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 passa 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 passa 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, panela elétrica.

b) Geradores, ferro de passar, 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.