Faraday de indução eletromagnética.
Palavras chave: Simulador, experimento, Lei de Faraday.
1 INTRODUÇÃO
	
A palavra Bússola vem do italiano bussola, que significa pequena caixa. Basicamente uma bússola possui uma agulha imantada que pode girar livremente, essa agulha sempre se alinha na direção norte-sul da Terra sobre a ação do magnetismo terrestre. Já a palavra ímã é derivada da palavra francesa aimant que significa amante, os imãs possuem duas regiões denominadas polo norte e polo sul. 
As linhas do campo magnético em um ímã são sempre fechadas, ou seja, elas nunca se cruzam, quanto mais próximas estiverem maior será a intensidade do campo magnético naquela região. A região dos magnetos de onde as linhas de indução partem é chamada de “norte magnético”, e a região em que essas linhas de indução imergem é conhecida como sul magnético. “As linhas de indução existem também no interior do ímã, portanto são linhas fechadas e sua orientação interna é do polo sul ao polo norte”. (BRASIL ESCOLA, 2020)
Segundo Rafael (2010), “[...] a bússola é um instrumento de orientação que se baseia nas propriedades magnéticas dos materiais e da Terra [...]”. 
As linhas de campo podem ser observadas na Figura 1 a seguir.
Figura 1: As linhas de indução do campo magnético
Fonte: Brasil escola, 2020.
De acordo com Halliday (2010), “uma descoberta surpreendente foi a de que um campo magnético pode gerar um campo elétrico capaz de produzir uma corrente”. Essa ligação entre um campo magnético e o campo elétrico produzido (induzido) é hoje chamada de lei de indução de Faraday.
Quando aproximamos de uma espira um ímã em forma de barra, é possível verificar a passagem de uma corrente. A corrente desaparece quando o ímã para de se movimentar. Quando afastamos o ímã da espira, a corrente torna a aparecer, só que no sentido contrário.
Em linhas gerais, pode-se chegar às seguintes conclusões quanto à relação entre o ímã e a espira: 
· A corrente é observada apenas se existe um movimento relativo entre a espira e o ímã; a corrente desaparece no momento em que o movimento relativo deixa de existir.
· Quanto mais rápido o movimento, maior a corrente.
· Se, quando aproximamos da espira o polo norte do ímã, a corrente tem o sentido horário, quando afastamos o polo norte do ímã, a corrente tem o sentido anti-horário. Nesse caso, quando aproximamos da espira o polo sul do ímã, a corrente tem o sentido anti-horário, e quando afastamos da espira o polo sul do ímã, a corrente tem o sentido horário. 
A corrente produzida na espira é chamada de corrente induzida; o trabalho realizado por unidade de carga para produzir a corrente (ou seja, para colocar em movimento os elétrons de condução responsáveis pela corrente) é chamado de força eletromotriz induzida; o processo de produzir a corrente e a força eletromotriz recebe o nome de indução.
Um dispositivo que faz uso da lei de indução de Faraday é o transformador.
Os transformadores são usados para abaixar ou aumentar as tensões e correntes elétricas em circuitos de consumo ou transmissão de energia elétrica. Se um transformador baixa a tensão elétrica, ele automaticamente aumenta a intensidade da corrente elétrica de saída e vice-versa, mantendo sempre constante a potência transmitida. 
Os transformadores comuns são construídos com dois enrolamentos dos fios de cobre, sendo eles primários e secundários. Esses enrolamentos sempre contam com diferentes números de voltas e encontram-se torcidos em volta de um núcleo de ferro, sem que haja contato entre eles. O enrolamento primário é ligado diretamente a um gerador de força eletromotriz alternada (transformadores não funcionam com corrente direta), ou seja, forma-se uma corrente elétrica de intensidade e sentido variável, levando à geração de um campo magnético com as mesmas características. Esse campo magnético é então concentrado e amplificado pelo núcleo férreo em direção ao enrolamento secundário. O campo magnético variável induz ao surgimento de uma corrente elétrica no secundário. (BRASIL ESCOLA, 2020).
Geradores elétricos são dispositivos que convertem energia mecânica, química ou solar em energia elétrica. O fenômeno é utilizado por alguns geradores para transformar energia mecânica em elétrica, a chamada “Indução Eletromagnética”, processo que consiste em mudar o fluxo de campo magnético sobre uma espira condutora, promovendo, assim o surgimento de uma corrente elétrica alternada, recorrente da lei de Faraday. 
O modelo mais simples de gerador é composto por uma espira (tipo de circuito elétrico que produz um campo magnético e eletricidade). Uma turbina é responsável por fazer a espira girar, gerando uma corrente elétrica. Os extremos da espira são conectados a dois anéis que giram junto com o mecanismo e se conectam ao circuito externo, responsável por transmitir a energia gerada. (BRASIL ESCOLA, 2020).
4 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O procedimento experimental foi executado utilizando o aplicativo intitulado Gerador: lei de Faraday, disponível na plataforma PHET – Interactive Simulations disponível na internet, o qual permitiu realizar uma série de etapas de simulações conforme dispostas no roteiro do experimento fornecido pelo professor.
Inicialmente a simulação consistiu em observar a orientação do ponteiro da bússola em diferentes posições ao redor do ímã. Utilizando a opção “Ver dentro do ímã”, no simulador, com uma pesquisa foi possível verificar como surgem as linhas de campo magnético no interior do ímã ao seu redor. E finalmente, com a opção “Mostrar medidor de campo”, visualizar a intensidade do campo magnético através das agulhas magnéticas.
Na opção "solenóide" do simulador, constatou-se o efeito causado ao movimentar o ímã próximo a ele.
Na opção “Eletroímã”, foi avaliado a importância do número de espiras e da tensão na potência do eletroímã, representando o valores medidos em tabelas.
Na opção “Transformador”, foi verificado o efeito causado ao movimentar a fonte ou o solenóide (aproximando ou afastando), um relação ao outro, observando o sentido da movimentação dos elétrons no interior do condutor do solenóide. E também foi observado a relação existente entre o número de espiras da fonte e do solenóide na tensão e na intensidade da corrente induzida.
Na aba “Gerador” do simulador, foi verificado o funcionamento de um gerador simples, descrevendo as partes que o compõem e observando os efeitos causados, ao variar o volume da água, o número e a área das espiras do solenóide.
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na simulação “Gerador” do Phet, abrimos a aba “Ímã em barra” e marcamos a opção “Mostrar bússola”, colocando a bússola em oito posições diferentes ao redor do ímã, pudemos representar a orientação do ponteiro da bússola através de setas, conforme Figura 2.
Figura 2: Representação das linhas de campo magnético em oito posições diferentes
Fonte: Elaborado pelos autores.
Em seguida, clicando no ícone “Ver dentro do ímã”, e também consultando no Google, registramos como surgem as linhas de campo magnético no interior do ímã e ao redor do ímã, conforme Figuras 3a e 3b.
Figura 3a: Representação das linhas de campo magnético no interior do ímã
Fonte: Simulador Phet Colorado.
Figura3b: Representação das linhas de campo magnético ao redor do ímã
Fonte: Mundo educação uol.
As imagens permitem verificar que as linhas do campo magnético são orientadas do polo sul para o polo norte internamente no ímã (Figura 3a) e do polo norte em direção ao polo sul externamente (Figura 3b).
Uma maneira de se visualizar as linhas de campo é espalhando limalhas de ferro em torno de um ímã. Os traços formados pela limalha representam as linhas de indução magnética. Na sequência, no ícone “Mostrar medidor de campo” do simulador, mudando a intensidade do ímã em barra, foi possível visualizar a intensidade do campo magnético através das agulhas magnéticas.
A distribuição das agulhas magnéticas no espaço ao redor do ímã representam regiões do espaço onde o campo magnético é mais ou menos intenso. Regiões com agulhas mais próximas umas das outras representam uma região onde o campo mais é intenso, agulhas mais distantes umas da outras, representam uma região onde o campo é menos intenso. As agulhas distribuídas ao redor do ímã não têm todas a mesma intensidade de cor, pois as agulhas com maior intensidade de cor representam uma região com campo magnético mais intenso, e as agulhas com menor intensidade de cor produzem um campo magnético menos intenso.
A seguir, foi feita a medição do campo magnético no simulador, colocando o medidor em diferentes pontos, nos extremos do ímã, no interior e afastando a fim de se representar e registrar os valores. As Figuras 4a, 4b, 4c e 4d mostram o medidor de campo magnético com o registro em diferentes pontos ao redor do ímã.
Figura 4a: Medidor de campo magnético registrando um local de intensidade igual a 0,33 G.
Fonte: Simulador Phet Colorado.
Figura 4b: Medidor de campo magnético registrando um local de intensidade igual a 38,99 G.
Fonte: Simulador Phet Colorado.
Figura 4c: Medidor de campo magnético registrando um local de intensidade igual a 0,70 G.
Fonte: Simulador Phet Colorado.
Figura 4d: Medidor de campo magnético registrando a intensidade interna do ímã igual a 294,18 G.
Fonte: Simulador Phet Colorado.
Na simulação “Gerador”, abrindo a aba "Solenóide" e deixando todas as opções desmarcadas, como mostra a Figura 5. Selecionamos a lâmpada como indicador.
Figura 5: Opção solenóide.
Fonte: Simulador Phet Colorado.
Verificamos que sempre que existe um movimento relativo entre espira e imã, independente de quem seja o movimento, surge uma corrente elétrica, chamada de corrente induzida. Se mantivermos o ímã em repouso, não surge corrente induzida na espira, e portanto a lâmpada não acende.
Selecionando o voltímetro como indicador, verificamos a variação de tensão enquanto movimentamos o ímã. Ao variar a velocidade deste movimento constatou-se no voltímetro que a tensão variava ora positivamente, ora negativamente. Essa alternância na variação da tensão variava conforme a velocidade e o movimento relativo entre o ímã e o solenóide.
Variando o número de espiras do solenóide (mantendo o indicador “Voltímetro” selecionado) e verificamos que com um maior número de espiras do solenóide, a tensão indicada no voltímetro também é maior. Isso significa que a tensão é proporcional ao número de espiras da solenoide, pois a intensidade do campo magnético produzido nos solenóides é diretamente proporcional à corrente elétrica que os percorre, bem como ao número de espiras que os formam.
Com o ímã em barra no interior e na região central do solenóide, variando a área da espira do solenóide movendo entre o máximo e o mínimo, observamos que a variação na área da espira gera também uma variação na tensão indicada no voltímetro. E quando movemos o ímã para trás e para frente, observamos que a corrente alterna seu sentido no interior da espiral.
A seguir, no simulador “Gerador”, abrimos a aba “Eletroímã” e deixamos todas as opções desmarcadas, como mostra a Figura 6.
Figura 6: Opção eletroímã.
Fonte: Simulador Phet Colorado.
Pudemos avaliar a importância do número de espiras e da tensão na potência do eletroímã. Os valores estão reproduzidos na Tabela 1 e 2 a seguir.
Tabela 1: Número de espiras x Campo magnético.
	Tensão Elétrica
	Número de Espiras
	Intensidade do Campo Magnético (Gauss)
	
2 V
	1
	0,15
	
	2
	0,30
	
	3
	0,45
	
	4
	0,60
Fonte: Roteiro do experimento.
Tabela 2: Tensão elétrica x Campo magnético.
	Número de Espiras
	Tensão Elétrica (V)
	Intensidade do Campo Magnético (Gauss)
	
4
	2
	0,60
	
	4
	1,21
	
	6
	1,81
	
	8
	2,42
Fonte: Roteiro do experimento.
Na Tabela 1, pode-se verificar que o campo de um solenóide com 1 espira é menos intenso do que o campo de um solenóide com 4 espiras. Nesse caso, a diferença é de (060 - 0,15 = 0,45 Gauss). Enquanto que na Tabela 2, pode-se verificar que uma maior tensão elétrica gera um campo magnético mais intenso.
Na simulação “Gerador”, na a aba “Transformador” e deixando todas as opções desmarcadas, exceto “Mostrar Campo” e “Mostrar elétrons”, selecionamos a lâmpada como indicador e a fonte de corrente DC (corrente contínua), conforme Figura 7.
Figura 7: Simulador Transformador.
Fonte: Simulador Phet Colorado.
Ajustando a fonte de corrente contínua (bateria) para 0 V, verificamos que a lâmpada não acende, pois não há corrente circulando pela espira ligada à bateria, logo não é criado um campo magnético nessa espira, deixando de induzir uma corrente na espira que está ligada a lâmpada.
Ao ajustar a fonte de corrente contínua (bateria) para 10 V e o solenóide com 3 espiras, verificamos que no primeiro momento a lâmpada não acende. Aproximando a fonte em direção ao solenóide, os elétrons no interior do condutor do solenóide se movimentam num sentido e a lâmpada acende. Afastando a fonte do solenóide, a lâmpada também se acende, mas os elétrons no interior do condutor se movimentam no sentido contrário ao observado anteriormente.
Selecionando a fonte de corrente em AC (corrente alternada) e o solenóide com 3 espiras, refizemos o experimento anterior, podendo constatar que ao colocar o solenóide no interior da espira em que está ligada a lâmpada, ou mesmo aproximar o solenóide da espira em que está ligada a lâmpada faz com ela acenda. Aumentar a frequência da corrente alternada também faz a lâmpada acender (fica piscando). Aumentar a área da espiral em que está ligada a lâmpada, também faz com que ela acenda. 
Portanto, colocar o solenóide no interior da espira em que está ligada a lâmpada, ou mesmo aproximar o solenóide da espira, aumentar a frequência da corrente alternada e aumentar a área da espira em que está ligada a lâmpada, contribui para que a lâmpada acenda.
Quando regulamos a fonte na amplitude máxima os elétrons no condutor se movimentam mais rápido e a lâmpada brilha mais. Regulando numa amplitude mínima os elétrons no condutor não se movimentam e a lâmpada não acende.
Fazendo alterações no número de espiras do secundário, observamos que quanto maior o número de espiras maior será a tensão do secundário, isto é, há uma relação diretamente proporcional entre tensão elétrica e número de espiras do secundário.
Por fim, fizemos algumas simulações no Phet, na aba “Gerador” conforme Figura 8.
Figura 8: Simulador Gerador.
Fonte: Simulador Phet Colorado.
Inicialmente descrevemos o funcionamento deste gerador e as partes que o compõem. Trata-se de um modelo simples, em que ao abrir a torneira, a água faz com que a turbina que contém um ímã gire, criando um movimento relativo do ímã com a solenóide em que está ligada a lâmpada. Esse movimento faz com seja induzida uma corrente elétrica no solenóide fazendo com que a lâmpada acenda.
A seguir, ao aumentar o volume de água que sai da torneira faz com que a turbina gire mais rápido, e, portanto, o movimento relativo entre o ímã e o solenóide também fica maior, aumentando a movimentação dos elétrons no solenóide, assim a lâmpada brilha mais.
Na sequência, variamos o número de espiras e a área das espiras, o que nos permitiu verificar que a lâmpada brilha mais nessa situação, porque com uma área maior e com mais espiras do solenóide, as linhas de campo magnéticogeradas pelo ímã atravessam numa área maior, gerando uma corrente induzida nas espiras maior que da situação anterior.
Concluindo, podemos relacionar o funcionamento da simulação do gerador com as características da corrente elétrica que obtemos em nossa casa, visto que assim como no simulador, a corrente elétrica que chega a nossas casas nasce do movimento dos geradores, que no caso das usinas hidrelétricas se dá devido a força da água da barragem que faz com que as turbinas ligadas ao gerador se movimentam (girem). A corrente elétrica passa por estações transformadoras e redes de fio de alta tensão e percorre um longo caminho até chegar às tomadas.
 
6 CONCLUSÃO
Em resumo, os experimentos nos permitiram verificar que as linhas de campo magnético são orientados do polo sul para o polo norte internamente num ímã e do polo norte em direção ao polo sul externamente, e que em pontos mais distantes ao redor do ímã, o campo magnético é menos intenso, e pontos mais próximos o campo é mais intenso.
 Verificamos também que sempre que existe um movimento relativo entre uma espira e um ímã, independente de quem seja movimentado, surge uma corrente elétrica, chamada de corrente induzida. Essa corrente se dá num sentido ao aproximarmos o ímã da espira e em sentido contrário ao afastá-lo da espira, ocorrendo o mesmo com a tensão.
Também verificamos que com um maior número de espiras num solenoide, a tensão indicada no voltímetro também é maior e que a variação na área da espira gera também uma variação na tensão.
Em suma, o campo de um solenoide com 1 espira é menos intenso do que o campo de um solenoide com 4 espiras, e que uma maior tensão elétrica gera um campo magnético mais intenso.
Na fonte de corrente contínua, quando aproximamos a fonte em direção ao solenoide, os elétrons no interior do condutor do solenoide se movimentam num sentido e a lâmpada acende. Afastando a fonte do solenoide, a lâmpada também se acende, mas os elétrons no interior do condutor se movimentam no sentido contrário ao observado anteriormente.
Na fonte de corrente alternada, ao colocar o solenoide no interior da espira em que está ligada a lâmpada, ou aproximar o solenoide da espira, aumentar a frequência da corrente alternada e aumentar a área da espira em que está ligada a lâmpada, contribui para que a lâmpada acenda.
Por fim, descrevemos o funcionamento de um gerador simples, em que a água que sai de uma torneira faz com que a turbina que contém um ímã gire, criando um movimento relativo do ímã com a solenoide em que está ligada a lâmpada. Esse movimento faz com seja induzida uma corrente elétrica no solenoide fazendo com que a lâmpada acenda. Dessa forma, relacionar o funcionamento da simulação do modelo simples de gerador do simulador Phet com as características da corrente elétrica que obtemos em nossa casa, a partir da gerada numa usina hidrelétrica.
REFERÊNCIAS
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física, volume 3 Eletromagnetismo. 9 ed. Rio de Janeiro: LTC-Livros Técnicos e Científicos Editora S.A, 2010.
SIMULADOR PHET COLORADO. Disponível em: https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulations/filter. Acesso em: 14 dez. 2020.
BRASIL ESCOLA. Física - Capacitores. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/capacitores.htm. Acesso em: 17 dez. 2020.
RAFAEL, P. Imãs, Bússolas e o Magnetismo. Disponível em: https://www.ufjf.br/fisicaecidadania/conteudo/magnetismo-2/. Acesso em: 18 dez. 2020.