FLUXO MAGNÉTICO
Para podermos analisar com mais detalhes o fenômeno da indução magnética, Faraday utilizou um conceito que ele mesmo havia criado: o de linhas de força, que nos dias de hoje conhecemos por linhas de campo.
Para poder estudar com mais riquezas de detalhes a indução magnética, Michael Faraday elaborou um conceito próprio onde mencionava as linhas de força existentes. Foram vários os experimentos realizados por Faraday para determinar quais seriam os fatores que influenciavam o valor da força eletromotriz induzida.
Em meio à realização de seus experimentos (qualitativos e quantitativos), Faraday descobriu que quanto mais rapidamente o campo magnético variasse maior seria a intensidade da força eletromotriz induzida e, consequentemente, da intensidade da corrente elétrica induzida.
Disponível em: http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/InducaoMagnetica/figuras/fluxo7.gif
Desse modo, podemos dizer que o número de linhas que atravessam uma superfície plana, de área A, colocada de modo perpendicular a um campo magnético, é proporcional ao produto do campo magnético pela área da superfície, (B · A). Esse produto recebeu o nome de fluxo de B (ou fluxo magnético) através da superfície, sendo representado por φ.
Assim, temos:
Onde:
φ é fluxo magnético
B é campo magnético
A é área da superfície plana
De acordo com a figura acima temos uma espira de área A imersa em um campo magnético uniforme. O ângulo formado entre o campo B e o vetor n normal ao plano da espira é θ. Assim, para calcular o fluxo magnético B através da espira temos que levar em consideração o ângulo. Portanto, temos que:
φ = B · A · cosθ
No SI (Sistema Internacional de Unidades) a unidade de fluxo denomina-se weber (Wb).
VARIAÇÃO DO FLUXO MAGNÉTICO
Para haver o que chamamos de indução magnética, não basta apenas calcular o fluxo magnético em condutor. Para ter a indução é necessário que haja uma variação desse fluxo.
Sabendo que o fluxo magnético é calculado por:
φ = B · A · cosθ
Como a equação acima pode nos mostrar, o fluxo depende de três grandezas, B, A, e θ. Portanto, para que φ varie é necessário que pelo menos uma das três grandezas varie, como veremos a seguir.
VARIAÇÃO DO FLUXO DEVIDO À VARIAÇÃO DO VETOR INDUÇÃO MAGNÉTICA
Imagine um tubo capaz de conduzir em seu interior as linhas de indução geradas por um ímã, por exemplo. Se em um ponto do tubo houver uma redução na área de sua seção transversal, todas as linhas que passavam por uma área A terão de passar por uma área A’, menor que a anterior.
A única forma de todas as linhas de indução passarem, ou seja, de se manter o fluxo, por esta área menor é se o vetor indução aumentar, o que nos leva a concluir que as linhas de indução devem estar mais próximas entre si nas partes onde a área é menor. Como as seções transversais no tubo citadas são paralelas entre si, esta afirmação pode ser expressa por:
φ = B1 · A1 = B2 · A2
Então, se pensarmos em um ímã qualquer, este terá campo magnético mais intenso nas proximidades de seus polos, já que as linhas de indução são mais concentradas nestes pontos. Portanto, uma forma de fazer com que φ varie é aproximar ou afastar a superfície da fonte magnética, variando B→.
VARIAÇÃO DO FLUXO DEVIDO À VARIAÇÃO DA ÁREA
Outra maneira utilizada para se variar φ é utilizando um campo magnético uniforme e uma superfície de área A.
Como o campo magnético uniforme é bem delimitado, é possível variar o fluxo de indução magnética movimentando-se a superfície perpendicularmente ao campo, entre a parte sob e fora de sua influência. Desta forma, a área efetiva por onde há fluxo magnético varia.
VARIAÇÃO DO FLUXO DEVIDO À VARIAÇÃO DO ÂNGULO θ
Além das duas formas citadas acima, ainda é possível variar φ fazendo com que varie o ângulo entre a reta normal à superfície e o vetor B→. Uma maneira prática e possivelmente a mais utilizada para se gerar indução magnética é fazendo com que a superfície por onde o fluxo passa gire, fazendo com que θ varie.
LEI DE LENZ
Após diversos testes realizados experimentalmente, Faraday conseguiu chegar a uma conclusão com exatidão a respeito da corrente induzida: quando o número das linhas de campo que atravessam um circuito varia, nesse circuito aparece uma corrente elétrica denominada corrente induzida.
Definida a condição para que exista a corrente induzida, falta ainda explicar como obter o sentido dessa corrente. Quem elaborou a explicação mais simples para isso foi o físico Heinrich Friedrich Lenz.
- Se houver diminuição do fluxo magnético, a corrente induzida criará um campo magnético com o mesmo sentido do fluxo.
- Se houver aumento do fluxo magnético, a corrente induzida criará um campo magnético com sentido oposto ao sentido do fluxo
Disponível em: http://brasilescola.uol.com.br/upload/e/lei%20de%20lenz.jpg
A indução eletromagnética é o princípio fundamental sobre o qual operam transformadores, geradores, motores elétricos e a maioria das demais máquinas elétricas. A corrente elétrica gerada é diretamente proporcional ao fluxo magnético que atravessa o circuito na unidade de tempo.
A lei de Lenz é lei derivada do princípio de conservação da energia. Ao aproximarmos um polo norte de um ímã a uma espira, o fluxo iria aumentar se a corrente que surgisse fosse no sentido horário (aumentando ainda mais o fluxo magnético). Este fato, pois, criaria energia “do nada”, violando, assim, o princípio fundamental da conservação da energia.
LEI DE FARADAY-NEUMANN
Também chamada de lei da indução magnética, esta lei, elaborada a partir de contribuições de Michael Faraday, Franz Ernst Neumann e Heinrich Lenz entre 1831 e 1845, quantifica a indução eletromagnética.
A lei de Faraday-Neumann relaciona a força eletromotriz gerada entre os terminais de um condutor sujeito à variação de fluxo magnético com o módulo da variação do fluxo em função de um intervalo de tempo em que esta variação acontece, sendo expressa matematicamente por:
O sinal negativo da expressão é uma consequência da Lei de Lenz, que diz que a corrente induzida tem um sentido que gera um fluxo induzido oposto ao fluxo indutor.
CÁLCULO DA FORÇA ELETROMOTRIZ EM UMA BARRA CONDUTORA
Disponível em: https://def.fe.up.pt/eletricidade/img/condutor_num_campoB_200.png
Ao analisarmos a figura acima, podemos observar um um condutor reto que se move com uma dada velocidade no interior de um campo magnético uniforme de indução B, originado pelo ímã em forma de U. Como podemos observar, o campo gerado pelo ímã é uniforme e perpendicular ao plano do fio.
Como os elétrons acompanham o movimento do condutor reto, eles ficam sujeitos à força magnética cujo sentido é determinado pela regra da mão direita ou regra do tapa. Elétrons livres se movimentam para a extremidade inferior do condutor da figura, de forma que a outra extremidade fica positiva.
As cargas dos extremos dão origem a um campo elétrico E e os elétrons ficam sujeitos, também, a uma força elétrica de sentido contrário ao sentido da força magnética. Quando essas duas forças se equilibram, estabelece-se uma diferença de potencial entre os extremos do fio. A ddp estabelecida entre as extremidades do condutor corresponde à força eletromotriz que, nesse caso, é denominada força eletromotriz induzida.
Fechando-se o circuito, surge uma corrente elétrica em consequência da ddp entre os extremos do condutor móvel, que atravessa o campo magnético uniforme B. A corrente elétrica que surge recebe o nome de corrente elétrica induzida.
Abaixo podemos descobrir como obter o valor dessa força eletromotriz.
a diferença de potencial (U) é dada por:
Na situação de equilíbrio, temos:
Onde d é o comprimento do fio.
TRANSFORMADORES
Transformadores são equipamentos utilizados na transformação de valores de tensão e corrente, além de serem usados na modificação de impedâncias em circuitos elétricos.
É importante, tanto para a segurança quanto para o bom funcionamento (eficiência) dos aparelhos elétricos, que a tensão que sai da usina geradora de energia elétrica e a tensão que chega até as residências sejam relativamente baixas.
Entretanto, por outro lado, quando se transmite energia da usina até as casas, indústrias, etc., é preferível que se trabalhe com uma corrente elétrica muito baixa, mas para que a corrente seja relativamente baixa a tensão produzida deve ser bastante alta. Para que se eleve a tensão são utilizados os transformadores.
Os transformadores são dispositivos que funcionam através da indução de corrente de acordo com os princípios do eletromagnetismo, ou seja, ele funciona baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday-Neumann-Lenz e da Lei de Lenz, onde se afirma que é possível criar uma corrente elétrica em um circuito uma vez que esse seja submetido a um campo magnético variável, e é por necessitar dessa variação no fluxo magnético que os transformadores só funcionam em corrente alternada.
Como mostra a figura abaixo, o transformador é formado basicamente por duas bobinas com diferentes números de espiras, enroladas em um mesmo núcleo de ferro. O enrolamento primário está ligado a um gerador de corrente alternada e o enrolamento secundário está ligado a uma resistência.
Disponível em: https://www.electronica-pt.com/imagens/transformador.jpg
FUNCIONAMENTO DE UM TRANSFORMADOR
Um transformador funciona do seguinte modo: ao aplicar uma tensão alternada no enrolamento primário surgirá uma corrente, também alternada, que percorrerá todo o enrolamento. Através dessa corrente estabelece-se um campo magnético no núcleo de ferro, esse por sua vez sofre várias flutuações e, consequentemente, surge um fluxo magnético que é induzido na bobina secundária.
A tensão de entrada e de saída são proporcionais ao número de espiras em cada bobina.
Sendo:
Onde:
UP é a tensão no primário;
US é a tensão no secundário;
NP é o número de espiras do primário;
NS é o número de espiras do secundário.
Por esta proporcionalidade, podemos concluir que um transformador reduz a tensão se o número de espiras do secundário for menor que o número de espiras do primário e vice-versa.
Se formos considerar que toda a energia é conservada, a potência no primário deverá ser exatamente igual à potência no secundário, assim:
