Oscilação Eletromagnética e Corrente Alternada

As bases conceituais destes temas em estudo são amplamente empregadas nas aplicações tecnológicas do mundo eletroeletrônico atual. A energia elétrica consumida nas residências, a sintonização de estação de rádio ou um modo eficaz de acoplar caixas acústicas nos equipamentos de som trabalham com tais fundamentos. Vamos estudar circuitos elétricos básicos contendo resistores, capacitores e indutores alimentados por “fem” alternada. Conforme estudamos em outros capítulos, o capacitor e o indutor armazenam energia, elétrica e magnética, respectivamente, o resistor dissipa. Com base nisso, nos circuitos osciladores, a carga e a corrente oscilam no tempo com uma frequência natural, havendo trocas de energia entre o capacitor e o indutor, já que estes dispositivos armazenam energia. Se o circuito não tiver resistência elétrica, a energia total permanece conservada no circuito, caso contrário, a resistência dissipa energia e o oscilador se torna amortecido (pode acontecer de a energia ser dissipada sem oscilação, dependendo da resistência elétrica). Em adição, se uma fonte de “fem” alternada for ligada ao circuito, teremos um oscilador forçado com o circuito recebendo energia da fonte. Uma característica marcante destes osciladores é o fenômeno da ressonância: ocorre um pico na amplitude de oscilação quando a frequência do agente externo é igual à natural do sistema. Neste caso, quando a frequência da “fem” alternada for igual à frequência natural de oscilação do circuito, haverá um máximo na amplitude da corrente. Um exemplo típico deste efeito acontece nos aparelhos de rádio quando sintonizam as frequências de transmissão das estações.  (Mais detalhes ...).

Indução de Faraday

Na postagem anterior vimos que correntes elétricas podem produzir campos magnéticos, agora, veremos uma contrapartida do campo magnético. O fenômeno da indução eletromagnética é expresso de modo simples pela lei de Faraday: um fluxo magnético variável através de uma espira gera uma força eletromotriz induzida na espira (ou bobina com muitas espiras). Este fenômeno revolucionou a forma de produzir e transmitir energia elétrica no final do séc. XIX. As usinas de energia elétrica funcionam com base na indução eletromagnética. Na etapa de geração de energia pelas usinas, um agente mecânico move turbinas que produzem movimentos de rotação entre ímãs e bobinas, transformando energia mecânica em elétrica. As diferenças entre os tipos de usinas elétricas se devem ao agente que realiza o trabalho mecânico para mover o gerador: nas hidrelétricas, o fluxo da água represada; nas eólicas, o vento; nas termoelétricas, a queima de algum combustível para produzir pressão de vapor; as nucleares são um tipo sofisticado de termoelétrica que consome combustível nuclear, em geral, urânio. Os processos de transmissão envolvem estágios de transformação de tensão: elevação para transmitir através das linhas de alta tensão e diminuição para regular a tensão nas subestações e, depois, nos transformadores de postes de rua que distribuem para as residências. A figura mostra um transformador ligado aos fios da rede elétrica em um poste de rua. (Mais detalhes no Link ...).

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Basicamente, os transformadores usam dois enrolamentos de fios com interações mútuas: o primário (tensão de entrada para ser transformada) e o secundário (tensão de saída transformada). Neste contexto, podemos esperar que os modos de produção e transmissão de energia elétrica sejam naturalmente convenientes na forma de corrente alternada. Sim ou não, por quê? Explique com base na lei da indução de Faraday. (Mais detalhes no Link ...).

Lei de Ampère e Lei de Biot-Savart

As leis de Ampère e de Biot-Savart são usadas para determinar campo magnético produzido por corrente elétrica, um fenômeno descoberto, em 1819, por Oersted. A figura ao lado mostra um pedaço de um cabo coaxial, um exemplo comum de aplicação tecnológica que emprega os fundamentos teóricos das leis de Ampère e de Biot-Savart. Algumas aplicações caseiras do cabo coaxial estão em ligações de antenas de televisão e nas transmissões de sinais em equipamentos eletrônicos. Este tipo de cabo é formado por um fio condutor central isolado por uma camada de plástico que, por sua vez, é envolta por uma capa de material condutor que fica protegida por outra camada isolante. O cabo interno transmite os sinais contendo as informações e a capa condutora serve de blindagem contra interferências externas, limitando a transmissão do sinal na região interna do cabo e diminuindo os ruídos que o próprio cabo pode produzir. A escolha do formato do cabo coaxial se deve ao fato de que a transmissão do sinal ocorre por meio da passagem de corrente elétrica ao longo do cabo e, como veremos, um fio com corrente elétrica produz um campo magnético em sua volta. O nome coaxial é porque os fios condutores (interno e externo) têm o mesmo eixo longitudinal, de modo que as suas correntes elétricas caminham em sentidos opostos, isolando eletromagneticamente o cabo. (Mais detalhes ...) 

Antes de seguir para a página contendo o material de estudo, pense na questão abaixo:

Se a corrente elétrica pode produzir campo magnético, será que a recíproca também ocorre: campo magnético pode produzir corrente elétrica?

Lei da Indução de Faraday

Michael Faraday (Inglaterra, 1791-1867) contribuiu com grandes descobertas cientificas nas áreas da física. Em particular, com base na lei da indução eletromagnética mostrou-se a possibilidade simplificada de produzir e distribuir energia elétrica fazendo uso de geradores e transformadores de tensão alternada. As usinas hidrelétricas, eólicas, termelétricas ou nucleares funcionam com base neste princípio. (Acesse o link ... )
Foto: Usina Hidrelétrica de Itaipu.

Bobinas de Helmholtz e aparato de Bainbridge

Bobinas de Helmholtz são duas bobinas idênticas usadas para produzir campo magnético uniforme num plano entre as bobinas. O aparato de Bainbridge usa estas bobinas para observar a trajetória de um feixe de elétrons no campo magnético. ... (.... acesse o Link >>>)

Raios canais

Raios canais são feixes de íons positivos produzidos pela ionização de um gás em baixa pressão num tubo de descargas. Foram descobertos por E. Goldstein em 1886, quando observou um raio que saía em sentido oposto ao raio catódico e atravessava pequenos furos (canais) no cátodo. Em 1913, J. J. Thomson usou os raios para medir massas atômicas com um espectrômetro de massa. (.... acesse o Link >>>>)

Tubo de raios catódicos

Os tubos de raios catódicos (sigla CRT) foram desenvolvidos no séc. XIX, usados na descoberta do elétron por J. J. Thomson em 1897, também deram origem aos aparelhos de televisão e monitores de computador ...   (... acesse o Link >>>)

Espectrômetro de massa

Aparelho usado para identicar e medir massas de átomos ou moléculas das substâncias. Conceitos básicos e aspectos históricos. ... No espectrômetro de massa de Aston os campos elétrico e magnético não são aplicados juntos ...  (... acesse o Link >>>) 

Motor elétrico

Alguns aspectos básicos do eletromagnetismo.
- Campo magnético produzido por corrente elétrica
- Força magnética sobre um fio
- Motor elétrico
Veja no Youtube
Observações sobre a experiência.
1) A deflexão da agulha da bússola ocorre por causa do campo magnético produzido pela corrente elétrica no fio.
2) O movimento do fio é porque ele sofre uma força magnética da interação entre a sua corrente elétrica e o campo magnético do ímã.
3) O movimento de rotação das espiras é resultado da força magnética sobre o fio com corrente elétrica no campo magnético do ímã. O fio está num formato conveniente (enrolado em espiras) para que o conjunto faça os movimentos giratórios. Mais detalhes.