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Figura 75-01
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Figura 75-02
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Figura 75-03
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Figura 75-04

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Figura 75-05
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Figura 75-06
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Figura 75-07
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Figura 75-08
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Figura 75-09
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Figura 75-10
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Figura 75-11

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Figura 75-12

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    Pela eq. 75-10 e em referência à álgebra vetorial, percebemos que isso lembra um produto escalar de vetores, onde A • B = A B cos θ.

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  Figura 75-13

    Aqui vamos definir o vetor área representado por A como sendo um vetor perpendicular à área da espira e com módulo igual à área A da mesma. E esse vetor tem por unidade o m2. A Figura 75-13 mostra o vetor área para uma espira circular de área A.

    Então, podemos definir o fluxo magnético como um produto escalar dado por:

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    Este é o caso para quando temos um campo magnético constante, ou seja, em qualquer ponto considerado o campo é o mesmo. Porém, se estivermos na presença de um campo magnético não-uniforme não podemos usar a equação acima para calcular o fluxo magnético. Neste caso, devemos apelar para o cálculo integral e tomar pequenas áreas dentro da área total da espira. Calculando o fluxo em cada pequena área e somando tudo, devemos encontrar o fluxo na espira. Como o somatório pode se tornar complicado, apelamos para a integral, conforme mostra a eq. 75-11.

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    eq.   75-11

    7.   A Lei de Lenz

    Até aqui estudamos a descoberta de Faraday onde a corrente pode ser induzida em um fio condutor ou espira condutora desde que haja uma variação do fluxo magnético através dos mesmos. A maneira como se faz variar o fluxo não importa. Essa descoberta de Faraday levou outro físico, o alemão Heirich Lenz, a se interessar pelo assunto. Então, após estudar e realizar diversas experiências Lenz enunciou uma regra para determinar o sentido da corrente induzida. Hoje conhecemos essa regra como a lei de Lenz. Podemos expressar essa lei da seguinte maneira:

    “ Existirá uma corrente induzida em uma espira condutora fechada se, e somente se, o fluxo magnético através da mesma estiver variando. O sentido da corrente induzida é tal que o campo magnético induzido se opõe à variação do fluxo. ”

    Para entendermos como isso funciona, vamos observar a Figura 75-14, onde temos a representação de um solenóide com seus respectivos terminais conectados a um galvanômetro. O galvanômetro é um instrumento que permite medir o módulo e sentido da corrente elétrica. Há dois terminais: um marcado como positivo e outro marcado como negativo. Se a corrente entra pelo terminal marcado positivo (seta vermelha), a agulha do galvanômetro deflexionará para a direita, conforme mostra a figura abaixo. Caso contrário, isto é, se a corrente entra pelo terminal marcado negativo (seta azul), a agulha do galvanômetro deflexionará para a esquerda. Se não houver corrente circulando pelo galvanômetro, então a agulha permanecerá em repouso no centro do visor (marca "zero").

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Figura 75-14

    Nesta apresentação vamos usar o movimento de um ímã permanente para causarmos a variação do fluxo magnético através do solenóide. Antes, devemos entender que um solenóide representa um indutor. Assim, se introduzirmos o ímã dentro do solenóide, isto ocasionará um aumento do fluxo magnético no solenóide. A reação do solenóide é não permitir que haja um aumento do fluxo. Para tanto, ele vai gerar um fluxo contrário ao do ímã. Como consequência, usando a regra da mão direita, o polegar deve apontar para a esquerda da figura. Com os demais dedos da mão, envolvemos o solenóide e determinamos que a corrente deve entrar no terminal positivo do galvanômetro, indicado pela seta vermelha no desenho. Isto fará com que a agulha do instrumento deflexione para a direita. Se cessarmos o movimento do ímã, instantaneamente a corrente cai a zero e a agulha retorna ao repouso no centro do instrumento. A partir deste momento, vamos supor que tomemos a decisão de retirar o ímã de dentro do solenóide. Neste caso, ele vai interpretar que o fluxo magnético está diminuindo. Logo, ele irá se opor a isso gerando um fluxo contrário, ou seja, apontando para a direita da figura a fim de reforçar o fluxo. Sabendo disso e usando a regra da mão direita, determinamos que a corrente, nesta situação, deve entrar pelo terminal negativo do galvanômetro, indicado pela seta azul no desenho. Isto fará com que a agulha do instrumento deflexione para a esquerda.

    Uma outra forma de ver o mesmo problema é através da Figura 75-14a.

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Figura 75-14a

    Em outras palavras, o indutor (ou solenóide) é sempre o do "contra". Ou seja, se quisermos aumentar o fluxo, ele fará de tudo para reduzí-lo. Se, por outro lado, quisermos diminuir o fluxo, ele vai tentar aumentar o fluxo. E ele consegue esse objetivo, gerando uma corrente com o sentido adequado. É isso que está escrito na lei de Lenz, quando diz "se opõe à variação do fluxo".

    Deve ficar claro que para haver corrente elétrica induzida devemos ter uma variação do fluxo magnético. Para tal, podemos enumerar três situações:

  • O campo magnético através da espira varia (aumenta ou diminui).
  • A espira varia em área ou em ângulo de inclinação.
  • A espira se move para dentro ou para fora de um campo magnético.

    Então, deve ter ficado bem claro que uma corrente induzida gera seu próprio campo magnético.


    8.   A Lei de Indução de Faraday

    Até aqui vimos que Faraday descobriu que uma corrente elétrica será induzida em uma espira condutora sempre que houver uma variação do fluxo magnético sobre ela. E a lei de Lenz permite que possamos determinar o sentido da corrente elétrica induzida. Como as cargas não entram em movimento de maneira espontânea, é necessário uma fem que forneça energia.

    Portanto, podemos resumir que a fem induzida é a taxa de variação do fluxo através da espira. Desta forma, podemos expressar o valor do módulo da fem induzida na espira como

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    eq.   75-12
    Onde representamos a fem induzida pela letra grega "epsilon", ε . E para calcularmos a fem induzida em uma bobina com N espiras que esteja sob a influência de um fluxo magnético variável, temos
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    eq.   75-13

    Conforme vimos no item 4, estudamos o caso de um fio condutor se deslocando através de um campo magnético sobre um trilho condutor em forma de U. Repetimos a figura aqui, com pequenas alterações conforme é mostrada na Figura 75-15.

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Figura 75-15

    Observe que o campo magnético é perpendicular ao plano da espira condutora, portanto concluímos que o ângulo θ = 0°. Em consequência, o fluxo magnético reduz-se ao produto entre a área, A, da espira e o campo magnético, B. Considerando que o fio deslizante esteja a uma distância x da extremidade, a área é A = x L e o fluxo nesse instante de tempo é dado por

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    eq.   75-14

    A medida que o fio desliza sobre o trilho, para a direita, sua área A está aumentando e, por consequência, o fluxo através da espira também está aumentando. Então, de acordo com a lei de Faraday, derivando o fluxo através da espira, em relação ao tempo, a fem induzida é

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    eq.   75-15

    Onde a velocidade do fio é v = dx/dt. Fazendo uso da eq. 75-15 e aplicando a lei de Ohm ao circuito, estabelecemos a equação que determina a corrente induzida no fio, ou

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    eq.   75-16

    Neste exemplo que usamos para desenvolver essa teoria, lembramos que assumimos que o fio deslizava para a direita, aumentando a área da espira e, por consequência, aumentando o fluxo magnético através dela. Pela lei de Lenz, se o fluxo está aumentando, então a corrente induzida no fio deve se opor a esse crescimento. Ou seja, deve ser gerado um fluxo contrário pela espira para que haja uma redução no fluxo total que atravessa a espira. Para tal, devemos ter a corrente elétrica induzida fluindo no sentido anti-horário.

    Resumindo, Faraday percebeu que todas as correntes induzidas estão associadas a variações do fluxo magnético. Há duas maneiras diferentes e fundamentais de se variar o fluxo magnético através de uma espira condutora:

  • A espira pode se mover, expandir ou girar, criando uma fem de movimento.
  • O campo magnético pode variar.

    Estas duas situações podem ser melhor compreendidas se escrevermos a lei de Faraday da seguinte maneira:

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    eq.   75-17

    O primeiro termo do lado direito da igualdade representa a fem devido a variação de posição da própria espira, fazendo com que haja uma variação no fluxo magnético através dela. Esse termo inclui situações como a do circuito com um fio condutor deslizante, onde a área A varia, bem como, o caso de espiras que giram em presença de um campo magnético. A área física de uma espira que gira não varia, mas o vetor A , sim. Esse movimento da espira faz com que forças magnéticas atuem sobre os portadores de carga da espira.

    A segunda parcela do lado direito da igualdade representa a variação do campo magnético, mesmo que nada esteja em movimento. Ou seja, a taxa de variação do fluxo magnético através da espira, independentemente do que cause a variação do fluxo, gera uma fem induzida na espira.


    9.   Indutância

    É uma grandeza que associada a um indutor dado, caracteriza a sua maior ou menor capacidade de produção de fluxo para uma determinada corrente. Já sabemos que para se criar uma força eletromotriz induzida num condutor é necessário que o mesmo esteja submetido a um campo magnético variável. Como vemos a indutância de um corpo é uma propriedade que só se manifesta quando a corrente que passa pelo corpo varia de valor, o que produz um campo magnético variável, ao qual está submetido o próprio corpo ou outro condutor.

    Quando o corpo induz em si mesmo uma força eletromotriz, chamamos o fenômeno de auto-indução e dizemos que o corpo apresenta auto-indutância. A força eletromotriz induzida, nesse caso, é conhecida como força eletromotriz de auto-indução ou força contra-eletromotriz. O outro caso de indutância é conhecido como indutância mútua e o fenômeno é conhecido como indução mútua. Sempre que dois condutores são colocados um próximo do outro, mas sem ligação entre eles, há o aparecimento de uma tensão induzida num deles quando a corrente que passa pelo outro é variável.