A energia dos campos eletromagnéticos

A energia dos campos eletromagnéticos
1. Indução magnética - Lei de Faraday-Neumann
Constata-se, experimentalmente, que, quando a intensidade do fluxo magnético se altera com o
decurso do tempo, por meio de um circuito fechado, surge neste uma fem média (εm) dada pela
expressão:
O significado do sinal negativo será visto no próximo segmento - Lei de Lenz.
Naturalmente, quando se considerar um intervalo de tempo tendendo a zero (Δt → 0), será obtida
a fem instantânea (ε).
Este fenômeno, em que aparece uma fem por meio da variação do fluxo magnético por um
circuito, é denominado indução eletromagnética. Os circuitos em que ocorrem as induções são
chamados de circuitos induzidos.
As maneiras de provocar a variação do fluxo magnético para se obter a fem são:
1. Variar a intensidade do campo magnético.
2. Alterar a área da superfície delimitada pelo circuito.
3. Mudar o valor do ângulo entre ⃗ e ⃗ .
2. Lei de Lenz
O sentido da corrente induzida, pelo fenômeno da indução eletromagnética, é de tal forma que se
opõe (mediante seus efeitos eletromagnéticos) à causa que lhe dá origem.
Por exemplo: a aproximação de um ímã em relação a uma espira causa a variação de fluxo
magnético por meio da espira, originando uma fem e a consequente corrente induzida.
Esta corrente irá, então, produzir um fluxo magnético induzido que se oporá à variação do fluxo
magnético indutor.
A aproximação do polo Norte do ímã provoca o surgimento do polo Norte na face da espira
voltada ao ímã, de forma a repelir o objeto em aproximação.
Caso o ímã passe a se afastar, a corrente induzida mudará de sentido, o que faz surgir o polo Sul
na face voltada ao ímã, de modo a atrair o objeto em afastamento.
Atenção: É mediante trabalho realizado na aproximação ou no afastamento do ímã que se gera a
energia elétrica na espira, sempre obedecendo ao princípio da conservação de energia.
3. Noções de corrente alternada
Denomina-se corrente alternada a corrente elétrica cujas as características mudam
periodicamente. Para que essas características variem, é necessário que a tensão responsável
pelo aparecimento da corrente alternada também varie periodicamente.
Como a fem (força eletromotriz) induzida varia periodicamente, assumindo valores positivos e
negativos, ou seja, alternando seus polos, a corrente estabelecida no circuito externo ao qual se
conectam os terminais da bobina (x; y) também será alternada. Caracterizando, assim, a corrente
alternada.
No Brasil, utilizamos corrente alternada de frequência f = 60 Hz, ou seja, 60 ciclos por segundo.
Usualmente, afirma-se que a corrente é de “60 ciclos”.
Representação gráfica:
A principal vantagem da utilização da corrente alternada é a facilidade de transmissão a grandes
distâncias, com menor custo e com menos perdas; sem contar que os motores que usam corrente
alternada são mais econômicos que os que trabalham com corrente contínua.
4. Gerador de tensão elétrica
Com a descoberta da indução magnética foi possível a criação dos geradores, os quais
convertem energia mecânica em energia elétrica. O princípio de funcionamento é o descrito na
produção da corrente alternada.
No caso das usina hidrelétricas, a energia mecânica que aciona o alternador vem da energia
potencial devido ao desnível de uma queda d’água; como indica a figura a seguir:
Apesar da maior complexibilidade, esses grandes alternadores possuem a mesma ideia do
funcionamento esquematizado anteriormente.
Texto complementar:
Corrente contínua ou corrente alternada?
As baterias são excelentes em circuitos pequenos como flashes de máquinas fotográficas,
celulares, MP3, por exemplo, porém, não são práticas na iluminação residencial.
A utilização de baterias para a produção de energia em larga escala demanda de uma constante
troca dos elementos químicos envolvidos, sem contar o fato da produção contínua de lixo químico
(resíduo não aproveitável).
A produção de uma energia mais econômica, porém também associada à corrente contínua,
constitui-se nos geradores termoelétricos que funcionam com a queima de óleo ou carvão.
Apesar de poderem ser usados na iluminação residencial, este tipo de produção apresenta alguns
inconvenientes, como, por exemplo, máquinas cada vez maiores em função da necessidade ou
várias máquinas próximas à região de consumo, excelente circulação de ar, manutenção e
abastecimento constantes e chaminés para tiragem.
Foram esses problemas vivenciados pelo inventor americano Thomas Alva Edison (1847-1931),
em 1882, quando começou a iluminar a cidade de Nova York. A empresa que produzia
eletricidade na época pertencia a Edison (Eletric Light Company) e utilizava um gerador que
atuava como uma bateria mecânica, produzindo corrente contínua (tensão) que partia por um
cabo e retornava por outro.
Edison instalou vários geradores em locais centrais da cidade e conduziu a corrente para as
casas em cabos de cobre. Entretanto, quanto maior fosse a distância entre o gerador e o local de
consumo, mais grosso deveria ser o fio para facilitar a movimentação das cargas elétricas (2ª Lei
de Ohm).
A área do fio é importante, pois as cargas envolvidas na corrente elétrica perdem energia cinética
quando colidem com os átomos do metal. Para que estas partículas (cargas) continuem a se
movimentar, elas devem converter energia potencial elétrica em energia cinética a medida que se
deslocam pelo fio. A energia potencial elétrica e a voltagem gradualmente diminuem neste
deslocamento.
Existe sempre um campo elétrico associado com a diferença de potencial. Certamente todos
esses problemas levaram à procura pela produção de um tipo de corrente mais efetiva e menos
problemática, a corrente alternada.
Com a criação do motor bifásico por Nikola Tesla (1857-1943), a eletricidade
residencial como conhecemos tomou sua forma atual. Em 1884, quando Tesla
foi trabalhar para a Edison Machine Works, em Nova York, quase contou para
Edison sobre sua ideia do motor. Passado alguns meses, após Tesla completar
o projeto de um sistema melhorado de iluminação a arco voltaico (baseada em
faíscas elétricas saltando o intervalo entre dois eletrodos), seus gerentes
negaram-lhe o bônus que haviam prometido, fazendo com que o ambicioso
engenheiro deixasse a empresa, contrariado.
Tesla foi logo contratado por dois empreendedores de Nova Jersey: Benjamin A. Vail e Robert
Lane, que logo o encorajaram a patentear seu sistema de iluminação a arco voltaico e seu motor
e, precipitadamente, Tesla cedeu a dupla sua patente.
Assim que Tesla colocou seu sistema em funcionamento em Nova Jersey, seus financiadores o
demitiram e reorganizaram a empresa criando a Westinghouse.
Empobrecido, Tesla se viu obrigado a cavar fossos. Porém, seu gênio inventor era
surpreendente. Tesla melhorou muito seu motor bifásico e resolveu o problema da transmissão
de energia a longa distância entre outras invenções, algumas porém de utilização duvidosa.
Em 1937, ao fazer sua caminhada diária, foi atropelado por um táxi e jamais se recuperou
totalmente, falecendo em 1943.
BLOOMFIELD, Louis A. How things work: The physics of everyday life. (Tradução livre).
Questões:
QUESTÃO 01 (FUVEST-2009) Dínamos de bicicleta, que são geradores de pequeno porte, e
usinas hidrelétricas funcionam com base no processo de indução eletromagnética, descoberto por
Faraday. As figuras abaixo representam esquematicamente o funcionamento desses geradores.
Nesses dois tipos de geradores, a produção de corrente elétrica ocorre devido a transformações
de energia
A) mecânica em energia elétrica.
B) potencial gravitacional em energia elétrica.
C) luminosa em energia elétrica.
D) potencial elástica em energia elétrica.
E) eólica em energia elétrica.
QUESTÃO 02 (UFRN-2004/adaptada) A guitarra elétrica (figura 1) foi um instrumento importante
na revolução musical causada pelo Rock and Roll nas décadas de 50 e 60. Diferentemente do
violão, no qual o som é amplificado pela ressonância acústica produzida pela oscilação das
cordas na cavidade oca do instrumento, na guitarra, um instrumento de corpo sólido, as vibrações
das cordas são captadas por sensores eletromagnéticos (bobinas) situados abaixo de cada
corda, como esquematizado na figura 2. A corda da guitarra fica magnetizada pela proximidade
com o núcleo imantado do sensor.
FIGURA 1 – Guitarra elétrica. A seta está indicando a localização de alguns sensores no
instrumento.
FIGURA 2 – Representação esquemática dos sensores que ficam abaixo das cordas da guitarra.
Os terminais da bobina são ligados a um dispositivo (não representado nesta figura) que
“converte” a corrente elétrica em som.
O princípio de funcionamento desse equipamento é explicado pelo fato de que a
A) corrente elétrica no circuito fechado gera um campo magnético nessa região.
B) bobina imersa no campo magnético em circuito fechado gera uma corrente elétrica.
C) bobina em atrito com o campo magnético no circuito fechado gera uma corrente elétrica.
D) corrente elétrica é gerada em circuito fechado por causa da presença do campo magnético.
E) corrente elétrica é gerada em circuito fechado quando há variação do campo magnético.
QUESTÃO 03 CMA-2012 “Se eu pudesse escolher entre ser Shakespeare ou Faraday, teria
preferido ser Faraday”, escreveu o romancista inglês Aldous Huxley.Michael Faraday, o
descobridor da indução eletromagnética, era um homem verdadeiramente à parte do seu tempo
sua descoberta é utilizada até hoje e pode ser evidenciada com um circuito constituído apenas
por uma bobina ligada a um aparelho de medida adequado. Verifica-se que esse aparelho de
medida detecta a passagem de corrente no circuito, quando se move um ímã no interior da
bobina.
<http://crv.educacao.mg.gov.br/sistema_crv/INDEX.asp?token=3A79FB57-8BA5-4B94
9841F9D6FC70A92D&usr=pub&ID_OBJETO=23967&ID_PAI=23967&AREA=AREA&id_projeto=27 >.
Tendo em conta a situação descrita, quanto mais rápido é o movimento do imã no interior da
bobina,
circuito.
pode disponibilizar
pode disponibilizar.
rcuito
pode disponibilizar.
pode disponibilizar.
QUESTÃO 04 CMA-2012 A transmissão em corrente contínua não é mais usada em lugar algum
do mundo.
Em 1880, o inventor americano Thomas Edison (1847-1931) desenvolveu a geração de corrente
contínua e montou sua Edison Light Company para construir usinas. A corrente continua perde
muito de sua energia quando transmitida por longas distâncias através de fios, e, portanto, as
usinas de energia de corrente contínua tinham de ficar próximas as cidades.
VERMA, Surendra. Ideias geniais: os principais teoremas, teorias , leis e princípios científicos de todos os tempos (trad. Carlos
Irineu da Costa). 2.ed. 1.reimp. Belo Horizonte: Gutemberg Editora, 2012 (adaptado).
Um dos equipamentos responsáveis pela eficiência da transmissão de energia por meio da
corrente alternada é o transformador, que trabalha com o princípio de bobinas que induzem
correntes elétricas em uma ou várias bobinas próximas.
A) Como os transformadores apenas alteram a tensão elevando ou diminuindo seu valor, ou seja,
converte energia elétrica em energia elétrica, portanto, é um exemplo de uma máquina com
rendimento de 100%.
B) A eficiência na transmissão de energia utilizando corrente alternada , está no tipo de material
utilizado, de baixa resistividade elétrica.
C) A alta tensão nas linhas de tensão tem por objetivo a diminuição das perdas por efeito térmico
(efeito Joule).
D) O transformador é um equipamento funciona a partir de campos magnéticos constantes.
E) Um grande número de espiras nas bobinas diminui a voltagem induzida.
QUESTÃO 05 UFMG-2000 A figura mostra um tipo de "gato", prática ilegal e extremamente
perigosa usada para “roubar” energia elétrica.
Esse "gato" consiste em algumas espiras de fio colocadas próximas a uma linha de corrente
elétrica alternada de alta voltagem. Nas extremidades do fio que forma as espiras, podem ser
ligadas, por exemplo, lâmpadas, que se acendem.
EXPLIQUE o princípio físico de funcionamento desse "gato".
QUESTÃO 06 ENEM-2011 O manual de funcionamento de um captador de guitarra elétrica
apresenta o seguinte texto: Esse captador comum consiste de uma bobina, fios condutores
enrolados em torno de um ímã permanente. O campo magnético do ímã induz o ordenamento
dos polos magnéticos na corda da guitarra, que está próxima a ele. Assim, quando a corda é
tocada, as oscilações produzem variações, com o mesmo padrão, no fluxo magnético que
atravessa a bobina. Isso induz uma corrente elétrica na bobina, que é transmitida até o
amplificador e, daí, para o alto-falante. Um guitarrista trocou as cordas originais de sua guitarra,
que eram feitas de aço, por outras feitas de náilon. Com o uso dessas cordas, o amplificador
ligado ao instrumento não emitia mais som, porque a corda de náilon
A) isola a passagem de corrente elétrica da bobina para o alto-falante.
B) varia seu comprimento mais intensamente do que ocorre com o aço.
C) apresenta uma magnetização desprezível sob a ação do ímã permanente.
D) induz correntes elétricas na bobina mais intensas que a capacidade do captador.
E) oscila com uma frequência menor do que a que pode ser percebida pelo captador.
QUESTÃO 07 UNIFESP SP A foto mostra uma lanterna sem pilhas, recentemente lançada no
mercado. Ela funciona transformando em energia elétrica a energia cinética que lhe é fornecida
pelo usuário – para isso ele deve agitá-la fortemente na direção do seu comprimento.
Como o interior dessa lanterna é visível, pode-se ver como funciona: ao agitá-la, o usuário faz um
ímã cilíndrico atravessar uma bobina para frente e para trás. O movimento do ímã através da
bobina faz aparecer nela uma corrente induzida que percorre e acende a lâmpada.
O princípio físico em que se baseia essa lanterna e a corrente induzida na bobina são,
respectivamente:
A) indução eletromagnética; corrente alternada.
B) indução eletromagnética; corrente contínua.
C) lei de Coulomb; corrente contínua.
D) lei de Coulomb; corrente alternada.
E) lei de Ampère; correntes alternada ou contínua podem ser induzidas.
QUESTÃO 08 UFCG-PB Um ímã move-se em relação a uma bobina em repouso em relação ao
laboratório, como mostra a figura abaixo. A bobina A está ligada a um instrumento sensível
indicador de corrente elétrica M (galvanômetro).
www.saladefisica.cjb.net
Quanto à observação desse fenômeno e à indicação do galvanômetro, pode-se afirmar que o(a)
A) galvômetro não indicará circulação de corrente elétrica na bobina de acordo com a previsão de
Faraday.
B) interação entre os campos magnéticos do ímã e o produzido pela corrente induzida na bobina
provocará o aumento da velocidade do ímã em direção à bobina.
C) fluxo produzido pelo campo magnético induzido na bobina somando-se ao fluxo produzido pelo
campo magnético do ímã aumentará o fluxo total na região.
D) corrente induzida na bobina produzirá um campo magnético cujo norte estará no topo da
bobina, de acordo com o princípio da conservação da energia.
E) corrente induzida na bobina produzirá um campo magnético cujo sul estará no topo da bobina,
conforme a previsão de Lenz.
QUESTÃO 09 UFPR-PR O fenômeno da indução eletromagnética permite explicar o
funcionamento de diversos aparelhos, entre eles o transformador, o qual é um equipamento
elétrico que surgiu no início do século 19, como resultado da união entre o trabalho de cientistas e
engenheiros, sendo hoje um componente essencial na tecnologia elétrica e eletrônica.
Utilizado quando se tem a necessidade de aumentar ou diminuir a tensão elétrica, o
transformador é constituído por um núcleo de ferro e duas bobinas, conforme ilustra a figura
abaixo. Uma das bobinas (chamada de primário) tem N1 espiras e sobre ela é aplicada a tensão
U1, enquanto que a outra (chamada de secundário) tem N2 espiras e fornece a tensão U2.
Sobre o transformador, é correto afirmar:
A) Quando o número de espiras N1 é menor que N2, a tensão U2 será maior que a tensão
aplicada U1.
B) É utilizado para modificar a tensão tanto em sistemas de corrente contínua quanto nos de
corrente alternada.
C) Só aparece a tensão U2 quando o fluxo do campo magnético produzido pelo primário for
constante.
D) Num transformador ideal, a potência fornecida ao primário é diferente da potência fornecida
pelo secundário.
E) Quando o número de espiras N1 é menor que N2, a corrente no secundário é maior que a
corrente no primário.
QUESTÃO 10 (UNESP)
Em um circuito, uma bateria fornece uma d.d.p. constante para manter uma lâmpada acesa,
como mostra a figura.
Um ímã é inserido rapidamente entre as espiras formadas com o fio do circuito que liga a
lâmpada à bateria. Pode-se dizer que, durante o período de tempo em que o ímã é inserido, o
brilho da lâmpada:
A) diminui apenas para o caso em que A é o polo norte do ímã.
B) diminui apenas para o caso em que A é o polo sul do ímã.
C) diminui, qualquer que seja o polo em A.
D) não se altera, qualquer que seja o polo em A.
E) não se altera porque o processo é rápido.
Gabarito:
1. A
2. E
3. D
4. C
5. Modelo de resposta: As linhas de alta tensão funcionam com corrente alternada, que gera
variação de fluxo magnético em função do tempo, próximo à face da espira metálica, que, por sua
vez, criará nesta uma fem induzida e consequentemente uma corrente induzida e alternada.
6. C
7. A
8. E
9. A
10. A