Como fazemos eletricidade?
Ligue o interruptor de luz. A luz acendeu? Claro que sim! Parece mágica, mas você já parou para pensar exatamente como a eletricidade que alimenta suas luzes e outros aparelhos é gerada? É um processo muito interessante que requer ímãs e movimento.
Cerca de 200 anos atrás, um cientista inglês chamado Michael Faraday desenvolveu pela primeira vez um método de produção de eletricidade que utiliza ímãs, um processo chamado indução eletromagnética . Hoje, ainda geramos eletricidade da mesma maneira. A Lei de Faraday diz que a taxa de variação do fluxo magnético através de um condutor será igual à fem induzida, e a Lei de Lenz pode ser usada para determinar a direção da fem induzida.
Fluxo magnético
Faraday descobriu que mudar a quantidade de campo magnético que passa por uma bobina de fio, uma quantidade chamada fluxo magnético , induziria uma corrente no fio. Então, o que exatamente é fluxo magnético? Todos os ímãs criam um campo magnético invisível ao seu redor, e a quantidade desse campo que passa pelo centro de uma bobina de fio é o fluxo magnético através da bobina. A palavra ‘fluxo’ é derivada de uma palavra latina que significa ‘fluxo’, então pense em fluxo magnético como a quantidade de campo magnético que flui através da área formada pela bobina de fio, assim como a água pode fluir em um tubo.
O fluxo magnético pode mudar se o campo magnético mudar ou se a bobina girar e, em ambos os casos, essa mudança no fluxo magnético irá induzir uma corrente no fio. Esta equação mostra como calcular o fluxo magnético, que é medido em unidades de Webers, abreviado Wb.
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Lei de Faraday
Lei de Faraday descreve a relação entre a diferença de potencial entre as extremidades do fio, também conhecido como o EMF (que significa E lectro M Otive F orce), e a taxa de variação do fluxo magnético através da bobina. Essa tensão induzida fará com que a corrente flua no fio, mas lembre-se de que isso só acontecerá se houver uma mudança no fluxo magnético! Não é suficiente simplesmente ter um fio em um campo magnético, mas o campo deve estar mudando de alguma forma.
Lembre-se de que antes de poder calcular a fem induzida usando a Lei de Faraday, você primeiro terá que calcular o fluxo magnético usando nossa primeira equação.
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Como pode o fluxo magnético mudar? Bem, existem algumas maneiras pelas quais isso pode acontecer. Primeiro, você pode mover o fio. A voltagem induzida neste caso é chamada de fem motora porque é causada pela movimentação de um fio através de um campo magnético. Em segundo lugar, você pode tornar o loop maior ou menor e, portanto, alterar a área. Você também pode girar o loop para que o campo magnético que passa por ele mude. É o que acontece em um gerador elétrico.
Lei de Lenz
Você notou que há um sinal negativo na Lei de Faraday? Você pode ter se perguntado o que isso significava. Inicialmente, na formulação original de Faraday, não havia sinal negativo. O sinal negativo informa em qual direção a fem será induzida e, portanto, em qual direção a corrente irá fluir. Faraday descobriu que uma mudança no fluxo magnético induzirá um fem e uma corrente em uma bobina de fio, mas foi preciso outro cientista, Heinrich Lenz, para descobrir em que direção isso aconteceria.
A Lei de Lenz diz que a corrente será induzida em uma bobina em uma direção para se opor a qualquer mudança no fluxo magnético através da bobina. Mais uma vez, a mudança é o elemento importante, e como a corrente é induzida para se opor a uma mudança, a fem induzida calculada usando a Lei de Faraday está sempre na direção oposta à mudança no fluxo magnético. É por isso que o sinal negativo foi adicionado. Mudança no fluxo magnético e fem induzida estão sempre em direções opostas.
Embora a Lei de Lenz não tenha uma equação associada a ela e seja apenas uma pequena parte da Lei de Faraday, é uma ferramenta poderosa que nos permite determinar em que direção a corrente será induzida. Mover um ímã para dentro ou para fora de uma bobina de fio induzirá uma corrente no fio, e a direção da corrente pode ser determinada pela Lei de Lenz.
Juntando tudo
Agora, vamos tentar colocar tudo isso junto e ver se você realmente entende como usar a Lei de Faraday e a Lei de Lenz.
Um loop circular de fio com uma área de 0,50 metros quadrados é colocado em um campo magnético de 6,2 T que aponta para cima através do loop. De repente, o campo magnético é removido e o campo magnético através do loop torna-se zero em um período de 0,10 segundos. Calcule a fem induzida na malha de arame e determine em que direção a corrente irá fluir (no sentido horário ou anti-horário).
Primeiro, determine se o fluxo magnético está mudando e, se estiver, calcule o fluxo no início e no final. Neste problema, o campo magnético é removido, então o fluxo está mudando. Vamos calcular o fluxo magnético no início:
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Quando aplicamos a Lei de Lenz, obtemos -31 V. Como estamos movendo o ímã para fora da bobina de fio e o campo magnético está apontando para cima, a corrente induzida será no sentido anti-horário.
Resumo da lição
O fluxo magnético quantifica a quantidade de campo magnético que passa por uma área. Quando o fluxo magnético através de uma alça de fio muda, ele induz corrente elétrica a fluir no fio, um fenômeno denominado indução eletromagnética . A corrente flui no fio devido a uma diferença de potencial induzida, conhecida como fem , entre as duas extremidades do fio.
A Lei de Faraday diz que uma fem será induzida sempre que o fluxo magnético mudar. Essa mudança pode vir do movimento do fio através de um campo magnético, e isso é chamado de fem motora . Também pode ser causado pela adição ou remoção de um campo magnético. A Lei de Lenz diz que a corrente será induzida em uma direção que se opõe a qualquer mudança no fluxo magnético através do loop.