Demonstrações experimentais sobre a Lei de Lenz e os freios magnéticos

OBJETIVO

      Realizar demonstrações experimentais sobre o fenômeno da indução eletromagnética afim de investigar a Lei de Lenz e a Lei de Faraday, bem como mostrar a aplicação do fenômeno nos freios magnéticos.

CONTEXTO TEÓRICO

          Dá-se o nome de indução eletromagnética o fenômeno relacionado a geração de uma diferença de potencial elétrico (voltagem ou FEM induzida) induzida em um fio pela variação do campo magnético próximo a ele. Tal voltagem é gerada pelo movimento relativo entre o fio e um campo magnético. Michael Faraday (1791-1867) foi quem descobriu, em 1831, paralelamente ao cientista americano Joseph Henry (1797-1878), o fenômeno da indução eletromagnética, contudo, credita-se a descoberta à Faraday, por ter feito investigações mais exaustivas sobre o assunto e ter publicado os seus trabalhos. 

Figura 1 – (A) Michael Faraday. (B) laboratório de Faraday na Royal Institution e (C) esquema elétrico de um dos experimentos de Faraday, onde fios enrolados em um anel metálico eram, de um lado, ligados aos terminais de uma fonte de tensão e, do outro, a um galvanômetro, destinado a medições das correntes elétricas geradas.

        A lei da indução eletromagnética ou Lei de Faraday afirma que: “A voltagem induzida em uma bobina é proporcional ao produto do número de espiras pela área da seção transversal de cada espira e pela taxa com a qual o campo magnético varia no interior dessas espiras”. Heinrich Lenz (1084-1865), em 1834, foi quem fortaleceu a lei de Faraday com os resultados observados por ele. A descoberta de Lenz, conhecida como Lei de Lenz, é enunciada como: “o sentido da corrente elétrica induzida é tal que o campo magnético por ela criado é oposto à variação do fluxo magnético que lhe deu origem”.

        A lei de Faraday-Lenz é expressa matematicamente como:

$$ε=- N\frac{∆∅}{∆t},\qquad(1)$$

onde $ε$ é a voltagem induzida, $N$ é o número de espiras e $\frac{∆∅}{∆t}$ é a variação do fluxo magnético $∆∅$ no tempo $∆t$.

EXPERIMENTO 1

MATERIAIS

        Um suporte universal; uma barra de 10x5 cm de chumbo; uma forma de pizza de alumínio; linha de algodão; imãs de neodímio-ferro-boro (super imãs). Os materiais são apresentados na imagem da Figura 2(A) e 2(B) abaixo:

Figura 2 – Forma de alumínio e barra de chumbo em (A), em (B) um suporte universal com garra, já com o pêndulo montado. Em (C), tubo de alumínio perfurado, espuma, tubo plástico, barra metálica e imãs, utilizados na demonstração. Note que todos os materiais utilizados, exceto a espuma e o imã, são paramagnéticos, ou seja, são fracamente atraídos por campos magnéticos.

METODOLOGIA 

1. De início, posicione a barra de chumbo em uma bancada.
2. Amarre o parafuso com a linha e fixe-o no imã maior. Prenda o outro extremo na linha na garra do suporte universal, de modo a formar um pêndulo e a deixa-lo próximo, mas não encostado, na superfície da barra de chumbo.
3. Desloque o pêndulo de sua posição de equilíbrio e deixe-o oscilar sobre a superfície da placa de chumbo.
4. Repita o procedimento para a forma de alumínio.

        Vejam o vídeo 1 abaixo com a execução do experimento 1 e 2 abaixo:

Vídeo 1 – Demonstração experimental sobre a Lei de Lenz e os freios magnéticos.

EXPERIMENTO 2

MATERIAIS

        Um tubo de alumínio de diâmetro interno de 1cm e 50 cm de comprimento, previamente preparado pelo professor com furos ao logo de sua superfície (Figura 2C); um suporte universal; uma espuma; um parafuso de ferro; barra de ferro de 5 cm; um pedaço de 5cm de lápis; imãs de neodímio-ferro-boro (super imãs).

Observação: os furos no tubo são utilizados para visualização das amostras que passaram pelo seu interior, mas não são necessários para que o fenômeno observado ocorra.

METODOLOGIA

1. Prenda a barra perfurada ao suporte na direção vertical.
2. Posicione a espuma no gargalo inferior do tubo.
3. Solte o pedaço de lápis e observe sua queda pelos orifícios do tubo.
4. Solte agora a barra metálica.
5. Por fim, solte o imã e observe sua queda.

QUESTIONÁRIO

1. Como foi o movimento de oscilação executado pelo pêndulo, foi pouco ou muito amortecido?
2. Descreva como foi o movimento de queda dos objetos estudados com o tubo cilíndrico?
3. Qual foi o efeito, nos dois experimentos acima, do campo magnético sobre os movimentos esperados dos objetos estudados.

EXPERIMENTO 3 – Demonstrando a Faraday-Lenz.

MATERIAIS

       Um galvanômetro; uma bobina de 400 espiras; um imã; fios para conexão; lanterna mecânica; detector de polaridade magnética previamente disponibilizado pelo professor. Alguns dos materiais são apresentados na imagem da Figura (3) abaixo.

Figura 3 – Galvanômetro em (A), bobina em (B) e, em (C), um imã.

METODOLOGIA

1. Meça, utilizando o detector de polaridade magnética, os polos do imã, e, com uma caneta, marque-o, como norte ou sul.
2. Conecte o galvanômetro a bobina utilizando os fios, como descrito no esquema da Figura (3(B)) acima.
3.  Aproxime o imã da bobina e observe o ponteiro do galvanômetro.
4. Mude a polaridade do imã e e aproxime-o novamente, com foco na observação do ponteiro do galvanômetro. Anote o que muda quando se inverte a polaridade do imã.
5. Aumente a frequência das aproximações do imã na bobina (aproximando-o e afastando-o mais rapidamente). Observe como o galvanômetro registra a FEM induzida.
6. Aumente a amplitude das aproximações (aprofundando mais o imã no interior da bobina e afastando-o, quando retirá-lo). Observe como o galvanômetro registra a FEM induzida.
7. Demonstre, com a lanterna mecânica, a geração de eletricidade em motores de indução.

Vejam o vídeo 2 abaixo com a execução do experimento 3:

Vídeo 2 – Demonstração experimental sobre a Lei de Lenz e os freios magnéticos.

QUESTIONÁRIO

1. O que se observa no galvanômetro quando o imã é aproximado da bobina? Invertendo sua polaridade, o que se observa ? Analise o resultado de sua observação com base na lei de Faraday-Lenz.
2. Aumentando a amplitude das oscilações, o que se observa em relação a FEM induzida ?
3.  Aumentando a frequência de oscilação, o que se observa em relação a FEM induzida ?
4. Explique o princípio de funcionemento do gerador de eletricidade da lanterna tendo como base na lei de Faraday-Lenz.