Esta disciplina de graduação do curso de Engenharia Elétrica da UNICAMP é composta por sete experimentos que cobrem os assuntos das disciplinas "Introdução à Teoria Eletromagnética" (EE521) e "Teoria Eletromagnética" (EE540). Inclui mapeamento de potencial eletrostático, compatibilidade eletromagnética e crosstalk, bomba iônica, medida da relação e/m (tubos de raios catódicos e noções de válvulas), microondas (conceitos de propagação de ondas eletromagnéticas) e alta-tensão. Os experimentos foram revisados e as aulas contém um desafio, no qual os alunos são convidados a solucionar um problema prático como construir um radar para medir velocidade, uma válvula eletrônica, ou fazer uma lâmpada fluorescente compacta parar de piscar quando está desligada (defeito apresentado por algumas marcas presentes no mercado).
Experimento 1: Mapeamento de equipotenciais e campo elétrico
Neste experimento, os alunos devem propor um método e identificar experimentalmente as equipotenciais em várias configurações de eletrodos metálicos, submersos em água. Essas equipotenciais equivalem àquelas de um arranjo com a mesma seção e com simetria em um eixo de translação, como em uma linha de transmissão. Vários problemas são propostos e o Método dos Quadrados Curvilíneos (ver John D. Krauss, “Electromagnetics” ou W. H. Hayt e J. A. Buck, “Eletromagnetismo”, 8a Ed.) é apresentado e utilizado para calcular a capacitância por unidade de comprimento de um sistema de placas paralelas.
Experimento 2: Acoplamento capacitivo e indutivo em circuitos elétricos
Dois experimentos são realizados nessa aula: primeiro, os estudantes são desafiados a explicar porque certas marcas de lâmpadas fluorescentes compactas piscam mesmo quando estão apagadas e corrigir o problema usando componentes disponíveis no almoxarifado da Faculdade. A solução deve ser simples e barata. Em um segundo, devem explicar porque dois resistores de valores diferentes, associados em paralelo, apresentam tensões diferentes quando um fluxo magnético variável é aplicado ao circuito (ver imagem ao lado). Efeitos capacitivos e indutivos são usados para explicar esses fenômenos.
Neste experimento os estudantes são convidados a estudar como uma trilha de uma placa de circuito impresso pode induzir tensão em uma trilha vizinha sem contato metálico entre elas. Este é um exemplo do fenômeno de crosstalk ou diafonia, em português, que é quando um circuito causa uma interferência indesejada em um circuito vizinho, que neste caso é causado pela presença de um campo magnético variável no tempo. Os estudantes medem os efeitos em trilhas separadas por diferentes distâncias e orientações. Usam-se ondas senoidais e quadradas, em frequências de 50 kHz a 10 MHz. Os grupos devem realizar os experimentos, propor um modelo e comparar esse modelo com os dados experimentais.
A bomba iônica ou propulsor magnetohidrodinâmico é um dispositivo que faz mover um fluído condutor pela presença de corrente elétrica e campo magnético. Em nosso laboratório, os alunos utilizam uma cuba retangular com água na qual ácido clorídrico foi dissolvido até um pH de aproximadamente 3. São colocados dois eletrodos de grafite com 10 cm de comprimento, dispostos em paralelo e separados por uma distância de 5 cm, entre os quais se aplica uma diferença de potencial de modo que se estabeleça uma corrente de até 200 mA. Um eletroímã é utilizado para aplicar um campo magnético constante, da ordem de 0,1 tesla na região entre os eletrodos. Surge então uma força magnética, proporcional à corrente e ao campo magnético, que empurra a água sem que o sistema possua partes móveis. O objetivo deste experimento é estudar a força de Lorentz, responsável por este fenômeno.
Experimento 5: Medida da razão carga/massa do elétron
Neste experimento, utilizamos um tubo de raios catódicos (CRT, em inglês) para obter a razão entre a carga e a massa do elétron. Entretanto, o CRT nos dá oportunidade para estudar a produzir e controlar um feixe eletrônico, o que possibilita inúmeras aplicações em áreas experimentais e industriais. Ao final do procedimento, os estudantes são convidados a propor e construir um diodo a vácuo a partir dos componentes existentes no CRT, e desenhar um circuito para visualizar o resultado em um osciloscópio.
O experimento utiliza um transmissor de microondas de 10,5 GHz composto por um circuito de excitação com diodo gun, cavidade ressonante e uma antena do tipo "horn". O receptor usa uma antena idêntica à do transmissor. Exploramos propriedades de reflexão, refração e filtros polarizadores. Os alunos são solicitados a fazer um diagrama de radiação da antena e a medir o comprimento de onda por três técnicas diferentes. Ao final são desafiados a propor um sistema de radar para medida de velocidade utilizando os componentes existentes no laboratório.
Esta aula dedica-se aos fenômenos que envolvem alta tensão, o que inclui aspectos tecnológicos dos dispositivos submetidos a tensões de dezenas de kV. Na primeira parte da aula estudaremos o gerador Van De Graaff. Depois é realizada uma visita ao Laboratório de Alta Tensão, onde são realizados ensaios de isoladores e equipamentos diversos. Em seguida, os grupos utilizarão uma fonte de 250 kVDC para verificar a ruptura da rigidez dielétrica do ar e observar as descargas corona. Na etapa final, com os conhecimentos adquiridos durante o curso, os grupos deverão projetar e construir um "lifter", que é um dispositivo que usa forças eletrostáticas para gerar propulsão. A aula termina com a apresentação dos veículos construídos, que utilizarão a fonte de alta tensão existente no laboratório para flutuar no ar.
Lifter construído pelos alunos Joubert, Carlos Felipe e Tiago (EE522, Turma O, grupo C, 1 Sem 2013).
Mini-Lifter, projeto modificado, construído pelos alunos Lucas Orlando, Daniel e Tomás (EE522, Turma O, grupo B, 1 Sem 2013).
Lifter, construído pelos alunos André, Rodrigo e Fernando que flutuou com a menor tensão entre os projetos da Turma, 20 kV (EE522, Turma O, grupo D, 1 Sem 2013).
Lifter, construído pelos alunos Felipe, Luana e Vinicius modificado durante a aula (EE522, Turma O, grupo A, 1 Sem 2013).
Lifter, construído pelos alunos Vinicius, José Henrique e Renato (EE522, Turma H, grupo 1, 1 Sem 2013).
Lifter, construído pelos alunos Marcel, Edgar e Guilherme (EE522, Turma H, grupo 2, 1 Sem 2013).
Lifter, construído pelos alunos Rafael, Gabriel e Alexandre (EE522, Turma H, grupo 3, 1 Sem 2013).
Bibliografia
Esta disciplina deve ser cursada preferencialmente após EE 521, Introdução à Teoria Eletromagnética e simultaneamente à EE 540, Teoria Eletromagnética. Os livros utilizados nestas disciplinas servem de suporte para EE 522. Nossa sugestão é a seguinte:
David K. Cheng, “Field and Waves Electromagnetic”: Este é um excelente livro texto para o nosso curso, apresentando a matéria completa de nossa disciplina. O autor inicia com uma excelente revisão do cálculo e da álgebra vetorial, bem como de sistemas de coordenadas. A apresentação dos assuntos é profunda, cheia de exemplos e bons exercícios. É uma boa alternativa como livro texto.
John D. Krauss, “Electromagnetics”: Trata-se de um livro com muitos de exemplos de aplicações práticas do Eletromagnetismo, abordando assuntos diversos, como problemas tecnológicos e fenômenos atmosféricos. É um livro pragmático. O autor se preocupa em resolver os problemas práticos, muitas vezes oferecendo ao estudante métodos gráficos e numéricos como alternativas para a obtenção de soluções boas o suficiente para resolver os problemas que enfrentará em sua atividade profissional. Krauss foi o responsável pelo desenvolvimento de antenas para satélites e televisores, e foi o projetista do “Big ear”, um rádio telescópio gigante instalado em Ohio. A experiência profissional do autor está impressa nas páginas deste excelente livro. Além de servir para estudar a matéria durante este curso, este é um bom livro para se ter à mão na vida profissional. Como no livro de Hayt e Buck, este livro contém praticamente toda a ementa, exceto o tópico sobre expansão em multipolos elétricos.
Moysés Nussenzveig, “Curso de Física Básica, vol. 3”: Um dos melhores textos para conduzir o estudante na maioria dos temas desta disciplina é o volume três da obra de Nussenzveig, composto de quatro livros. O texto é brilhante, procurando mostrar a fenomenologia da Teoria eletromagnética (“a física é uma ciência experimental”, como diz o autor) com a vantagem de o original ter sido escrito em português. O autor é um dos maiores físicos que nosso país já concebeu, premiado e reconhecido internacionalmente. Isto fica claro pela inteligência que o texto foi escrito: ele vai direto ao ponto e esclarece dúvidas que outros autores não tratam. Em uma abordagem simples e direta, conduz o aluno ao conhecimento da matéria com grande segurança. Muitas dúvidas que podem surgir na leitura de outros livros são resolvidas aqui. Entretanto, trata-se de um livro de apoio para nosso curso, uma vez que faltam tópicos sobre multipolos elétricos, sistemas de unidades e principalmente não se aprofunda no tema das soluções da equação de Laplace, assunto de importância significativa na ementa desta disciplina.
Richard P. Feynman, Robert B. Leighton and Matthew Sands, “Feynman´s Lectures on Physics”: Outros dois livros importantes são os volumes I e II do Feynman’s Lectures on Physics, ou em sua versão português, “Lições de Física”. Feynman é um dos mais brilhantes físicos do século XX, prêmio Nobel em 1965. Sua coleção, composta de três livros – o terceiro é sobre mecânica quântica – aborda os temas de maneira profunda, mostrando aspectos que os livros textos convencionais dificilmente tratam. Sua leitura exige atenção. No entanto, o aluno que conseguir compreender seu conteúdo estará à frente da média. Esta coleção é uma espécie ícone entre os textos sobre física básica. Como diz o autor no epílogo do livro: “I wanted most to give you some appreciation of the wonderful world and the physicist’s way of looking it, which, I believe, is a major part of the culture of modern times … it is even possible that you may want to join in the greatest adventure that the human mind has ever begun”.
Yaro Burian Jr.,“Circuitos Elétricos, Magnéticos e Teoria Eletromagnética”: Este livro, escrito por um Professor Titular da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da UNICAMP, aborda questões que raramente são tratadas nos livros didáticos: a dura realidade de um circuito de verdade! O professor Yaro trata da teoria dos circuitos elétricos do ponto de vista da Teoria eletromagnética para explicar os fenômenos observados no dia a dia da engenharia como os efeitos dos fluxos elétricos e magnéticos em partes inesperadas do circuito, ou capacitâncias e indutâncias parasitas.
Esta disciplina de graduação do curso de Engenharia Elétrica da UNICAMP é composta por sete experimentos que cobrem os assuntos das disciplinas "Introdução à Teoria Eletromagnética" (EE521) e "Teoria Eletromagnética" (EE540). Inclui mapeamento de potencial eletrostático, compatibilidade eletromagnética e crosstalk, bomba iônica, medida da relação e/m (tubos de raios catódicos e noções de válvulas), microondas (conceitos de propagação de ondas eletromagnéticas) e alta-tensão. Os experimentos foram revisados e as aulas contém um desafio, no qual os alunos são convidados a solucionar um problema prático como construir um radar para medir velocidade, uma válvula eletrônica, ou fazer uma lâmpada fluorescente compacta parar de piscar quando está desligada (defeito apresentado por algumas marcas presentes no mercado).
