Indução eletromagnética

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A indução electromagnética é o fenômeno que origina a produção de uma força electromotriz (f.e.m. ou tensão) num meio ou corpo exposto a um campo magnético variável, ou bem num meio móvel exposto a um campo magnético estático. É assim que, quando o dito corpo é um condutor, produz-se uma corrente induzida. Este fenómeno foi descoberto por Michael Faraday que o expressou indicando que a magnitude da tensão induzida é proporcional à variação do fluxo magnético (Lei de Faraday).

Por outro lado, Heinrich Lenz comprovou que a corrente devida à f.e.m. induzida se opõe à mudança de fluxo magnético, de tal forma que a corrente tende a manter o fluxo. Isto é válido tanto para o caso em que a intensidade do fluxo varie, ou que o corpo condutor se mova em relação a ele.

Indução electromagnética é o princípio fundamental sobre o qual operam transformadores, geradores, motores elétricos e a maioria das demais máquinas eléctricas.

Independentemente do tipo de combustível ou fonte de energia usada para gerar energia elétrica, em quase todos os casos é gerada energia mecânica de rotação que é logo usada para gerar eletricidade.

Um exemplo é a energia eólica, uma das fontes de energia renováveis que estão a ser utilizadas para reduzir a contaminação produzida pelos combustíveis fósseis. Portugal é um dos países em que a energia eólica corresponde a uma percentagem mais elevada da energia elétrica total, com aproximadamente 9%.[1]

O princípio que permite transformar a energia mecânica de rotação em eletricidade é a indução eletromagnética.

História[editar | editar código-fonte]

Do ponto de vista da evolução da ciência, os trabalhos de Faraday sobre indução eletromagnética, em conjunto com a experiência de Ørsted (físico dinamarquês), conduziram à unificação dos fenómenos elétricos e magnéticos, ou seja, ao eletromagnetismo[2].

Diagrama do experimento realizado por Michael Faraday. A variação do fluxo magnético na bobina da esquerda induz uma corrente elétrica na bobina da direita.

A indução eletromagnética foi descoberta pelo cientista britânico Michael Faraday em 1831[3][4] e de forma independente pelo cientista estadunidense Joseph Henry entre 1831 e 1832. Na primeira demonstração de seu experimento, Faraday envolveu duas regiões opostas de um anel de ferro com fios condutores. Baseando-se em seu entendimento de eletroímãs, ele esperava que, quando a corrente elétrica fluísse em um dos fios, uma espécie de onda viajaria pelo anel de modo a causar um efeito elétrico no lado oposto. Então, ele conectou um fio a uma bateria e o outro a um galvanômetro. Tanto após conectar ou desconectar os fios, ele viu uma corrente transiente, a qual nomeou "onda de eletricidade".[5] A indução se deu devido a uma alteração no fluxo magnético quando a bateria era conectada e desconectada. Nos próximos dois meses, Faraday descobriu diversas outras manifestações da indução eletromagnética. Por exemplo, ele percebia correntes transientes quando aproximava e afastava rapidamente um imã de uma bobina; ele também descobriu que poderia gerar uma corrente contínua estável ao girar um disco de cobre perto de um imã.(Disco de Faraday).

Disco de Faraday básico.

Faraday explicou a indução eletromagnética através do conceito de linhas de força. Contudo, suas ideias foram rejeitadas pela comunidade científica da época devido principalmente à falta de formalização matemática destas.[6]Uma exceção foi James Clerk Maxwell, que utilizou das ideias de Faraday como base para sua teoria eletromagnética.[6] No modelo de Maxwell, o aspecto variante da indução eletromagnética ao decorrer do tempo é exprimido por uma equação diferencial - chamada por Oliver Heaviside de Lei de Faraday - apesar ser formulada um pouco diferente da ideia original de Faraday. A versão da lei formulada por Heaviside é a atualmente reconhecida no grupo das equações de Maxwell.

Campo elétrico induzido[editar | editar código-fonte]

Consideremos uma barra condutora em movimento dentro de um campo magnético uniforme, , como se mostra na figura abaixo. Sobre cada partícula com carga dentro do condutor atua uma força magnética:

Barra condutora em movimento, dentro de um campo magnético. A força magnética faz acumular cargas opostas nos extremos da barra.

Essa força magnética faz deslocar as cargas de condução no condutor; na situação da figura acima, ficará um excesso de cargas negativas no extremo inferior da barra, e um excesso de cargas positivas no extremo superior, independentemente do sinal das cargas de condução.[1]

Mas se analisarmos o problema do ponto de vista do referencial S', que se desloca com o condutor, nesse referencial o condutor está em repouso e, portanto, não existe nenhuma força magnética sobre as cargas. Como se explica acumulação de cargas nos dois extremos da barra?

O problema está em que a velocidade é uma grandeza relativa, diferente em diferentes referenciais; isso implica que, para que a equação acima seja correta, é preciso alguma condição adicional que defina exclua todos os referenciais, excepto um onde a equação é válida. A segunda lei de Newton implica que as força deve ser invariante, devido a que a aceleração e a massa são invariantes.

O problema resolve-se admitindo que os campos elétrico e magnético não são invariantes. Dois observadores em dois referenciais diferentes observam diferentes valores para os campos elétrico e magnético, mas observam a mesma força eletromagnética:

Campo elétrico induzido pelo movimento dentro do campo magnético.

A força eletromagnética é invariante. A primeira equação é válida unicamente num referencial em que o campo elétrico seja nulo. No referencial que se desloca com a barra na figura, deverá aparecer um campo elétrico induzido:

que produz uma força elétrica igual à força magnética observada no referencial em que a barra se desloca com velocidade relativa .(figura ao lado)

É como se existisse uma , no condutor, igual à diferença de potencial entre os extremos.[1]

Se o comprimento da barra for , a f.e.m. induzida será:[1]

Experiências e análises[editar | editar código-fonte]

Experiências[editar | editar código-fonte]

Por exemplo, aproximando e afastando um íman de uma bobina de fio de cobre, ligada a um galvanómetro (aparelho que detecta uma corrente elétrica, com base nos fenómenos eletromagnéticos), observa-se a produção de corrente elétrica, ora num sentido, ora noutro, consoante a aproximação ou afastamento do íman.[2]Verifica-se, portanto, que:

  • Só se produz corrente elétrica quando o íman se movimenta em relação à bobina de fio de cobre, ou quando a bobina se movimenta em relação ao íman;
  • A intensidade da corrente aumenta com a rapidez do movimento do íman em relação à bobina e vice-versa. Depende também do número de espiras e da intensidade da força magnética do íman;
  • O sentido da corrente não é o mesmo.

A este fenómeno, que tem muitas aplicações úteis, chama-se indução eletromagnética e à corrente elétrica produzida por indução, dá-se o nome de corrente elétrica induzida. Ao íman chama-se indutor e à bobina, chama-se induzido.[2]

Análises[editar | editar código-fonte]

Analisando as experiências feitas, Faraday verificou que surgia uma corrente induzida sempre que havia variação de uma grandeza associada ao campo magnético - o fluxo magnético. [2]

Aplicações[editar | editar código-fonte]

As ondas eletromagnéticas associadas à propagação de um campo magnético variável, estão na base do funcionamento da rádio, da televisão, das comunicações por satélite, etc.[2]

Referências

  1. a b c d Villate, Jaime E. Eletricidade e Magnetismo. Porto: [s.n.] p. 22. ISBN 978-972-99396-2-4 
  2. a b c d e Maciel, Noemia (2012). Física, 12 Classe. Luanda: Porto Editora. ISBN 978-972-0-08020-2 
  3. «Joseph Henry». Smithsonian Institution Archives. Consultado em 13 de agosto de 2018. 
  4. Errede, Steven (2007). «"A Brief History of Electromagnetism"» (PDF). Universidade de Illinois. Consultado em 13 de agosto de 2018. 
  5. Williams, L. Pearce. Michael Faraday. [S.l.: s.n.] pp. pp. 182–183 
  6. a b Williams, L. Pearce. Michael Faraday. [S.l.: s.n.] pp. p. 510 

Ver também[editar | editar código-fonte]