Disciplina:                  Eletricidade e Magnetismo

Experiência:     Indução Eletromagnética e Lei de Faraday

Objetivo

            Estudar a indução eletromagnética a partir de um ímã e de bobinas, assim como também a Lei de Faraday.

Introdução Teórica

Força eletromotriz induzida

Condutor em movimento dentro de um campo magnetico - Consideremos um condutor metálico, movimentando-se com uma velocidade v, perpendicularmente às linhas de indução de um campo magnético B.

            A figura ao lado ilustra esta situação: a barra metálica CD está sendo deslocada dentro do campo magnético criado pelo ímã mostrado na figura. Na outra figura, esta mesma situação é apresentada em corte: o vetor B "penetrando" no papel e a barra CD deslocando-se para a direita.

A barra metálica possui elétrons livres. Então, como estes elétrons estão em movimento (devido ao movimento da barra), eles ficarão sujeitos à ação de uma força magnética exercida pelo campo B. É fácil verificar usando a "regra do tapa"  na segunda figura, que esta força tende a deslocar os elétrons para a extremidade C da barra. Como estes elétrons estão livres, eles realmente se deslocam acumulando-se em C. Consequentemente, teremos uma separação de cargas na barra CD, isto é, a extremidade C, negativamente.

            Enquanto a barra estiver se movimentando dentro do campo, esta separação de cargas permanecerá e, portanto, uma diferença de potencial será mantida entre as extremidades C e D. Pode-se concluir que esta barra se comporta como um gerador de f.e.m. Em outras palavras, ela é equivalente a uma pilha, ou a uma bateria. Esta f.e.m. que aparece na barra, devido ao seu movimento, é denominada força eletromotriz induzida.

Corrente induzida em um circuito

Suponha que a barra CD da figura 2, ao se deslocar, esteja apoiada sobre o trilho metálico GEFH, como mostra a figura ao lado. Desta maneira, teremos um circuito elétrico fechado, constituído pela barra e pelo trilho. Em virtude da diferença de potencial existente entre os extremos da barra, uma corrente passará neste circuito no sentido CDFD (veja na figura). Como esta corrente foi estabelecida pela f.e.m. induzida na barra, ela é denominada corrente induzida.

            Então se a barra CD for deslocada para a esquerda, como mostra a figura ao lado, haverá uma inversão na separação das cargas, isto é, a extremidade D se comportará como o pólo positivo de uma pilha e a extremidade C como o pólo negativo. A corrente induzida, então, passará a circular no sentido DFEC. Assim se movimentarmos a barra sucessivamente para a direita e para a esquerda teremos, no circuito, uma corrente ora em um sentido, ora em sentido contrário. Esta corrente que muda periodicamente de sentido, é uma corrente alternada. Portanto movimentando-se a barra, dentro do campo magnético, para um lado e para o outro, teremos um gerador de corrente alternada.

Outros exemplos de f.e.m. induzida

O cientista inglês M. Faraday, realizando um número muito grande de experiências no século passado, verificou que existem várias outras situações nas quais se observa o aparecimento de uma f.e.m. induzida em um circuito.

Na figura 5, por exemplos, temos uma situação em que isto ocorre. Ao aproximarmos o pólo de um ímã de uma espira que se encontra em repouso, observa-se o aparecimento de uma corrente nesta espira (detectada pelo amperímetro A). Se interrompermos o movimento do ímã, a corrente desaparecerá imediatamente e, ao afastarmos o ímã, a corrente tornará a aparecer na espira, porém em sentido contrário ao anterior. Se uma corrente aparece na espira, é porque existe uma f.e.m. responsável por ela. Então, o fato do ímã ser aproximado ou afastado da espira fez com que uma f.e.m. aparecesse nesta espira. Por analogia com o que ocorria na figura 3, Faraday denominou esta f.e.m., na espira de "f.e.m. induzida" também. Entretanto, esta descoberta de Faraday se constitui em uma fato inteiramente novo, que não pode ser explicado baseando-se em leis estabelecidas anteriormente dentro do campo do eletromagnetismo.

Também no caso da figura 6, Faraday observou que o aparecimento de uma f.e.m. induzida. No instante em que a chave C é fechada, estabelecendo uma corrente na bobina F, o amperímetro A acusa o aparecimento de uma corrente induzida na bobina G. Enquanto C permanece fechada, isto é, enquanto existe uma corrente estável em F, não se observa corrente induzida em G. Entretanto, no instante em que se desliga a chave C, a corrente induzida reaparece na bobina G, em sentido contrário ao anterior.

A lei de Faraday

            Faraday conseguiu perceber que havia um fato em comum em todas as situações nas quais aparecia uma f.e.m. induzida. Analisando o grande número de experiências que ele mesmo realizou, Faraday verificou que sempre que uma f.e.m. induzida aparecia em um circuito, estava ocorrendo uma variação do fluxo magnético através deste circuito.

            De fato, na experiência mostrada na figura 3, em virtude do movimento da barra para a direita, a área do circuito dentro do campo magnético está aumentando e há uma f.e.m. induzida neste circuito, este fluxo não está variando, e nestas condições, não há f.e.m. induzida. Na figura 4, temos uma diminuição do fluxo através do circuito (área diminuindo) e novamente, observamos o aparecimento de uma f.e.m. induzida.

            Da mesma forma, quando o ímã é aproximado ou afastado da espira na figura 5, o fluxo magnético através desta espira está variando e, novamente, uma f.e.m. é induzida no circuito.

            No caso da figura 6, quando a chave C é fechada, a corrente que é estabelecida na bobina F cria um campo magnético que causa um fluxo através da bobina G. Portanto, o fluxo Æ através de G aumentou de zero até um certo valor e uma f.e.m. induzida aparece nesta bobina. Enquanto a chave C permanece fechada, a corrente F mantém-se constante e, portanto, será também constante o fluxo através da bobina G. Nestas condições, não há f.e.m induzida em G. No instante em que a chave C é aberta, o fluxo que existia em G desaparece (o fluxo em G diminui) e verifica-se novamente, o aparecimento de uma f.e.m. induzida dada por:

e = DÆ/Dt

O fenômeno do aparecimento de uma f.e.m. induzida foi denominado "indução eletromagnética" e o resultado que acabamos de ver tornou-se conhecido como "Lei de Faraday da Indução Eletromagnética". Esta lei, que é fundamental para o estudo de fenômenos eletromagnéticos, pode ser assim resumida:

Sempre que ocorrer uma variação de fluxo magnético através de um circuito aparecerá, neste circuito, uma f.e.m. induzida. O valor desta f.e.m., e, é dado por:

e = DÆ/Dt

onde DÆ é a variação do fluxo observada no intervalo de tempo Dt.

Lista de Materiais

·         Ímã em barra

·         Fonte de energia

·         Fios condutores

·         2 bobinas (200 espiras e 400 espiras)

·         Microamperímetro

·         Núcleo de ferro

·         Chave de contato

Procedimento Experimental e Resultados

            Ligamos uma das bobinas ao microamperímetro e depois aproximamos rapidamente o ímã em direção ao interior da bobina, observando a deflexão no microamperímetro. Após isso, afastamos o ímã verificamos o efeito provocado e o efeito que ocorreu quando deixamos o ímã no interior da bobina.

Invertendo-se o pólo do ímã, repetimos o mesmo procedimento.

            Ligamos a bobina de 200 espiras na fonte de energia (1,5A) juntamente com a chave de contato (liga/desliga) e ligamos a bobina de 400 espiras no microamperímetro "seguindo" o modelo abaixo:

Após aproximamos as duas bobinas e colocamos o ímã em seu interior. Fechamos o contato da chave e observamos o sentido de deflexão do microamperímetro. Verificamos então o efeito ao manter o contato fechado e ao abrir o contato da chave. Introduzimos então o núcleo de ferro de forma a passar pelas duas bobinas repetindo o mesmo procedimento.

            Através da demonstração do professor fizemos uma observação sobre o gerador de corrente contínua.

Discussão

            Com a bobina no sentido horário, quando o pólo norte do ímã entrava, a corrente passava a ser anti-horária para neutralizar o campo do ímã. Ao permanecer o ímã no interior da bobina, a microamperagem retornava ao zero e quando tirávamos o ímã, ela ia para ao lado contrário de que quando entrou. O contrário ocorreu quando realizamos a mesma experiência para o pólo sul do ímã.

            Depois de termos montado o esquema com as duas bobinas, utilizando agora a fonte de energia verificamos que ao fechar o contato da chave, o microamperímetro deflexava para o negativo. Ao manter o contato fechado, ocorria deflexão para o negativo e ao abrir o contato, para o positivo, sendo que o mesmo ocorreu para a experiência com o núcleo de ferro.

            Dentro do que observamos a respeito do gerador  de corrente contínua, pudemos notar que ao manter o "ventilador" girando para um lado, ocorria uma deflexão positiva no microamperímetro, e invertendo-se o giro, invertia-se a deflexão, que era agora negativa.

Conclusão

            Todos os obejtivos inicialmente propostos nessa experiência foram com sucesso atingidos. Pudemos estudar a indução eletromagnética a partir de um ímã e de bobinas, assim como também a Lei de Faraday, explicada em sala de aula.