PORTFÓLIO MEEC 1 - CAMPO ELETROMAGNÉTICO – ELETROMAGNETISMO / ELETROTECNIA J. A. Brandão Faria Na disciplina de Física, no ensino secundário, foram ministrados os rudimentos de «Eletricidade». Agora, como estudantes do IST e futuros engenheiros eletrotécnicos, vão necessariamente aprofundar os conhecimentos nessa área; vão aprofundá-los (nos primeiros anos) mas também aplicá-los, mais adiante, nas disciplinas da especialidade, sejam elas de Energia, de Eletrónica, de Telecomunicações, ou de Controlo. 1. Introdução A disciplina de Electromagnetismo e Óptica, do 2.º ano, 1.º semestre, é comum a todos os cursos de engenharia; fornece os fundamentos teóricos do campo eletromagnético e é lecionada pelo Departamento de Física. A disciplina de Electrotecnia Teórica, do 2.º ano, 2.º semestre, não obstante o seu nome, está já virada para as aplicações da engenharia eletrotécnica; de facto, a disciplina é lecionada pelo Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Em ambas as disciplinas, a ferramenta ou linguagem utilizada é a da Matemática, designadamente, a Análise Diferencial e Integral bem como a Análise Vetorial. Uma preparação deficiente nestas ‘linguagens’ pode, decerto, comprometer o sucesso na aprendizagem das matérias lecionadas em Electromagnetismo e Óptica, e em Electrotecnia Teórica. Fica o alerta! Este curto texto, concebido no âmbito da disciplina de Portfólio, pretende despertar/incentivar o interesse dos estudantes para o tema do Electromagnetismo/Electrotecnia. A tarefa não é fácil, pois, como referimos, a linguagem própria do tema (análise matemática) ainda não está à vossa disposição. De toda a maneira vamos tentar...
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1
- CAMPO ELETROMAGNÉTICO –
ELETROMAGNETISMO / ELETROTECNIA
J. A. Brandão Faria
Na disciplina de Física, no ensino secundário, foram ministrados os rudimentos de
«Eletricidade». Agora, como estudantes do IST e futuros engenheiros eletrotécnicos, vão
necessariamente aprofundar os conhecimentos nessa área; vão aprofundá-los (nos primeiros
anos) mas também aplicá-los, mais adiante, nas disciplinas da especialidade, sejam elas de
Energia, de Eletrónica, de Telecomunicações, ou de Controlo.
1. Introdução
A disciplina de Electromagnetismo e Óptica, do 2.º ano, 1.º semestre, é comum a todos os cursos
de engenharia; fornece os fundamentos teóricos do campo eletromagnético e é lecionada pelo
Departamento de Física. A disciplina de Electrotecnia Teórica, do 2.º ano, 2.º semestre, não
obstante o seu nome, está já virada para as aplicações da engenharia eletrotécnica; de facto, a
disciplina é lecionada pelo Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores.
Em ambas as disciplinas, a ferramenta ou linguagem utilizada é a da Matemática,
designadamente, a Análise Diferencial e Integral bem como a Análise Vetorial. Uma preparação
deficiente nestas ‘linguagens’ pode, decerto, comprometer o sucesso na aprendizagem das
matérias lecionadas em Electromagnetismo e Óptica, e em Electrotecnia Teórica. Fica o alerta!
Este curto texto, concebido no âmbito da disciplina de Portfólio, pretende despertar/incentivar o
interesse dos estudantes para o tema do Electromagnetismo/Electrotecnia. A tarefa não é fácil,
pois, como referimos, a linguagem própria do tema (análise matemática) ainda não está à vossa
disposição. De toda a maneira vamos tentar...
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As primeiras contribuições de natureza científica para o eletromagnetismo devem-se sobretudo a
Andrè-Marie Ampère (1775-1836) e a Michael Faraday (1791-1867). Há, porém, um nome
incontornável que deve ser retido na memória, o de James Clerk Maxwell (1831-1879), físico
escocês, que formulou a teoria moderna do eletromagnetismo1, unificando a eletricidade, o
magnetismo e a óptica — ciências até então consideradas distintas.
De facto, foi em 1873 que Maxwell publicou a sua obra Treatise on Electricity and Magnetism,
onde são apresentadas as equações que governam o campo eletromagnético — as chamadas
Equações de Maxwell, que mais adiante apresentaremos — ver (5). No que respeita a essas
equações há pelo menos quatro factos notáveis que merecem realce:
Primeiro: A sua longevidade. Apesar de estabelecidas há quase 150 anos, não houve ainda
qualquer evidência experimental que as pusesse em causa.
Segundo: O conteúdo das equações permite, por via puramente dedutiva, prever a existência
de ondas eletromagnéticas (de que a luz é um caso particular). A demonstração experimental da
existência de ondas eletromagnéticas2 foi feita por Hertz em 1889.
Terceiro: As equações são intrinsecamente relativistas. Verificou-se, a posteriori, que elas
estão de acordo com os resultados da Teoria da Relatividade desenvolvida por Einstein em 1905.
Quarto, e talvez mais importante: As equações de Maxwell aplicam-se indistintamente a todos
os fenómenos macroscópicos do eletromagnetismo (fenómenos lentos ou rápidos, fenómenos
com corpos em repouso ou em movimento). Em verdade, com base nessas equações é possível
explicar e analisar todos os fenómenos do campo eletromagnético que interessam à Engenharia
Eletrotécnica, por exemplo, o funcionamento de motores e geradores elétricos (Fig. 1), a
1 Maxwell é também conhecido pela sua contribuição para a Teoria Cinética dos Gases, teoria que veio a revelar-se
importante no desenvolvimento da Termodinâmica Estatística e posteriormente da Mecânica Quântica. 2 Também conhecidas por ondas Hertzianas.
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transmissão de sinais elétricos nas placas de circuitos eletrónicos (Fig. 2), a transmissão de
energia ao longo das linhas de alta tensão (Fig. 3), a transmissão de sinais luminosos em fibras
ópticas (Fig. 4), a radiação das antenas (Fig. 5), as comunicações no espaço livre (Fig. 6), etc.
etc.
(a) (b)
Fig. 1. Conversão eletromecânica de energia. (a) Motor elétrico. (b) Gerador elétrico. No caso motor a
máquina é alimentada (no estator) por correntes elétricas e a peça móvel no interior (o rotor) adquire
movimento de rotação. No caso gerador ocorre o inverso; o rotor é colocado em movimento de rotação
(via energia hidráulica, eólica, ou outra) e no estator surgem tensões elétricas.
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Fig. 2. Placa de circuito impresso utilizada na montagem de componentes eletrónicos, onde se observa a
complexidade das pistas metálicas que servem de interligação entre componentes. Os sinais elétricos
transmitidos pelas diversas pistas interagem entre si devido ao acoplamento quer elétrico quer magnético.
Fig. 3. Poste e linha de alta tensão. As linhas de alta tensão operam a 50 Hz e podem ter comprimentos de
centenas de km. As correntes e cargas elétricas dos condutores da linha dão origem a um campo
eletromagnético que se propaga ao longo da estrutura, viajando a uma velocidade próxima da velocidade
da luz.
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Fig. 4. Conjunto de fibras ópticas truncadas num dos extremos, emitindo luz visível. Nas fibras utilizadas
em comunicação óptica a luz não é visível, pois se situa na zona do infravermelho (com comprimentos de
onda cerca de 1300 nm e 1500 nm, a que correspondem frequências na gama do THz).
Fig. 5. Antena Yagi-Uda utilizada nas bandas de VHF (50 a 200 MHz) e UHF (0,3 a 3 GHz). A radiação
do elemento principal (dipolo dobrado) é reforçada pela presença de hastes refletoras e diretoras, que
conferem a esta antena características direcionais.