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Lei da Indução de Faraday Michael Faraday (Inglaterra, 1791-1867) contribuiu com grandes descobertas cientificas nos campos da física, atuando principalmente nos estudos sobre eletrólise, eletricidade e magnetismo. A lei da indução eletromagnética de Faraday é uma das grandes descobertas da física, além do seu conteúdo teórico, com base nesta lei mostrou-se a possibilidade de produzir energia elétrica de maneira mais simples e barata do que é feito com pilhas ou baterias elétricas. Faraday observou que uma bobina1 de fio condutor conectada a uma bateria elétrica, por intermédio de uma chave liga/desliga, podia produzir uma corrente elétrica em outra bobina, sem ligação com a bateria e sem contato com a primeira bobina. A seguir, verificou que quando um ímã se aproxima ou se afasta de uma bobina, surge uma corrente elétrica que percorre a bobina. A formulação matemática das descobertas de Faraday foi realizada por James C. Maxwell (Escócia, 1831-1879).

A aplicação dos conceitos embutidos nesta lei teve repercussão em larga escala, pois ela mostrava uma alternativa simples de produzir e levar energia elétrica até grandes distâncias a partir de onde era gerada, causando grande impacto na sociedade moderna a partir do final do séc. XIX. Nesta época, o principal modo de produzir e fornecer energia elétrica para as residências era feito por geradores de corrente contínua, com o domínio da companhia elétrica de Thomas Edson (EUA, 1847-1931), mas o sistema era dispendioso e não podia ser transmitido através de longas distâncias. Nikola Tesla (Croácia, 1856-1943) havia desenvolvido importantes estudos sobre motores elétricos e dispositivos de corrente alternada, como sistemas de geração, transformação e transmissão de energia elétrica por corrente alternada e foi contratado pela companhia elétrica de George Westinghouse (EUA, 1846-1914), um concorrente direto de Thomas Edson. A empresa de Westinghouse, sob a supervisão de Tesla, passou a construir usinas hidrelétricas de corrente alternada com transmissão através de longas distâncias, demonstrando que era uma forma mais eficiente e barata de levar energia elétrica para uso doméstico ou industrial.

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Uma bobina é feita com um fio condutor enrolado em várias voltas, cada volta é chamada de espira.

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http://fisicacb.blogspot.com/ A lei de Faraday diz que há uma fem2 induzida em uma bobina onde atua um fluxo magnético variável com o tempo. Um dispositivo de fem é o que alimenta de energia elétrica um circuito ou aparelho elétrico mediante aplicação de uma diferença de potencial (voltagem) entre os terminais do circuito ou aparelho. A lei da indução de Faraday mostra como é possível produzir energia elétrica ou manipular transformadores de voltagem. O fluxo (Φ ) de um campo magnético (B) sobre uma espira de área A é calculado como

.     cos 

Φ   

A lei da indução de Faraday é escrita como

  

 

 é a fem induzida na bobina e

 

expressa a variação do fluxo magnético sobre as espiras da bobina, o sinal

negativo indica que a indução é um efeito em oposição à variação do fluxo. De outra forma, a lei de Lenz (Heinrich Lenz, Alemanha, 1804-1865) está relacionada com a corrente elétrica através de uma espira onde é induzida uma fem: a corrente elétrica é induzida de tal forma que o seu sentido provoca efeitos em oposição ao agente que provoca a indução. Considerando um ímã que produz o campo magnético e uma bobina onde a fem é induzida, a variação do fluxo magnético sobre a bobina pode se feita, por exemplo, nas formas: fazendo a bobina entrar e sair da região onde se aplica o campo magnético, o que faz variar a área sujeita ao fluxo magnético; aplicando um campo magnético variável sobre a bobina, o que pode ser feito com movimentos de aproximação e afastamento do ímã em relação à bobina; girando a bobina no campo magnético (como será visto adiante). Um exemplo didático para estudar a produção de energia elétrica com fem alternada é apresentado na figura a seguir: um sistema básico composto por uma bobina que gira sob um campo magnético produzido por ímãs. O movimento de rotação da bobina faz o fluxo magnético variar e induzir uma fem alternada na bobina. A

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Fem = força eletromotriz. Embora o nome força, ela é medida em volt. No caso das pilhas e baterias a fem é constante (veja o título “bateria de limão” neste site), enquanto que nas tomadas das residências a tensão é alternada, representada matematicamente por uma função oscilatória, do tipo das funções seno e cosseno.

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http://fisicacb.blogspot.com/ frequência de rotação da bobina se relaciona com a frequência de variação da fem e com a rapidez da variação do fluxo magnético. Neste caso, a fem alternada é dada como

   sin

 é a amplitude (valor máximo da fem) e ω é a frequência angular de rotação da bobina, também relacionada com a frequência da fem: ω=2πf , “f “ é a frequência em hertz. A fem alternada é representada pela função seno (também poderia ser cosseno), a intensidade e a polaridade não se mantêm constantes, mas oscilam no tempo conforme a função que seno a descreve. O valor de  depende da intensidade do campo magnético, do número de espiras da bobina, da área das espiras e da frequência angular ω. Nas usinas geradoras de energia elétrica, o sistema de geração está conectado às turbinas, o movimento de rotação das turbinas é feito por meio de um trabalho mecânico realizado por algum agente externo. De algum modo, se deve fornecer energia para mover as turbinas e o gerador produzir energia elétrica. Os diferentes tipos de usinas elétricas usam meios específicos de realização de trabalho para girar as turbinas. No caso das hidrelétricas, controla-se a vazão da água represada para mover as turbinas, as eólicas usam a energia transferida pelo vento, nas termelétricas é o vapor da água aquecida que faz tal trabalho, para tanto, usa-se energia da queima de carvão, óleo ou outro combustível para fornecer o calor que aquece a água e produz vapor sob pressão para controlar o movimento das turbinas. As usinas nucleares usam um modo mais sofisticado de produzir energia para o vapor de água, em uma das formas, a energia que aquece a água é liberada nas reações de fissão do núcleo de urânio. Os geradores que operam nos prédios residenciais ou estabelecimentos comerciais, para suprir energia elétrica em casos emergenciais de queda de energia da rede, funcionam geralmente com motor diesel, gasolina ou querosene. Nos automóveis o alternador desempenha o papel de uma usina geradora de energia elétrica, aproveita a rotação do motor do veículo para produzir energia elétrica que abastece a bateria elétrica, neste caso, há também um sistema que retifica a tensão, pois a bateria fornece tensão contínua (intensidade e polaridade constantes). Em qualquer caso, desde a produção nas usinas e até o consumo nas residências, a voltagem passa por etapas de transformações. Os transformadores também operam segundo a lei de Faraday. 3

http://fisicacb.blogspot.com/ Um esquema básico de um transformador é feito com dois enrolamentos independentes envolvendo um núcleo de ferro. O enrolamento onde se aplica a tensão alternada de entrada V1 é chamado primário, no secundário é colhida a tensão de saída V2 que é usada para ser distribuída através da rede de transmissão ou alimentar as residências, por exemplo. A tensão alternada de entrada causa uma corrente alternada no circuito primário (contendo N1 espiras), produzindo um fluxo magnético variável sobre o enrolamento secundário (contendo N2 espiras) onde é induzida a tensão de saída transformada. O núcleo de ferro atua para intensificar e dirigir o fluxo magnético entre os enrolamentos. A maneira como se deseja fazer a transformação, aumentando ou diminuindo a tensão de entrada, é feita de acordo com a relação entre os números de espiras N1 e N2 , dos circuitos primário e secundário, respectivamente, como é apresentado no quadro abaixo.

2 

2 1

1

Para obter uma tensão de saída maior do que a de entrada deve-se fazer um enrolamento primário com menos espiras do que no secundário (N1 < N2), contrariamente, para diminuir a tensão de entrada deve-se ter N1 > N2 . A partir das usinas onde a energia é gerada, a tensão é aumentada para ser distribuída com baixa corrente elétrica através das redes de alta tensão, o que é necessário para evitar perdas de energia por aquecimento das quilométricas linhas de transmissão. A seguir, para ser consumida com segurança nas residências há um rebaixamento da tensão, em geral, a tensão nas tomadas elétricas é de 110 ou 220 V.

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