Indução

INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA
Antes de mais nada, seria interessante lembrar que os modelos de carga e dipolo
magnético foram estabelecidos ao final do século XIX e início do século XX ( o spin
eletrônico foi “identificado” nos meados dos anos 30-século XX). Desta maneira, apesar
dos fenômenos elétricos e magnéticos serem conhecidos dede a antiguidade, correram
alguns séculos até possuirmos um modelo convincente; sendo assim não devemos
estranhar se demoramos algum tempo para assimilá-los, ainda mais que a eles vêm
acrescidos os conceitos de Campo Elétrico e Magnético.
E apesar dos fenômenos serem conhecidos desde a antiguidade, até o século XIX
não havia correlação entre os fenômenos elétricos e magnéticos. Experimentos feitos
por Oersted e Ampère mostraram de maneira definitiva a relação entre eles.
Posteriormente (ou quase concomitantemente) Faraday e Maxwell estabeleceram em
definitivo as leis básicas do eletromagnetismo.
OBJETIVOS
Verificar experimentalmente a lei de Faraday, analisar em que condições ocorre
a indução eletromagnética e verificar a veracidade da lei de Lenz.
INTRODUÇÃO
As linhas de indução magnética ou linhas de força ou linhas de campo
aparecem quando temos um ímã ou um dispositivo onde circula corrente. Nos exemplos
abaixo podemos vê-las:
Na ilustração acima temos uma espira circular, percorrida por corrente, em
sentido anti-horário e dois imãs, em lugar de cargas temos pólos magnéticos e nunca os
encontramos isoladamente (sempre dois pólos). Podemos ver as linhas de indução
passando de baixo para cima dentro da espira equivalendo as linhas saindo do pólo
norte e entrando no pólo sul. Quando estas linhas atravessam uma área, como no caso,
falamos em fluxo (tal como fluxo de água em cano ou de veículos em rua). O fluxo na
figura é constante no tempo, pois a corrente é constante.
Vejamos outro exemplo:
Temos agora um solenóide percorrido por corrente. O fluxo magnético é muito
semelhante às linhas de fluxo num ímã. Observe estas linhas dentro e fora do solenóide.
Como o fluxo se relaciona à área e ao número de linhas que a atravessa, ele é muito
mais intenso no interior do solenóide.
Mas vamos supor que a corrente não seja constante, em nenhum dos dois
exemplos. O fluxo também não seria constante. Pense, por exemplo, se a corrente fosse
uma função do tempo. O fluxo também seria, pois em última análise, o fluxo depende
diretamente da corrente.
Faraday descobriu que, quando, num circuito fechado, ocorre variação do fluxo
magnético com o tempo, surge neste circuito uma força eletromotriz induzida (tal qual
uma fonte real- pilha, por exemplo). E o que é mais incrível: neste circuito haverá uma
corrente e terá linhas de indução, sem ter qualquer fonte eletromotriz ligada ao circuito!
Podemos dizer que, o grande desenvolvimento industrial, e consequentemente das
cidades e seus serviços, adveio desta descoberta.
De forma matemática, podemos escrever esta lei da seguinte forma:
-dΦB/dt =
ε
(ΦB = B.A = FLUXO MAGNÉTICO)
B = medida da intensidade do campo magnético na região das espiras
A = área total das espiras que são atravessadas pelas linhas de campo magnético
Esta equação simples é conhecida como Lei de Faraday. Temos que mencionar
aqui Lenz, que lembrou a Faraday que "o sentido da força eletromotriz induzida sempre
era aquele que contraria a variação do fluxo". Se você pensar bem, este raciocínio de
Lenz nada mais é do que a maior lei da natureza: tudo tende ao estado de equilíbrio! O
sinal negativo na lei de Faraday expressa isto.
Para investigar este fenômeno iremos utilizar imãs, bobinas e multímetros. A
prática será mais demonstrativa.
PROCEDIMENTOS.
1) No primeiro experimento utilizaremos apenas um imã, duas bobinas e um
multímetro de zero central. Ligando-se diretamente a bobina (600 espiras) ao
multímetro:
a) Com o imã em repouso sobre a bobina, o que se observa?
b) Introduzindo-se um dos pólos na bobina, o que se observa?
c) Retirando-se o pólo? Movimentado-se a bobina em lugar do imã?
d) Invertendo-se o pólo?
e) Introduzindo-se e retirando o pólo com diferentes velocidades?
f) Alterando-se o número de espiras?
g) Mudando-se o imã (ou o campo magnético)?
h) Colocando-se um núcleo de ferro doce no interior da bobina?
i) Os itens acima mostrariam qual equipamento de nossa vida diária?
Lembre-se que fluxo é um produto vetorial, o que de alguma maneira ajuda a
explicar alguns resultados obtidos com o experimento. Mais ainda, lembre-se que o
campo magnético produzido pelo imã não é uniforme, se o fosse, haveria variação de
fluxo? Que conseqüência traria ao que foi observado?
2) Num segundo experimento utilizaremos uma fonte de tensão alternada
(varivolt) duas bobinas - enrolamento primário e secundário, dois resistores, dois
multímetros e núcleo de ferro doce. A tensão primária será fornecida pelo varivolt.
Se tivermos uma corrente alternada, significa que seu valor variará no tempo
(senoidalmente) e, conseqüentemente, o campo magnético por ela produzido e o fluxo
nas espiras. Variando-se a tensão da fonte, monte uma tabela com alguns valores de Vp
e Vs, e a razão Vp/Vs.. Aproxima-se da razão Np./Ns? (N é o número de espiras). Que
equipamento (de nossa vida diária) temos agora? Trocando-se as bobinas o que
teremos? Na verdade a razão existente entre as tensões é expresso nos termos da razão
do número de espiras (ganho) (Obs.: o valor da corrente em cada lado dependerá
fundamentalmente da corrente demandada pelo secundário (is = Vs/Rs) e de tal
maneira que – num transformador ideal - Pp = Ps ou Vpip = Vsis). Aproveitando,
repare o sentido da corrente no secundário, observe como a lei de Lenz se manifesta. Se
o fluxo no primário variar senoidalmente - sen(wt) -, como variará no secundário (mera
questão de cálculo)?
3) Vejamos duas aplicações diretas - em ambos os casos o circuito primário será
o mesmo. A mudança se fará no secundário utilizando-se uma bobina com apenas cinco
espiras e o fechamento do circuito se fará através da conexão de dois pregos.
Uma vez o circuito montado, ir aumentando gradativamente a tensão no primário e
observar o que acontece aos pregos. O observado acontece em equipamentos de tanto
em pequenas serralherias, laboratórios de pesquisa quanto em grandes fornos
industriais: Solda e Forno a Arco.
Em um equipamento industrial teríamos:
4) Podemos radicalizar na montagem e colocar apenas uma espira. Em lugar das
cinco espiras Colocando água sobre esta espira e variando-se a tensão no primário,
observe o que acontece.
Uma aplicação direta se dá em indústria de rolamentos e outros
(http://www.nsk.com.br/6_1_Easyheater.asp). Um segundo exemplo seriam fornos a
indução, onde, grosso modo, em lugar de um anel, teríamos um cadinho onde dentro
dele teríamos o material que se deseja fundir.