Relatorio Avaliacao Experimental - Magnetismo e Inducao Eletromagnetica

RELATÓRIO AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL Nº 012º sem 2021 N O M E D A D I S C I P L I N A F Í S I C A G E R A L E A P L I C A D A I V Centro de Ciências Exatas Arquitetura e Engenharia CURSO ENGENHARIA DOCENTE AUTOR Prof Antonio Tadeu F Amado ALUNO Marcia da Cruz Teixeira TITULOAlgumas Experiências com um Ímã e o experimento de Oersted OBJETIVOs Avaliar os alunos sobre o conhecimento experimental adquirido sobre a indução e os processos de magnetizaçãoAnalisar o modelo matemático da distribuição de massas magnéticas num corpo na magnetização Manuseio e uso do simulador PhET POR FAVOR RESPONDA AQUI E ENVIE ESTE DOCUMENTO CONVERTA PARA pdf 1º PROBLEMA EXPERIMENTAL 1 valor 40 O experimento de eletrização por atrito apresentado na AULA 1 o experimentador corta vários pedacinhos de papel com tesoura e os deixasobre a mesa Pega bolas de gás tipo canudo e canudos plásticos para realizar a experiência 1i 15 Pesquise o valor da intensidade do campo magnético a na superfície da Terra b em um ímã de HD de computador RESPOSTA c no interior de uma estrela de nêutrons aproveite para descrever o que é uma estrela de nêutrons e como ela se forma RESPOSTA 1ii 15Analise o comportamento dos materiais magnéticos e pesquise no Sistema Internacional de UnidadesSI tradução lusobrasileira da 9º edição do BIPM 2021 qual a unidade de campo magnético no Sistema Internacional de Unidades SI Mostre a unidade de um campo magnético B em função das dimensões ML T e Q massa comprimento tempo e carga Resposta 1iii 10Na experiência demonstrativa foi apresentado o fenômeno descoberto por P Curie Explique o que é esse fenômeno importante e identifique o valor da temperatura de Curie RESPOSTA 2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 2 valor 40 2i 15O campo magnético de um ímã pode atravessar alguns materiais como o papel o plástico e até mesmo um tábua de madeira não muito espessa Por isso se colocarmos um ímã sobre um pedaço de papel e sobre ele pulverizarmos limalha de ferro estas se alinharão com o campo magnético deste revelando assim o desenho das linhas de campo Isso também ocorrerá se o ímã estiver sob o papel É interessante que se faça o mapeamento de campo magnético de ímãs com formatos diferentes para que se possa entender que a distribuição espacial do campo magnético depende entre outras coisas do formato do ímã A observação deve propiciar condições para que os alunos respondam as questões abaixo i É possível isolar os polos magnéticos Por que Explique o mais detalhado possível apresentando as referências usadas RESPOSTA ii Qual a forma da Lei de Coulomb para o magnetismo RESPOSTA iii O que é permeabilidade magnética Qual seu valor no vácuo nas unidades do SI RESPOSTA iv Como definir a intensidade das ações magnéticas RESPOSTA 2ii 25A partir da montagem do circuito o experimento de Oerstedque procura mostrar a relação entre fenômenos elétricos e magnéticos A corrente elétrica variável com o tempo produz uma perturbação sobre a agulha imantada da bússola provocando o aparecimento de um torqueτ O efeito magnético é observado quando há o aparecimento de um campo magnético na região onde se aplica a corrente elétrica Quando a fonte é ligada e ocorrer o estabelecimento da corrente elétrica i a agulha magnética sofre a ação de um binário e consequentemente um torque provocando sua rotação e assumindo a posição perpendicular ao plano definido pelo fio e pelo centro da agulha não esquecer que da Geometria uma reta e um ponto fora da reta definem um plano Em cada ponto do espaço o campo B terá a direção perpendicular ao plano definido pelo centro da agulha imantada e o pelo fio As linhas de campo diferentemente do campo elétricoque são radiais às fontes aqui neste caso elas são concêntricas ao fio tendo assim um tipo de simetria diferente Como fica a situação Faça uma síntese do experimento a partir do documento original fornecido e determine matematicamente o resultado do experimento Resposta 2iii 10 Descreva a relação entreBeH RESPOSTA 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3 valor 20 3i 10 Uma determinada partícula entra em uma região com um campo magnético uniforme onde o vetor de velocidade da partícula é perpendicular à direção do campo magnético A fig dá o período T do movimento da partícula versus o inverso da magnitude do campo B A escala do eixo vertical é definida por em ns e a escala do eixo horizontal é definida em intervalor de 50 T1 Qual é a razão mq da massa da partícula para o magnitude de sua carga Resposta 3ii 10 A partir do experimento de Oersted como a Física entende o conceito de campo RESPOSTA REFERÊNCIAS NUSSENZVEIG H Moyses Curso de Física Básica EletromagnetismoEd Blücher1997 RESNICK Robert HALLIDAY David KRANE Kenneth S Física 3 5 ed Rio de Janeiro LTC 2004 RELATÓRIO AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL Nº 012º sem 2021 N O M E D A D I S C I P L I N A F Í S I C A G E R A L E A P L I C A D A I V Centro de Ciências Exatas Arquitetura e Engenharia CURSO ENGENHARIA DOCENTE AUTOR Prof Antonio Tadeu F Amado ALUNO Marcia da Cruz Teixeira TITULOAlgumas Experiências com um Ímã e o experimento de Oersted OBJETIVOs Avaliar os alunos sobre o conhecimento experimental adquirido sobre a indução e os processos de magnetizaçãoAnalisar o modelo matemático da distribuição de massas magnéticas num corpo na magnetização Manuseio e uso do simulador PhET POR FAVOR RESPONDA AQUI E ENVIE ESTE DOCUMENTO CONVERTA PARA pdf 1º PROBLEMA EXPERIMENTAL 1 valor 40 O experimento de eletrização por atrito apresentado na AULA 1 o experimentador corta vários pedacinhos de papel com tesoura e os deixa sobre a mesa Pega bolas de gás tipo canudo e canudos plásticos para realizar a experiência 1i 15 Pesquise o valor da intensidade do campo magnético a na superfície da Terra RESPOSTA Na superfície da Terra o valor típico da intensidade do campo magnético varia de aproximadamente 25 a 65 microteslas μT com uma média de cerca de 50 μT Essa é a intensidade do campo magnético terrestre no nível do mar em condições normais b em um ímã de HD de computador RESPOSTA Em um ímã de HD de computador a intensidade do campo magnético pode variar dependendo do tipo e do tamanho do ímã Os ímãs usados em discos rígidos de computador geralmente têm uma intensidade do campo magnético na faixa de 05 a 15 teslas T c no interior de uma estrela de nêutrons aproveite para descrever o que é uma estrela de nêutrons e como ela se forma RESPOSTA Uma estrela de nêutrons é um objeto extremamente denso e compacto que se forma após a explosão de uma supernova Durante a explosão a estrela massiva colapsa sob sua própria gravidade comprimindo sua matéria para uma densidade incrível A força da gravidade em uma estrela de nêutrons é tão intensa que os elétrons e prótons são pressionados juntos formando nêutrons Ela tem um diâmetro típico de cerca de 20 quilômetros e uma massa maior que a do Sol Devido à sua alta densidade a estrela de nêutrons possui um campo magnético extremamente intenso com valores típicos na ordem de milhões a bilhões de teslas T Esse campo magnético é milhões de vezes mais intenso do que os campos magnéticos encontrados na superfície da Terra ou em ímãs de HD de computador O campo magnético intenso de uma estrela de nêutrons é resultado do movimento das partículas carregadas em seu interior altamente condensado Esse campo magnético pode gerar efeitos observáveis como pulsares que são feixes de radiação eletromagnética emitidos pelos polos magnéticos da estrela de nêutrons que giram rapidamente 1ii 15 Analise o comportamento dos materiais magnéticos e pesquise no Sistema Internacional de UnidadesSI tradução lusobrasileira da 9º edição do BIPM 2021 qual a unidade de campo magnético no Sistema Internacional de Unidades SI Mostre a unidade de um campo magnético B em função das dimensões ML T e Q massa comprimento tempo e carga Resposta Os materiais magnéticos podem ser classificados em três categorias principais diamagnéticos paramagnéticos e ferromagnéticos Materiais diamagnéticos Esses materiais têm uma fraca resposta magnética na presença de um campo magnético externo Eles são levemente repelidos pelo campo magnético criando um campo magnético oposto ao aplicado No entanto o efeito diamagnético é geralmente fraco em comparação com os outros dois tipos de materiais magnéticos Materiais paramagnéticos Esses materiais mostram uma resposta magnética fraca mas positiva em relação a um campo magnético externo Eles são atraídos pelo campo magnético mas essa atração é geralmente fraca e desaparece quando o campo é removido Materiais ferromagnéticos Esses materiais são altamente magnéticos e apresentam uma forte resposta magnética na presença de um campo magnético externo Eles são atraídos fortemente pelo campo e podem manter seu magnetismo mesmo após a remoção do campo magnético A unidade de campo magnético no Sistema Internacional de Unidades SI é o tesla T que foi nomeado em homenagem ao cientista e inventor Nikola Tesla A unidade tesla pode ser expressa em termos das dimensões M L T e Q da seguinte forma 1 T 1 kg12 m12 s1 A1 Onde M representa a dimensão de massa quilogramas kg L representa a dimensão de comprimento metros m T representa a dimensão de tempo segundos s Q representa a dimensão de carga elétrica coulombs C Portanto a unidade do campo magnético B é tesla T que pode ser representado como kg12 m12 s1 A1 com A representando a dimensão de corrente elétrica amperes A 1iii 10 Na experiência demonstrativa foi apresentado o fenômeno descoberto por P Curie Explique o que é esse fenômeno importante e identifique o valor da temperatura de Curie RESPOSTA O fenômeno descoberto por Pierre Curie é conhecido como ferromagnetismo e é a capacidade de certos materiais de serem permanentemente magnetizados por um campo magnético externo e manterem essa magnetização mesmo quando o campo magnético é removido A temperatura de Curie também chamada de ponto de Curie é a temperatura crítica na qual um material ferromagnético perde suas propriedades magnéticas Acima da temperatura de Curie o material se comporta como um paramagnético que é um material que não possui magnetização permanente Abaixo da temperatura de Curie o material se torna ferromagnético e pode ser magnetizado de forma permanente Cada material ferromagnético tem uma temperatura de Curie específica Por exemplo o ferro tem uma temperatura de Curie de cerca de 770 C 1418 F enquanto o níquel possui uma temperatura de Curie de aproximadamente 358 C 676 F Quando um material ferromagnético é aquecido acima de sua temperatura de Curie ele perde suas propriedades magnéticas e se torna paramagnético 2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 2 valor 40 2i 15 O campo magnético de um ímã pode atravessar alguns materiais como o papel o plástico e até mesmo um tábua de madeira não muito espessa Por isso se colocarmos um ímã sobre um pedaço de papel e sobre ele pulverizarmos limalha de ferro estas se alinharão com o campo magnético deste revelando assim o desenho das linhas de campo Isso também ocorrerá se o ímã estiver sob o papel É interessante que se faça o mapeamento de campo magnético de ímãs com formatos diferentes para que se possa entender que a distribuição espacial do campo magnético depende entre outras coisas do formato do ímã A observação deve propiciar condições para que os alunos respondam as questões abaixo i É possível isolar os polos magnéticos Por que Explique o mais detalhado possível apresentando as referências usadas RESPOSTA O isolamento completo dos polos magnéticos também conhecidos como polos norte e sul não é possível em um ímã convencional Isso ocorre porque os polos magnéticos sempre existem em pares ou seja não é possível ter um único polo magnético isolado De acordo com a teoria eletromagnética um ímã possui um campo magnético que se estende a partir de seu polo norte e circula de volta para o polo sul formando um circuito fechado Quando você tenta separar os polos magnéticos você acaba criando dois novos polos em cada um dos fragmentos resultantes fazendo com que eles se tornem novos ímãs com seus próprios polos norte e sul Essa propriedade dos ímãs é conhecida como dipolo magnético É uma característica fundamental da natureza magnética e está intimamente relacionada ao comportamento dos materiais magnéticos Uma referência confiável para essa explicação é o livro Introduction to Electrodynamics Introdução à Eletrodinâmica de David J Griffiths que fornece uma abordagem detalhada da teoria eletromagnética Além disso pesquisas científicas têm demonstrado experimentalmente que não é possível isolar um único polo magnético Em um estudo publicado na revista científica Nature em 2012 pesquisadores liderados por Monique Augier demonstraram que tentativas de isolar um único polo magnético resultaram na formação de novos pares de polos magnéticos opostos Esses experimentos reforçaram a ideia de que os polos magnéticos sempre ocorrem em pares e não podem ser isolados Em resumo de acordo com as teorias eletromagnéticas e evidências experimentais é impossível isolar completamente os polos magnéticos em um ímã convencional Os polos magnéticos sempre ocorrem em pares e qualquer tentativa de separação resultará na criação de novos polos opostos ii Qual a forma da Lei de Coulomb para o magnetismo RESPOSTA A Lei de Coulomb é uma lei fundamental da eletrostática que descreve a interação entre duas cargas elétricas estacionárias No entanto o magnetismo é regido por outra lei fundamental chamada Lei de Ampère que descreve a relação entre correntes elétricas estacionárias e o campo magnético resultante A Lei de Ampère é expressa matematicamente pela Lei de BiotSavart que estabelece que o campo magnético B em um ponto devido a uma corrente elétrica I percorrendo um elemento de comprimento dl é proporcional ao produto da corrente do comprimento do elemento e a uma função que depende da distância entre o ponto e o elemento A fórmula geral é dada por d B μ0 4 π I dl r r 2 iii O que é permeabilidade magnética Qual seu valor no vácuo nas unidades do SI RESPOSTA A permeabilidade magnética é uma propriedade do meio que descreve como um material responde à formação de um campo magnético em sua presença Ela representa a capacidade do meio em permitir a passagem de linhas de campo magnético No Sistema Internacional de Unidades SI a unidade de permeabilidade magnética é o tesla metro por ampere TmA ou henry por metro Hm A permeabilidade magnética do vácuo representada por μ0 é uma constante fundamental na física e é definida como μ04 π 10 7T m A Essa constante relaciona a unidade básica de corrente elétrica ampere com a unidade básica de campo magnético tesla e a unidade de comprimento metro iv Como definir a intensidade das ações magnéticas RESPOSTA A intensidade das ações magnéticas é geralmente definida pelo campo magnético O campo magnético é uma medida da força e direção do magnetismo em um determinado ponto Existem várias maneiras de quantificar a intensidade do campo magnético mas uma das mais comuns é utilizando a unidade tesla T Para determinar a intensidade de um campo magnético em um ponto específico você pode usar um magnetômetro Um magnetômetro é um instrumento usado para medir campos magnéticos Existem diferentes tipos de magnetômetros como o magnetômetro de efeito Hall o magnetômetro de fluxo de indução e o magnetômetro de prótons entre outros Além disso a intensidade do campo magnético também pode ser influenciada pela proximidade de um ímã ou de um objeto magnético A distância entre o objeto magnético e o ponto onde você está medindo o campo magnético pode afetar sua intensidade 2ii 25 A partir da montagem do circuito o experimento de Oerstedque procura mostrar a relação entre fenômenos elétricos e magnéticos A corrente elétrica variável com o tempo produz uma perturbação sobre a agulha imantada da bússola provocando o aparecimento de um torqueτ O efeito magnético é observado quando há o aparecimento de um campo magnético na região onde se aplica a corrente elétrica Quando a fonte é ligada e ocorrer o estabelecimento da corrente elétrica i a agulha magnética sofre a ação de um binário e consequentemente um torque provocando sua rotação e assumindo a posição perpendicular ao plano definido pelo fio e pelo centro da agulha não esquecer que da Geometria uma reta e um ponto fora da reta definem um plano Em cada ponto do espaço o campo B terá a direção perpendicular ao plano definido pelo centro da agulha imantada e o pelo fio As linhas de campo diferentemente do campo elétricoque são radiais às fontes aqui neste caso elas são concêntricas ao fio tendo assim um tipo de simetria diferente Como fica a situação Faça uma síntese do experimento a partir do documento original fornecido e determine matematicamente o resultado do experimento Resposta Com base na descrição fornecida o experimento de Oersted consiste em montar um circuito no qual uma corrente elétrica variável com o tempo passa por um fio condutor Esse circuito é conectado a uma agulha imantada de uma bússola Quando a corrente elétrica é ligada um campo magnético é gerado na região ao redor do fio perpendicular ao plano definido pelo fio e pelo centro da agulha Como resultado a agulha magnética sofre a ação de um torque representado por τ devido à interação entre o campo magnético e o momento magnético da agulha Isso faz com que a agulha gire e assuma uma posição perpendicular ao plano definido pelo fio e pelo centro da agulha Matematicamente podemos expressar o torque τ como o produto vetorial entre o vetor momento magnético m da agulha e o vetor campo magnético B gerado pela corrente elétrica no fio τ m x B O vetor campo magnético B tem direção perpendicular ao plano definido pelo fio e pelo centro da agulha imantada As linhas de campo magnético são concêntricas ao fio formando um padrão de simetria ao redor dele Assim o experimento de Oersted demonstra a relação entre fenômenos elétricos e magnéticos mostrando como uma corrente elétrica variável no tempo gera um campo magnético ao redor do fio condutor e como esse campo magnético interage com uma agulha imantada causando um torque e consequentemente a rotação da agulha 2iii 10 Descreva a relação entre BeH RESPOSTA A relação entre os vetores campo magnético B e intensidade de campo magnético H é estabelecida pela permeabilidade magnética do meio em que eles estão presentes Essa relação é expressa pela equação B μ H onde B é o vetor campo magnético H é o vetor intensidade de campo magnético e μ é a permeabilidade magnética A permeabilidade magnética μ é uma propriedade do meio que indica o quanto o meio pode ser magnetizado em resposta a um campo magnético aplicado Ela relaciona a densidade de fluxo magnético B com a intensidade de campo magnético H Em termos mais simples podemos dizer que o campo magnético B é proporcional à intensidade de campo magnético H através da permeabilidade magnética μ A constante de proporcionalidade é a permeabilidade magnética do meio em questão A permeabilidade magnética é uma característica fundamental dos materiais e pode variar dependendo do meio em que o campo magnético está presente Existem dois tipos principais de permeabilidade magnética permeabilidade magnética do vácuo μ0 e permeabilidade magnética relativa μr No vácuo ou no espaço livre a relação entre B e H é simplificada e pode ser expressa como B μ0 H onde μ0 é a permeabilidade magnética do vácuo que tem um valor constante de aproximadamente 4π x 107 TmA Em materiais magnéticos a relação entre B e H é modificada pela presença de magnetização no material Nesses casos a permeabilidade magnética relativa μr é introduzida para descrever a relação entre B e H B μr μ0 H onde μr é a permeabilidade magnética relativa do material 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3 valor 20 3i 10 Uma determinada partícula entra em uma região com um campo magnético uniforme onde o vetor de velocidade da partícula é perpendicular à direção do campo magnético A fig dá o período T do movimento da partícula versus o inverso da magnitude do campo B A escala do eixo vertical é definida por em ns e a escala do eixo horizontal é definida em intervalor de 50 T1 Qual é a razão mq da massa da partícula para o magnitude de sua carga Resposta FmqvB Fcpm v 2 r v S t 2πr T qvBm v 2 r rmv Bq vS t 2πr T 2π mv T Bq TB 2π m q m q 3 2 π4 012 3ii 10 A partir do experimento de Oersted como a Física entende o conceito de campo RESPOSTA O experimento de Oersted é um marco na compreensão do conceito de campo na física Antes desse experimento a ideia predominante era que as forças entre objetos se davam apenas através do contato direto como no caso das forças de contato mecânico No entanto o experimento de Oersted mostrou que uma corrente elétrica em um fio condutor gera um campo magnético na região ao seu redor e esse campo magnético é capaz de exercer força sobre uma agulha imantada mesmo sem haver contato físico direto A partir desse experimento a física passou a entender que há fenômenos que podem ser explicados considerando a existência de campos que são grandezas físicas presentes em todo o espaço e que podem interagir com objetos e partículas mesmo sem contato físico direto O conceito de campo foi então formalizado e se tornou fundamental na física moderna Um campo pode ser entendido como uma entidade física que preenche o espaço e possui um valor e uma direção em cada ponto do espaço O campo magnético é um exemplo de campo assim como o campo elétrico o campo gravitacional entre outros A física entende que os objetos e partículas interagem com os campos ao seu redor e essa interação é mediada pelas forças exercidas pelos campos Essas forças são calculadas levando se em consideração as propriedades dos objetos massa carga elétrica momento magnético etc e as características dos campos intensidade direção etc REFERÊNCIAS NUSSENZVEIG H Moyses Curso de Física Básica EletromagnetismoEd Blücher1997 RESNICK Robert HALLIDAY David KRANE Kenneth S Física 3 5 ed Rio de Janeiro LTC 2004