Exercícios sobre indução eletromagnética em Física

A experiência de Oersted

O físico Hans Christian Oersted demonstrou experimentalmente, em 1820, que um fio condutor com corrente elétrica criava um campo magnético a sua volta que provocava o desvio em uma bússola colocada em sua proximidade. Foi um grande passo para mostrar que fenômenos elétricos e magnéticos estavam ligados.

Figura 01 – Experiência de Oersted (chave aberta)

Ao fechar a chave, a bússola muda de posição

Figura 02 – Experiência de Oersted (chave fechada)

A importância dessa experiência é mostrar que cargas elétricas em movimento provocam campo magnético nas proximidades do espaço em volta desse movimento.

Cerca de 12 anos depois o físico Michael Faraday conseguiu provar o caminho inverso, isto é, campos magnéticos variáveis produzem corrente elétrica. Esse princípio é chamado de indução eletromagnética e é o princípio de funcionamento do gerador mecânico de energia elétrica.

Para se conseguir corrente elétrica é preciso variar o campo magnético em uma região delimitada por fios condutores. Imagine a seguinte situação:

Um copo colocado embaixo de um chuveiro.Coloca-se o copo primeiro de lado e depois vai virando-se o copo até ficar direito.

Figura 03 – Copo embaixo do chuveiro

É fácil perceber que na primeira situação não vai entra água no copo, enquanto que na segunda situação teremos muita água entrando no copo. Podemos dizer que o fluxo de água pela área de entrada do copo é zero na primeira situação e máximo na segunda. Assim, à medida que o copo vai sendo girado o fluxo vai aumentando.

Para o fluxo magnético a analogia é igual. No lugar da água, pense em um campo magnético uniforme de módulo B. No lugar do copo pense em um aro circular de área A.

Figura 04 – Fluxo magnético

Isso quer dizer que se modificando a posição do aro (espira), teremos um fluxo magnético (φ) através da área A que será dado por

φ = B.A.cos(θ)

φ = B.A na situação de máximo fluxo (cosθ = 1)

É importante perceber que aparecerá uma corrente elétrica induzida na espira devido a essa variação do campo magnético. Há outras formas de produzir essa variação e criar corrente elétrica. Modificando o campo magnético. Por exemplo aumentando o número de linhas de campo.

Figura 05 – Aumento de fluxo de linhas de campo

Movimentar a espira através do campo.

Figura 06 - Movimentação de espira no campo magnético

Pela variação na área. Por exemplo, modificando a área da espira.

Figura 07 – Modificação na área da espira

Para calcular o módulo da força eletromotriz induzida () por essas variações devemos dividir a variação do fluxo pelo intervalo de tempo dessa variação.

ε = -∆φ/∆t

|ε| = ∆φ/∆t

Lei de Faraday-Neumann

Obs.: O sinal negativo aparece na fórmula anterior porque a corrente induzida aparece no sentido que produz um fluxo contrário à variação do fluxo indutor. É a chamada Lei de Lenz.

Dica: É importante perceber que: 

• cargas elétricas em movimento produzem campo magnético;
• campos magnéticos variáveis podem produzir corrente elétrica.

Os transformadores de tensão, chamados normalmente de transformadores, são dispositivos capazes de aumentar ou reduzir valores de tensão. Um transformador é constituído por um núcleo, feito de um material altamente imantável, e duas bobinas com número diferente de espiras isoladas entre si, chamadas primário (bobina que recebe a tensão da rede) e secundário (bobina em que sai a tensão transformada).

O seu funcionamento é baseado na criação de uma corrente induzida no secundário, a partir da variação de fluxo gerada pelo primário. A tensão de entrada e de saída são proporcionais ao número de espiras em cada bobina. Sendo:

U_p/U_s = N_p/N_s

Onde:

• U_P é a tensão no primário;
• U_S é a tensão no secundário;
• N_P é o número de espiras do primário;
• N_S é o número de espiras do secundário.