Eletromagnetismo 4 . O GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física para o nível Médio

Eletromagnetismo 4 . O GREF - Grupo de Reelaboração do Ensino de Física para o...

(Parte 2 de 9)

1. trazer ou ajudar seu professor a obter um dínamo desse tipo;

2. alØm dele serÆ necessÆrio uma bœssola. Com eles vocŒ vai estar pronto para fazer a primeira parte.

Parte 1 a. aproxime a bœssola do dínamo parado e verifique o que acontece com ela.

b. repita girando devagar com a mªo o eixo do dínamo. O que Ø possivel dizer sobre o que hÆ lÆ dentro?

Parte 2

Para verificar se ele de fato Ø um gerador de eletricidade conecte nos seus terminais um led(diodo fotoemissor).Gire o seu eixo e observe o que ocorre com o led. Gire para o lado oposto.E agora?

Parte 3 a. desparafuse a porca que fixa o eixo e retire-o com cuidado. Do que ele Ø feito? Torne a aproximar dele a bœssola.

b. observe a parte do dímano que fica em volta da carcaça na parte interna. Do que ela Ø feita?

Mas issso nªo Ø tudo, porque apenas a presença do ímª no interior do dínamo nªo Ø suficiente para acender a lâmpada. Isso pode ser compreendido usando-se o princípio da conservaçªo da energia. Quando a lâmpada estÆ acesa, ela irradia continuamente energia luminosa e tØrmica para o meio. Se o acendimento da lâmpada pudesse ser causado apenas pela presença do ímª em repouso, isso significa que a energia estaria "saindo" do interior desse ímª, o que sugere que ele deveria "gastarse" depois de um certo tempo. Entretanto, ímªs nªo se "gastam", ao contrÆrio das baterias.

É aí que entra o arroz e feijªo!

AlguØm tem que pedalar a bicileta para acender o farol ou girar o eixo do dínamo para acender o led.

De acordo com o princípio da conservaçªo de energia, o fluxo contínuo de energia luminosa e tØrmica para fora do sistema nªo pode ser causado por algo que nªo muda ao longo do tempo. Em outras palavras, nªo hÆ como o ímª parado possa "bombear" energia, continuamente, para a lâmpada. Para que isso ocorra Ø preciso fornecer energia e isto Ø feito atravØs do movimento. Para facilitar a dicussªo do fenômeno físico da geraçªo de corrente elØtrica pelo dínamo de bicicleta, vamos representÆ-lo esquematicamente por um ímª colocado entre duas espiras.

O campo magnØtico de um ímª parado varia de ponto para ponto do espaço, mas em cada um desses pontos ele permanece constante no tempo. Quando o ímª gira, como acontece com a parte móvel do dínamo de bicicleta o campo magnØtico varia no espaço ao redor dele. Essa variaçªo gera o campo elØtrico produzindo uma corrente elØtrica que Ø percebida com o acendimento da lâmpada

O funcionamento do dínamo ilustra um caso particular de uma das quatro leis gerais do Eletromagnetismo: a lei de Faraday, segundo a qual uma corrente elØtrica Ø gerada num circuito fechado sempre que houver uma variaçªo de um campo magnØtico nessa regiªo.

Esse processo de geraçªo de corrente pode ser representado pelo seguinte encadeamento de efeitos:

campo magnØtico variÆvel

A corrente elØtrica que surge tambØm Ø chamada de corrente induzida.

corrente elØtrica no circuito fechado

Quando o dínamo estÆ em contato com a roda, o seu movimento de rotaçªo Ø transferido para o eixo do dínamo pelo contato com o pneu.

Como o ímª Ø fixado ao eixo, ele fica girando entre as bobinas. O fato da lâmpada do farol acender estÆ associado a esse movimento.

No dínamo nªo hÆ contato físico entre o ímª e as bobinas. Entretanto, elas se enfluenciam mutuamente. Como diz Paulinho da Viola, Ø preciso lembrar que "a vida nªo Ø só isso que se vŒ, Ø um pouco mais, que os olhos nªo conseguem perceber...". Neste caso, esse algo mais, invisível, mas real, Ø o campo magnØtico, no qual as bobinas estªo imersas. Deste modo, por meio do campo magnØtico as partes fixa e móvel do dínamo podem se "comunicar".

1. Nos geradores em que o rotor Ø um eletroímª localizado internamente a um estator constituído por bobinas, para manter o movimento de rotaçªo Ø necessÆrio um torque externo, alØm daquele realizado contra as forças de atrito. Discuta a necessidade desse torque externo na manutençªo do movimento do rotor, partindo do princípio de que na ausŒncia de torques externos a quantidade de movimento angular (momento angular) se mantØm constante.

2. Analise as situaçıes descritas abaixo, e verifique se hÆ ou nªo produçªo de campo magnØtico variÆvel na regiªo próxima a- Um fio com corrente alternada e parado em relaçªo ao chªo. b - Um fio com corrente contínua e parado em relaçªo ao chªo. c - Uma bobina com corrente contínua e parada em relaçªo ao chªo. d - Uma bobina com corrente contínua se deslocando com velocidade v em relaçªo ao chªo. e - Um ímª se deslocando com velocidade v em relaçªo ao chªo.

f - Um ímª girando com velocidade angular w w .

exercitando

O ato de empurrar um ímª na direçªo da espira corresponde à "causa" responsÆvel pela origem da corrente induzida na espira. De acordo com a lei de Lenz, o campo magnØtico da corrrente induzida deve se opor à aproximaçªo do ímª, ou seja, o ímª deve ser repelido. Assim, na situaçªo indicada para que ocorra repulsªo ao ímª, a face da espira voltada para ele deve corresponder ao "polo" sul. Para isso ser possivel, a corrente induzida deve ter o sentido indicado na figura (b). Se afastarmos o ímª da espira, a corrente induzida deve tambØm opor-se a essa separaçªo. Para tanto, darÆ origem a um "polo" norte na face da espira voltada para o ímª como indica a figura (c).

A aproximaçªo ou o afastamento do ímª em relaçªo à espira encontra uma certa resistŒncia que precisa ser vencida. Isso significa que Ø necessÆrio a realizaçªo de um trabalho por um agente externo. Esse comportamento, estÆ de acordo com o princípio da conservaçªo da energia, jÆ estudado anteriormente.

Faraday descobriu que uma corrente elØtrica Ø gerada num circuito elØtrico fechado, colocado numa regiªo onde haja um campo magnØtico variÆvel.

Este fenômeno recebeu o nome de induçªo eletromagnØtica, e a corrente que surge Ø chamada de corrente induzida.

Um outro trabalho foi realizado para saber o conhecimento do sentido desta corrente induzida, que nªo Ø qualquer. Ele tem relaçªo com a causa que lhe deu origem. É isso que nos informa a chamada lei de Lenz:

"O sentido da corrente induzida Ø tal que, o campo magnØtico criado por ela, se opıe à causa que lhe deu origem".

Para entendermos o significado dessa nova lei observe a situaçªo mostrada na figura (a).

(b) (c)

no circuito

Entre a usina e os centros consumidores de energia elØtrica hÆ um enorme circuito. Suas características, vocŒ vai estudar agora.

Por que Ø necessÆrio elevar ou baixar a tensªo elØtrica e como isso pode ser feito?

Entre a usina hidrelØtrica e a nossa residŒncia existem muitos transformadores, uma vez que a tensªo de saída dos geradores Ø da ordem de 10.000V, nos fios de alta tensªo Ø de 700.000V e a de consumo domØstico encontra-se na faixa de 110/220V. A tensªo no consumo comercial/industrial varia de 110/220V atØ 550V, enquanto que no consumo em transporte (trens elØtricos, metrô) varia de 600V a 3.000V.

Ligar um aparelho à tomada significa fazer com que ele se torne parte de um circuito muito maior, que pode ter centenas de quilômetros de extensªo.

Se acompanharmos os fios que chegam a uma tomada podemos verificar que eles estªo ligados à rede elØtrica de nossa casa. Essa rede, por sua vez, estÆ ligada aos fios que vŒm do poste, atravØs da caixa de distribuiçªo. Esses fios, antes de chegar às residŒncias, "passam" por sucessivos aparelhos, denominados transformadores, localizados em pontos estratØgicos ao longo da rede elØtrica. Os fios da rua sªo distribuídos a partir de uma subestaçªo rebaixadora de tensªo, que estÆ ligada por cabos de alta tensªo a outra subestaçªo, localizada ao lado da usina geradora de energia elØtrica. A funçªo desta subestaçªo Ø elevar a tensªo gerada na usina para ser transportada por longas distâncias.

Como a potŒncia Ø proporcional à tensªo e à corrente ( P = U.i ), podemos obter a mesma quantidade de energia

A transmissªo da energia elØtrica das usinas atØ os pontos de consumo Ø efetuada atravØs de fios condutores e por isso parte dela Ø dissipada na forma de calor. De acordo com a lei de Joule-Lenz (P = R.i2 ), essa perda Ø proporcional ao quadrado da corrente. Dessa forma, para reduzi-la Ø conveniente diminuirmos a intensidade da corrente.

transmitida na unidade de tempo atravØs de uma corrente menor, se aumentarmos a tensªo.

É o transformador que realiza tais alteraçıes. Por isso ele estÆ presente nas duas subestaçıes, ora para elevar, ora para baixar a tensªo. TambØm estÆ presente em alguns postes onde a tensªo Ø novamente rebaixada ou elevada para ser colocada em condiçıes de uso.

subestaçªo elevadora de tensªo fÆbrica subestaçªo rebaixadora de tensªo transformador rebaixador de tensªo linhas de alta tensªo usina hidroelØtrica

Os transformadores rebaixadores de tensªo tŒm maior nœmero de voltas de fio no enrolamento primÆrio que no secundÆrio. Em geral, nesse tipo de transformador os fios utilizados no enrolamento secundÆrio sªo mais grossos.

Nos transformadores da subestaçªo elevadora de tensªo, o enrolamento primÆrio tem menor nœmero de voltas de fio que o enrolamento secundÆrio, podendo, em muitos casos, este enrolamento ser constituído por fios mais finos.

Basicamente o transformador Ø constituído de fios enrolados em um nœcleo de ferro. Sªo dois enrolamentos independentes: o enrolamento primÆrio, ligado à fonte e o enrolamento secundÆrio, onde se obtØm a tensªo desejada. Os dois enrolamentos podem estar: um sobre o outro isolados eletricamente e com o nœcleo de ferro comum a ambos; ou podem estar separados, ou seja, o enrolamento primÆrio numa parte do nœcleo e o secundÆrio em outra parte.

Sendo UP e U S as tensıes nos terminais dos fios nos enrolamentos primÆrio e secundÆrio e NP e NS o nœmero de voltas de fio em cada um desses enrolamentos, vale a seguinte relaçªo para o transformador:

Todos esses fatores podem provocar o aquecimento. É por isso que aparelhos de som e videocassetes esquentam "durante" o funcionamento, e o seu gabinete possui orifícios para ventilaçªo junto ao transformador.

Up/Us = Np/N s

UP/US = iS /i

A queda de potŒncia ou energia, da ordem de 2%, devese aos seguintes fatores:

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