Anéis saltantes

Descrição

O aparelho usado nesta demonstração é formado por um núcleo de ferro laminado em forma de U que, em torno de um dos seus braços, tem enrolada uma bobina de fio condutor esmaltado. Em torno do outro braço do núcleo é colocado um anel condutor, fechado e contínuo. Quando, com a ajuda de um interruptor, se faz circular uma corrente alternada pela bobina, é gerada sobre o anel, uma força vertical para cima. Dependendo da intensidade desta força o anel pode chegar a levitar ou até ser arremessado violentamente para fora do núcleo de ferro, transformando-se assim, a energia eletromagnética em energia mecânica.

Explicação: De acordo com a lei de Ampére, a corrente que circula pelo fio da bobina gera um campo magnético em torno do fio. Os campos magnéticos de cada volta do fio se somam e se reforçam no interior da bobina, criando lá um campo magnético mais intenso e concentrado. A baixa relutância magnética do núcleo de ferro concentra a maior densidade do fluxo magnético no seu interior. Sendo alternada a corrente que circula pela bobina, o fluxo do campo magnético, no núcleo de ferro, que passa pelo interior do anel, também é alternado e por causa da lei de Faraday, produz uma força eletromotriz (FEM) também alternada ao longo do anel. Se o anel é condutor e fechado, esta FEM produz uma corrente alternada no anel que, como a FEM, tem uma intensidade proporcional à taxa de variação do fluxo magnético no tempo. De acordo com a lei de Lenz o sentido desta corrente induzida é aquele que gera um campo magnético que se opõe à variação do fluxo magnético que a gerou. Assim, quando o fluxo magnético, gerado pela bobina diminui, o fluxo magnético gerado pelo anel, para compensar esta diminuição, tem o mesmo sentido e o anel é atraído . Por outro lado, quando o fluxo magnético gerado pela bobina aumenta o fluxo magnético gerado pelo anel, para compensar este aumento, tem sentido oposto e o anel é repelido. Se a corrente induzida no anel dependesse apenas da variação do fluxo magnético gerado pela bobina (e se essa variação for senoidal) então, em média, essa repulsão e atração se cancelam entre si (a diferença de fase entre uma função senoidal e a sua derivada e de um quarto do período, fazendo com que o tempo durante o qual a força sobre o anel é atrativa seja igual ao tempo durante o qual a força é repulsiva). Assim, a força que pode arremessar o anel para fora do núcleo vem principalmente da autoindutância do anel. A corrente induzida no anel sofre uma defasagem extra, além do quarto de período, devida à FEM gerada pela variação do fluxo magnético gerado pelo próprio anel. Esta defasagem extra entre a corrente do anel e a corrente da bobina faz com que o tempo durante o qual a força sobre o anel é repulsiva seja maior do que o tempo durante o qual a força é atrativa.

Quando trocamos o anel condutor fechado por um anel menos condutor, a corrente induzida será menor e consequentemente a força repulsiva sobre o anel também, fazendo com que o anel apenas levite, sem ser arremessado. Quando colocamos um anel quebrado, com uma descontinuidade que impede a circulação da corrente pelo anel, a força repulsiva desaparece.

Conceitos e Princípios Físicos Abordados

Neste experimento abordam-se conceitos sobre corrente alternada, campo magnético variável, atração e repulsão de pólos magnéticos e lei de Lenz.

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