Lei de Faraday

Lei de Faraday, também conhecida como lei da indução eletromagnética, afirma que a variação no fluxo de campo magnético através de materiais condutores induz o surgimento de uma corrente elétrica.

O fenômeno da indução eletromagnética foi descoberto pelo físico e químico britânico Michael Faraday em 1831. Essa descoberta foi uma das mais importantes de toda a história, uma vez que, graças a esse fenômeno, somos capazes de gerar energia em usinas hidrelétricas, produzir movimento usando motores elétricos, gerar calor por meio de fornos de indução, fazer leituras e gravações magnéticas e outros.

Para compreendermos como funciona a lei de Faraday, é fundamental que conheçamos o conceito de fluxo magnético.

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Fluxo magnético

O fluxo magnético (Φ) é uma grandeza escalar que mede a quantidade de linhas de campo magnético (B) que atravessam uma área fechada (A). Além disso, o fluxo magnético depende do ângulo que é formado entre o campo magnético e a reta normal (N) na área A. Confira a fórmula utilizada para calcular esse fluxo:

Φ - fluxo magnético (Wb - weber ou T.m²)

B - campo magnético (T - tesla)

A - área (m²)           

A figura a seguir ilustra o fluxo magnético através de uma superfície de área A, observe:

Lei de Faraday-Neumann-Lenz

Formalmente, a lei da indução eletromagnética é conhecida como lei de Faraday-Neumann-Lenz, no entanto, é frequentemente referida apenas como lei de Faraday. Isso acontece porque o fenômeno da indução foi descoberto por Michael Faraday, mas sua formulação matemática foi feita por Franz Ernst Neumann. Além disso, Heinrich Lenz propôs a necessidade de usar o sinal negativo da fórmula, que diz respeito ao sentido da corrente elétrica induzida.

A lei de Faraday foi de suma importância para o desenvolvimento do eletromagnetismo, uma vez que ela revela a existência de uma relação direta entre fenômenos elétricos e magnéticos, esses que foram tratados como fenômenos de natureza distinta durante muitos anos.

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Força eletromotriz induzida

De acordo com a lei de Faraday, o surgimento de correntes elétricas depende da mudança no fluxo magnético, por isso, escrevemos que a variação de tempo do fluxo magnético equivale a um potencial elétrico medido em volts (V), que, por razões históricas, é chamado de força eletromotriz induzida (ε).

ε - força eletromotriz induzida (V - volts)

ΔΦ = Φ_F - Φ_i - variação do fluxo magnético (Wb)

Δt - intervalo de tempo (s)

Além disso, devido ao princípio da conservação de energia, é necessário que adicionemos um sinal negativo na lei de Faraday. Esse sinal foi introduzido pela Lei de Lenz, que nos permite conhecer qual é o sentido da corrente elétrica induzida:

A corrente elétrica induzida sempre será formada em um sentido tal que o fluxo magnético por ela  produzido oponha-se ao fluxo magnético que a induziu.

A união dessas informações dá origem à lei de Faraday-Lenz, confira:

Por meio da aplicação da 1ª lei de Ohm, é possível calcularmos a resistência elétrica ou a corrente elétrica que se forma em condutores ôhmicos, graças ao fenômeno da indução eletromagnética:

R - resistência elétrica (Ω)

i - corrente elétrica (A)

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Aplicações da lei de Faraday

• Motor elétrico

Além de ter possibilitado o surgimento dos geradores de energia, como aqueles que são empregados em basicamente todos os tipos de usinas elétricas, o fenômeno da indução eletromagnética, descrito pela lei de Faraday, permitiu que criássemos o primeiro motor elétrico.

O motor elétrico e os geradores funcionam por meio do mesmo princípio. Dentro desses motores, há uma espira condutora, disposta entre os polos opostos de uma configuração de imãs. Quando uma corrente elétrica a através da espira condutora, o campo magnético dos ímãs produz um torque sobre ela, fazendo-a girar.

• Transformadores

Os transformadores são dispositivos utilizados para abaixar ou elevar tensões e correntes elétricas. São constituídos de duas bobinas: primária e secundária. Essas são enroladas em volta de uma barra de ferro fechada, ou disposta em formato de U.

Quando uma corrente elétrica alternada a através do enrolamento primário, um campo magnético oscilante é produzido e guiado através do interior da barra de ferro, dessa maneira, uma corrente elétrica é induzida no enrolamento secundário.

A relação entre o número de espiras nos enrolamentos primário e secundário é o que determina o aumento ou a diminuição das tensões elétricas de entrada e saída.

Lei de Faraday-Maxwell

Em 1864, James Clerk Maxwell unificou os fenômenos elétricos e magnéticos por meio de quatro equações do eletromagnetismo, são elas: lei de Gauss, lei de Gauss para o magnetismo, lei de Ampère e lei de Faraday. De acordo com as contribuições de Maxwell à lei de Faraday, campos magnéticos variáveis produzem campos elétricos rotacionais e tangentes às linhas de campos magnéticos.

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Exercícios resolvidos sobre a lei de Faraday           

Questão 1) Em relação ao fenômeno de indução eletromagnética, assinale a alternativa incorreta.

a) Quando aproximamos ou afastamos um imã de uma bobina condutora, induzimos o surgimento de uma corrente elétrica.

b) A força eletromotriz induzida é o nome dado ao potencial elétrico que é produzido pela indução eletromagnética.

c) O fluxo de campo magnético através de uma espira induz o surgimento de uma corrente elétrica.

d) A variação do fluxo de campo magnético induz a formação de correntes elétricas.

e) A corrente elétrica induzida é proporcional à variação do fluxo magnético.

Gabarito: Letra C

Resolução:

A afirmativa feita na letra C está errada. Na realidade, o surgimento de uma corrente elétrica induzida depende da variação do fluxo magnético. Caso o fluxo magnético seja constante, não haverá produção de corrente elétrica por meio da indução eletromagnética.

Questão 2) O fluxo magnético através de uma espira condutora era de 20,0 Wb/s. Após um intervalo de tempo de 2,0 s, esse fluxo torna-se nulo, devido à rotação do plano da espira. O módulo da força eletromotriz induzida durante essa rotação foi de

a) 10,0 V

b) 15,0 V

c) 20,0 V

d) 40,0 V

e) 35,0 V

Gabarito: Letra A

Resolução:

Faremos o cálculo da força eletromotriz induzida utilizando a lei de Faraday-Lenz, observe:

Usando os dados fornecidos no enunciado do exercício, encontramos uma tensão induzida de 10,0 V, portanto, a alternativa correta é a letra A.

Questão 3) Assinale a alternativa que apresenta apenas dispositivos que funcionam por meio do fenômeno da indução eletromagnética.

a) Transformadores, fornos de indução, a elétrica.

b) Geradores, ferro de ar, chuveiro elétrico.

c) Televisão, rádio, lâmpada incandescente.

d) Transformadores, detectores de metal, motores elétricos.

e) Secador de cabelo, aspirador de pó, sanduicheira.

Gabarito: Letra D

Resolução:

Os dispositivos que funcionam por meio da indução eletromagnética são aqueles que apresentam motores elétricos ou aqueles que fazem uso de campos magnéticos oscilantes para induzirem o surgimento de tensões elétricas. Esses dispositivos são: transformadores, fornos de indução, geradores, detectores de metal, secadores de cabelo e aspiradores de pó, por exemplo. Dessa forma, a alternativa correta é a letra D.