Física · 9.ª–12.ª classe

O que é a indução eletromagnética?

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  • 4 exemplos resolvidos
  • 5 exercícios com solução
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Resposta curta

A indução eletromagnética é a produção de uma força eletromotriz (tensão) e, num circuito fechado, de uma corrente elétrica, sempre que o fluxo magnético que atravessa o circuito varia no tempo. A lei de Faraday dá o valor: ε = N × ΔΦ ÷ Δt, e a lei de Lenz diz que a corrente induzida se opõe à variação que a originou.

Definição e características

Em 1831, Michael Faraday mostrou que um campo magnético que varia consegue gerar eletricidade. Um campo magnético constante e parado não produz nada: o que conta é a variação do fluxo.

Fluxo magnético

O fluxo magnético Φ mede quanto campo atravessa uma superfície. Para uma espira plana de área A num campo uniforme B:

Fluxo e lei de Faraday

Φ = B × A × cos θ (unidade: weber, Wb; 1 Wb = 1 T·m2) ε = N × ΔΦ ÷ Δt (valor médio da f.e.m. induzida, em volt)

  • B é o campo (T), A a área (m2) e θ o ângulo entre B e a normal à superfície.
  • Fluxo máximo quando B é perpendicular à espira (θ = 0°); fluxo nulo quando B é paralelo ao plano da espira (θ = 90°).
  • N é o número de espiras da bobina; ΔΦ a variação de fluxo e Δt o intervalo de tempo.

As formas de fazer variar o fluxo

  1. Mover um íman em relação a uma bobina (aproximar ou afastar).
  2. Variar o campo, por exemplo ligando e desligando outra bobina ou mudando a corrente que a percorre.
  3. Mudar a área da espira (esticar ou comprimir o circuito).
  4. Rodar a espira no campo, mudando θ: é o que se faz num gerador.

Lei de Lenz

O sentido da corrente induzida é tal que o campo magnético que ela cria se opõe à variação de fluxo que a provocou. Se o fluxo aumenta, o campo induzido aponta no sentido contrário ao do campo exterior; se o fluxo diminui, aponta no mesmo sentido. Isto é uma consequência da conservação da energia: se fosse ao contrário, a corrente reforçaria a causa e criaria energia do nada.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1 — Calcular o fluxo

Enunciado: Uma espira de área 0,050 m2 está num campo uniforme de 0,40 T. Calcule o fluxo quando o campo é perpendicular à espira e quando a normal faz 60° com o campo.

Resolução:

  1. Fluxo máximo (θ = 0°): Φ = B × A × cos 0° = 0,40 × 0,050 × 1 = 0,020 Wb.
  2. Com θ = 60°: cos 60° = 0,5, logo Φ = 0,020 × 0,5 = 0,010 Wb.

Resposta: Φ = 0,020 Wb e, a 60°, Φ = 0,010 Wb. Verificação: a 90° o fluxo seria nulo (cos 90° = 0).

Exemplo 2 — F.e.m. numa bobina

Enunciado: O fluxo que atravessa uma bobina de 200 espiras passa de 5,0 × 10-3 Wb a zero em 0,10 s. Calcule a f.e.m. média induzida.

Resolução:

  1. |ΔΦ| = 5,0 × 10-3 − 0 = 5,0 × 10-3 Wb.
  2. ε = N × ΔΦ ÷ Δt = 200 × 5,0 × 10-3 ÷ 0,10.
  3. 200 × 5,0 × 10-3 = 1,0, e 1,0 ÷ 0,10 = 10.

Resposta: ε = 10 V. Verificação: com uma só espira seria 0,050 V; as 200 espiras multiplicam por 200.

Exemplo 3 — Lei de Lenz

Enunciado: O polo norte de um íman aproxima-se de uma bobina, de frente para uma das suas faces. Qual é o sentido da corrente induzida (visto do lado do íman) e o que acontece quando o íman se afasta?

Resolução:

  1. Ao aproximar o polo norte, o fluxo na bobina aumenta.
  2. Pela lei de Lenz, a bobina opõe-se a esse aumento: a face voltada para o íman torna-se um polo norte, que repele o íman.
  3. Para uma face funcionar como norte, a corrente tem de circular no sentido anti-horário, visto do lado do íman.
  4. Quando o íman se afasta, o fluxo diminui; a face passa a ser polo sul, que atrai o íman e se opõe ao afastamento, com corrente no sentido horário.

Resposta: aproximando: anti-horário; afastando: horário (vistos do lado do íman). Verificação: nos dois casos, a força sentida pelo íman opõe-se ao seu movimento; por isso é preciso realizar trabalho, que se converte em energia elétrica.

Exemplo 4 — Nível de exame: o transformador de um carregador

Enunciado: O primário de um transformador tem 1 100 espiras e está ligado à rede de 220 V (corrente alternada). O secundário tem 60 espiras. Calcule a tensão no secundário e, se o transformador for ideal e o secundário fornecer 2,0 A, a corrente no primário.

Resolução:

  1. Vs ÷ Vp = Ns ÷ Np, logo Vs = 220 × 60 ÷ 1 100.
  2. 220 × 60 = 13 200 e 13 200 ÷ 1 100 = 12 V.
  3. Potência no secundário: Ps = 12 × 2,0 = 24 W.
  4. Transformador ideal: Pp = Ps = 24 W, logo Ip = 24 ÷ 220 ≈ 0,11 A.

Resposta: Vs = 12 V e Ip ≈ 0,11 A. Verificação: a tensão baixa 18,3 vezes (220 ÷ 12) e a corrente sobe na mesma proporção (0,11 × 18,3 ≈ 2,0 A).

Importância e aplicações

  • Geradores e centrais elétricas: nas centrais hidroelétricas, como a de Capanda, no rio Kwanza, a água faz rodar turbinas ligadas a geradores. Dentro deles, bobinas rodam num campo magnético, o fluxo varia e surge a f.e.m.
  • Transformadores: só funcionam com corrente alternada, porque precisam de fluxo variável; permitem subir a tensão para transportar a energia com menos perdas e baixá-la para uso doméstico.
  • Carregadores de telemóvel e de computador: reduzem os 220 V da rede a poucos volts.
  • Fogões de indução: o campo variável induz correntes no fundo metálico do tacho.
  • Microfones, dínamos de bicicleta e leitores de cartões magnéticos.

Erros frequentes

  • Confundir campo com fluxo. Φ depende de B, de A e do ângulo; um campo forte pode dar fluxo nulo se for paralelo à espira.
  • Pensar que o campo constante induz corrente. Só a variação do fluxo induz; um íman parado dentro da bobina não produz f.e.m.
  • Esquecer o número de espiras N ao calcular a f.e.m. de uma bobina.
  • Dizer que a corrente induzida se opõe ao campo. Opõe-se à variação do fluxo, o que pode implicar reforçar o campo (quando o fluxo diminui).
  • Usar o ângulo com o plano da espira em vez do ângulo com a normal.
  • Ligar um transformador a corrente contínua. Sem fluxo variável, o secundário não recebe tensão e o primário pode aquecer.

Exercícios propostos

Tente resolver primeiro no caderno; depois confira.

1Exercício 1

Uma espira de área 0,040 m2 está num campo uniforme de 0,25 T, perpendicular ao plano da espira. Calcule o fluxo magnético.

Ver solução

Φ = B × A × cos 0° = 0,25 × 0,040 × 1 = 0,010 Wb (1,0 × 10-2 Wb).

2Exercício 2

O fluxo através de uma bobina de 50 espiras varia 4,0 × 10-3 Wb em 0,020 s. Calcule a f.e.m. média induzida.

Ver dica

Use ε = N × ΔΦ ÷ Δt.

Ver solução

ΔΦ ÷ Δt = 4,0 × 10-3 ÷ 0,020 = 0,20 Wb/s. ε = 50 × 0,20 = 10 V.

3Exercício 3

Uma barra condutora de 0,50 m de comprimento desloca-se a 3,0 m/s, perpendicularmente a um campo uniforme de 0,40 T, mantendo contacto com dois trilhos condutores. Calcule a f.e.m. induzida, sabendo que ε = B × L × v.

Ver solução

ε = B × L × v = 0,40 × 0,50 × 3,0 = 0,60 V.

4Exercício 4

Um transformador ideal tem 1 000 espiras no primário, ligado a 220 V. Quantas espiras deve ter o secundário para fornecer 11 V?

Ver solução

Ns ÷ Np = Vs ÷ Vp, logo Ns = 1 000 × 11 ÷ 220 = 11 000 ÷ 220 = 50 espiras.

5Exercício 5

Porque é que um transformador não funciona ligado a uma pilha? E o que acontece se se afastar um íman de uma bobina, comparando o sentido da corrente com o de quando se aproxima?

Ver solução

A pilha dá corrente contínua e constante; o fluxo no núcleo não varia, logo não há f.e.m. induzida no secundário. Quanto ao íman, ao afastá-lo o fluxo diminui e a corrente induzida tem sentido contrário ao da aproximação, de modo a opor-se à diminuição (lei de Lenz).

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre indução eletromagnética e campo magnético?

O campo magnético é a grandeza (B) que existe à volta de ímanes e correntes. A indução eletromagnética é o fenómeno em que a variação do fluxo desse campo gera f.e.m. e corrente num circuito.

Onde se aplica a indução eletromagnética na prática?

Em geradores de eletricidade, transformadores, carregadores, fogões de indução e dínamos. É o princípio de funcionamento de praticamente toda a produção de energia elétrica das centrais.

O sinal negativo da lei de Faraday serve para quê?

Traduz a lei de Lenz: a f.e.m. induzida tem sentido tal que se opõe à variação do fluxo. Nos exercícios de valor numérico costuma calcular-se apenas o módulo.

Que erros os estudantes cometem sobre a indução eletromagnética?

Pensar que um campo constante induz corrente, esquecer o número de espiras e confundir fluxo com campo. Veja a secção «Erros frequentes».

Resumo

  • Indução eletromagnética: uma f.e.m. surge num circuito quando o fluxo magnético que o atravessa varia.
  • Φ = B × A × cos θ (weber) e ε = N × ΔΦ ÷ Δt (lei de Faraday).
  • Lei de Lenz: a corrente induzida opõe-se à variação do fluxo; é a conservação de energia.
  • Sem variação de fluxo não há f.e.m., mesmo que o campo seja forte.
  • Transformador: Vs ÷ Vp = Ns ÷ Np; funciona só com corrente alternada.
  • Os geradores das centrais elétricas baseiam-se neste fenómeno.

Onde aprofundar

  • O manual de Física da sua classe e o programa oficial (INIDE / Ministério da Educação de Angola), na secção de Magnetismo e eletromagnetismo; confirme a edição em vigor.
  • O manual aberto OpenStax Physics (em inglês), capítulos sobre indução eletromagnética.
  • O Sistema Internacional de Unidades, descrito pelo BIPM.

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