Indução eletromagnética

1.   INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA www.fisicaatual.com.br

2. Faraday esperava que o campo magnético gerado pela corrente no fio da esquerda pudesse induzir o aparecimento de um campo magnético no fio da direita . Mas isso não aconteceu. O Amperímetro não indicou nenhuma corrente enquanto a chave permanecesse fechada. DESCOBERTA DE FARADAY Nenhuma corrente flui enquanto a chave estiver fechada. chave www.fisicaatual.com.br

3. Mas quando ele abriu o interruptor para cortar a corrente no circuito de esquerda, o medidor de repente, mudou-se, mostrando uma corrente momentânea no fio do lado direito Mas, quando ele abriu a chave para cortar a corrente no circuito da esquerda, o medidor mudou, mostrando uma corrente momentânea no fio do lado direito. ... aparece uma corrente momentânea. Abrindo a chave no circuito da esquerda... A corrente no circuito da direita rapidamente desapareceu. www.fisicaatual.com.br

4. Intrigado, ele fechou a chave novamente a nel de ferro C have amperímetro Fechando a chave no circuito da esquerda... ... aparece momentaneamente uma corrente no circuito da direita. Ao fechar a chave, ele notou que o medidor movia-se momentaneamente, mas em sentido contrário de quando a chave era aberta. Faraday descobriu que poderia induzir uma corrente no circuito da direita, mas isso só seria possível se o campo magnético através da bobina estivesse mudando. www.fisicaatual.com.br

5. Uma corrente induzida pode ser obtida de três maneiras: 1. Alterando a intensidade do campo magnético através de um circuito fechado. Isso é o que Faraday fez, abrindo e fechando o interruptor. Anel de ferro chave Circuito fechado com amperímetro. Devido a mudança na intensidade de corrente, o campo magnético está mudando. www.fisicaatual.com.br

6. 2. Alterando a orientação de um circuito num campo magnético uniforme: Girando a espira, o ângulo entre a normal ao circuito ( n ) e o campo magnético que atravessa o circuito ( B ), é alterado. www.fisicaatual.com.br

7. 3- Alterando a área do circuito atravessado pelo campo magnético uniforme: www.fisicaatual.com.br Trilho condutor fixo. Extremidade negativa do fio. Campo B uniforme entrando no plano i i ℓ Circuito mudando de área devido ao movimento do fio. Sentido da corrente convencional

8. - F M ℓ B entrando no plano. Os elétrons livres do fio que se movimenta no interior de um campo magnético externo, sofrem uma força para baixo: A força magnética irá causar uma separação de cargas no fio em movimento: F M - - - - - + + + + www.fisicaatual.com.br

9. Devido ao processo de separação de carga, é criado um campo elétrico ( E ). O campo elétrico exercerá nas carga negativas uma força elétrica de sentido contrário ao da força magnética: Elétrons irão se movimentar para baixo até que a força elétrica se iguale à força magnética. Enquanto o fio se mantiver em movimento, haverá uma separação de cargas. A força magnética mantém a separação de cargas. Reações químicas separam as cargas e causam uma diferença de potencial entre os polos de uma pilha. Existe força eletromotriz entre os polos da pilha. Quando um fio se movimenta no interior de um campo magnético, ele gera uma diferença de potencial entre as suas extremidades. Existe uma força eletromotriz induzida ( ɛ). F M - - - - - + + + + E F E Campo elétrico no interior da pilha. www.fisicaatual.com.br

10. FORÇA ELEMOTRIZ INDUZIDA ( ɛ) ℓ = comprimento do condutor dentro do campo magnético (metros); B = intensidade do campo magnético uniforme (tesla); V = velocidade de deslocamento (m/s); V perpendicular a B ; ɛ = força eletromotriz induzida (volts). www.fisicaatual.com.br

11. Podemos fazer uma comparação: B V F M www.fisicaatual.com.br Uma barra metálica sendo deslocada em um campo magnético é equivalente a uma pilha ou bateria

12. CORRENTE INDUZIDA Se o condutor se movimenta ao longo de fios condutores paralelos, que formem um circuito fechado, haverá um movimento contínuo de elétrons por esse circuito. A esse movimento contínuo de elétrons damos o nome de corrente elétrica induzida. Vista de Cima B V F M i - sentido convencional www.fisicaatual.com.br

13. A g randeza escalar que mede o número de linhas de indução que atravessam a área A de uma espira imersa num campo magnético uniforme é chamada fluxo magnético (  ) , sendo definida por: A = área em m 2 ; B = campo magnético em tesla ( T );  = fluxo magnético em weber ( Wb ) FLUXO MAGNÉTICO www.fisicaatual.com.br

14. Valores particulares do fluxo magnético: www.fisicaatual.com.br

15. Imã se aproxima ou se afasta do circuito. Haverá variação de fluxo. Haverá corrente induzida. Espira gira em torno de um eixo. Haverá variação de fluxo e haverá corrente induzida. Aumentamos ou diminuímos a área do circuito. Haverá variação de fluxo e haver corrente induzida. www.fisicaatual.com.br Variação do fluxo magnético:

16. A força eletromotriz induzida (fem) em um circuito fechado é determinada pela taxa de variação do fluxo magnético que atravessa o circuito: LEI DE FARADAY força eletromotriz induzida (volt) variação de fluxo magnético ( Wb ) intervalo de tempo (s) www.fisicaatual.com.br

17. amperímetro Corrente induzida induzido 1. O fluxo através da espira aumenta para baixo com a aproximação do ímã. 2. A espira precisa gerar um campo magnético para cima para haver uma oposição à mudança do fluxo. 3. De acordo com a regra da mão direita, deve ser gerada uma corrente induzida no sentido anti-horário para criar um campo para cima. LEI DE LENZ A corrente induzida em um circuito aparece sempre com um sentido tal que o campo magnético que ela cria tende a contrariar a variação de fluxo através do circuito. www.fisicaatual.com.br

18. Quando o polo norte do ímã é afastado da espira o fluxo magnético para cima diminui. Um campo magnético secundário tem que ser criado para estabelecer um fluxo magnético para cima que se oponha a diminuição do fluxo magnético criado pelo ímã. Uma corrente deverá percorrer a espira no sentido anti-horário para criar um fluxo magnético para cima. Se houver aumento do fluxo magnético, a corrente induzida irá criar um campo magnético com sentido oposto ao sentido do fluxo. Se houver diminuição do fluxo magnético, a corrente induzida irá criar um campo magnético com o mesmo sentido do fluxo. Quando o polo norte do ímã é aproximado da espira o fluxo magnético para cima aumenta. Um campo magnético secundário tem que ser criado para estabelecer um fluxo magnético para baixo que se oponha ao aumento do fluxo magnético criado pelo ímã. Uma corrente deverá percorrer a espira no sentido horário para criar um fluxo magnético para baixo.

19. GERADOR ELÉTRICO ENERGIA MECÃNICA ENERGIA ELÉTRICA ESPIRA ÍMÃ É mais prático induzir uma diferença de potencial e uma corrente movimentando uma bobina ao invés de um ímã. Isso pode ser conseguido girando uma bobina num campo magnético: www.fisicaatual.com.br

20. Quando a espira é girada no campo magnético ocorre uma variação do número de linhas de campo magnético (fluxo) que atravessa a espira. Quando o plano da espira for perpendicular as linhas, um número máximo dessas linhas estará atravessando o interior da espira. Quando o plano for paralelo às linhas, nenhuma linha estará atravessando a espira. A rotação contínua ora aumenta ora diminui o fluxo magnético através da espira. A variação máxima de fluxo ocorre quando o número de linhas que atravessa a espira é instantaneamente nulo. Portanto, a força eletromotriz induzida é máxima quando a espira está paralela ao campo: f.e. m tempo O fluxo magnético ora aumenta, ora diminui. Isso faz com que a corrente mude de sentido periodicamente. O gerador gera corrente alternada. www.fisicaatual.com.br

21. O gráfico mostra como a corrente alternada varia com o tempo à medida que a espira gira dentro do campo : Vamos analisar esta variação, supondo uma lâmpada ligada à espira de um gerador de corrente alternada: O instante t = 0, no qual a espira se encontra na posição mostrada na figura a, a lâmpada está apagada, mostrando que, neste instante, não há corrente no circuito. Enquanto a espira gira, até alcançar a posição mostrada na figura b, a corrente cresce, atingindo, nesta posição, seu valor máximo (instante t 1 no gráfico). A lâmpada adquire seu maior brilho neste momento. Continuando a girar, a espira alcança a posição mostrada na figura c, onde, novamente, a corrente é nula e a lâmpada se apaga (instante t 2 no gráfico). A partir de t 2 , a corrente muda de sentido. No instante t 3 , o módulo da corrente alcança seu valor máximo e a lâmpada brilha com a mesma intensidade que ela apresentava na figura b. No instante t 4 a espira retorna à sua lâmpada. Isto acontece porque a corrente alternada tem frequencia relativamente alta. Na maioria das cidades brasileiras, esta frequencia é 60 Hz. As flutuações no brilho das lâmpadas são muito rápidas e nossos olhos não conseguem percebê-las. www.fisicaatual.com.br

22. Da mesma maneira que a corrente, a voltagem que recebemos em nossas residências, proveniente do transformador de rua, é uma voltagem alternada, isto é, seu sentido é invertido periodicamente, como mostra o gráfico abaixo: O valor máximo atingido pela voltagem alternada é denominado valor de pico e o gráfico mostra que esse valor é 154 V. Entretanto, quando fornecemos o valor de uma voltagem alternada, estamos normalmente nos referindo não à voltagem de pico, mas a uma quantidade denominada valor eficaz da voltagem. Este valor seria o valor de uma voltagem constante (contínua) que dissipasse, durante o tempo de um período, em uma resistência R, a mesma energia térmica que é dissipada R pela voltagem alternada, durante o mesmo intervalo de tempo. Numa tomada de 220 V, teremos: V PICO = 220 x 1,41 = 310 V. Já numa tomada de 127 V, teremos: V PICO = 127 x 1,41 = 179 V. www.fisicaatual.com.br

23. GERADOR HIDROELÉTRICO Corrente elétrica produzida ímãs Um gerador hidroelétrico permite converter a energia cinética do fluxo de um liquido (normalmente água) em energia elétrica. A água ao circular numa turbina provoca um movimento rotativo do eixo ao qual estas estão ligadas. Este movimento provoca uma rotação dos ímãs colocados no extremo oposto do veio, dentro de uma bobina, e este movimento gera, por indução, uma corrente elétrica. www.fisicaatual.com.br

24. TRANSFORMADORES Com eles, podemos transportar a mesma potência com uma corrente mais baixa, diminuindo as perdas de energia na forma de calor durante a transmissão. Podemos ainda abaixar a tensão para valores mais seguros para que possa ser utilizada. Os transformadores só funcionam com corrente alternada. Enrolamento Primário Enrolamento Secundário Núcleo Isolamento www.fisicaatual.com.br

25. Alimentando a bobina primária com c.a. , produz um campo magnético alternado. As linhas de força são conduzidas pelo Núcleo que submete a bobina secundária a ação deste campo O campo magnético variável induz uma corrente elétrica na bobina secundária i P i S www.fisicaatual.com.br

26. i P i S Pelo princípio da conservação da energia, a potência P S que sai do secundário deve ser igual à potência P P que chega ao primário: P P = P S Logo : V P . i P = V S . i S . S e a voltagem diminui, a corrente aumenta proporcionalmente e vice-versa. www.fisicaatual.com.br

27. Qualquer que seja o tipo de usina escolhida para produção de energia elétrica em qualquer parte do mundo, ela será construída para gerar corrente alternada. O principal motivo para essa escolha está relacionado com as perdas de energia por efeito Joule que ocorrem nos fios usados para transportar a corrente elétrica a longas distâncias. A potência dissipada na forma de calor por um fio depende da corrente que percorre o fio e da resistência do fio (P = i 2 . R). Portanto, para diminuirmos perda na forma de calor, deveríamos diminuir os valores e “i” e de “R”. O valor de “R” só pode ser diminuído se aumentarmos a área da secção reta dos fios, isto é, usarmos fios mais grossos. Mas existe limite para isso. Cabos muito grossos são pesados e têm alto custo. Assim, a solução mais adequada seria diminuir a corrente a ser transmitida . Sendo Δ V a voltagem nos polos do gerador e “i” a corrente nos fios, a potência fornecida pelo gerador é P = i. Δ V . Como a potência fornecida pelo gerador não pode ser alterada, se o valor de “i” for reduzido teremos que aumentar o valor de V. Concluímos assim que, para reduzir as perda por aquecimento nos fios, a energia elétrica deve ser transmitida com baixa corrente a alta voltagem. www.fisicaatual.com.br

28. bobina transmissora bobina receptora Os detectores de metais do tipo pórtico, são equipamentos formados por duas bobinas e um gabinete central de processamento. As duas bobinas, que são as laterais do pórtico compartilham um campo eletromagnético de baixa freqüência sendo uma lateral transmissora e outra a receptora. Este campo eletromagnético formado no interior do pórtico funciona como uma malha invisível que ao ser rompida por objetos metálicos, avisa o processador do equipamento, que por sua vez emite sinais sonoros e ou luminosos. DETETOR DE METAIS www.fisicaatual.com.br