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13.2: Lei de Faraday

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    objetivos de aprendizagem

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Determine o fluxo magnético através de uma superfície, conhecendo a intensidade do campo magnético, a área da superfície e o ângulo entre o normal e a superfície e o campo magnético
    • Use a lei de Faraday para determinar a magnitude do emf induzido em um circuito fechado devido à mudança do fluxo magnético através do loop

    Os primeiros experimentos produtivos sobre os efeitos de campos magnéticos variáveis no tempo foram realizados por Michael Faraday em 1831. Um de seus primeiros experimentos está representado na Figura\(\PageIndex{1}\). Um emf é induzido quando o campo magnético na bobina é alterado ao empurrar uma barra magnética para dentro ou para fora da bobina. Os emfs de sinais opostos são produzidos pelo movimento em direções opostas, e as direções dos emfs também são revertidas por pólos invertidos. Os mesmos resultados são produzidos se a bobina for movida em vez do ímã — é o movimento relativo que é importante. Quanto mais rápido o movimento, maior o emf e não há emf quando o ímã está parado em relação à bobina.

    A Figura A mostra o ímã com o polo norte voltado para cima movido para dentro da bobina. A Figura B mostra o ímã com o polo norte voltado para cima retirado da bobina. A Figura C mostra o ímã com o polo sul voltado para cima movido para dentro da bobina. A Figura D mostra o ímã com o polo sul voltado para cima retirado da bobina. A Figura E mostra o ímã com o polo norte voltado para cima e fixo na bobina.
    Figura\(\PageIndex{1}\): O movimento de um ímã em relação a uma bobina produz emfs conforme mostrado (a—d). Os mesmos emfs são produzidos se a bobina for movida em relação ao ímã. Esse emf de curta duração só está presente durante o movimento. Quanto maior a velocidade, maior a magnitude do emf e o emf é zero quando não há movimento, conforme mostrado em (e).

    Faraday também descobriu que um efeito semelhante pode ser produzido usando dois circuitos: uma mudança de corrente em um circuito induz uma corrente em um segundo circuito próximo. Por exemplo, quando a chave é fechada no circuito 1 da Figura\(\PageIndex{1a}\), a agulha do amperímetro do circuito 2 se desvia momentaneamente, indicando que um surto de corrente de curta duração foi induzido nesse circuito. A agulha do amperímetro retorna rapidamente à sua posição original, onde permanece. No entanto, se o interruptor do circuito 1 for aberto repentinamente, outro surto de corrente de curta duração na direção oposta à anterior é observado no circuito 2.

    A Figura A mostra o circuito no qual a chave está sendo fechada, fazendo com que a corrente flua no sentido horário através dela. A Figura B mostra o circuito no qual a chave é mantida fechada. Não há corrente no circuito. A Figura C mostra o circuito no qual a chave está sendo aberta, fazendo com que a corrente flua no sentido anti-horário através dela.
    Figura\(\PageIndex{2}\): (a) Fechar o interruptor do circuito 1 produz um surto de corrente de curta duração no circuito 2. (b) Se o interruptor permanecer fechado, nenhuma corrente será observada no circuito 2. (c) Abrir o interruptor novamente produz uma corrente de curta duração no circuito 2, mas na direção oposta à anterior.

    Faraday percebeu que em ambos os experimentos, uma corrente fluía no circuito contendo o amperímetro somente quando o campo magnético na região ocupada por esse circuito estava mudando. Quando o ímã da figura foi movido, a intensidade de seu campo magnético no circuito mudou; e quando a corrente no circuito 1 foi ligada ou desligada, a intensidade de seu campo magnético no circuito 2 mudou. Faraday acabou conseguindo interpretar esses e todos os outros experimentos envolvendo campos magnéticos que variam com o tempo em termos da seguinte lei.

    Lei de Faraday

    O emf\(\epsilon\) induzido é a mudança negativa no fluxo magnético\(\Phi_m\) por unidade de tempo. Qualquer mudança no campo magnético ou mudança na orientação da área da bobina em relação ao campo magnético induz uma tensão (emf).

    O fluxo magnético é uma medida da quantidade de linhas do campo magnético em uma determinada área de superfície, conforme visto na Figura\(\PageIndex{3}\). Essa definição é semelhante ao fluxo elétrico estudado anteriormente. Isso significa que se tivermos

    \[\Phi_m = \int_S \vec{B} \cdot \hat{n}dA,\]

    então o emf induzido ou a tensão gerada por um condutor ou bobina que se move em um campo magnético é

    \[\epsilon = - \dfrac{d}{dt} \int_S \vec{B} \cdot \hat{n} dA = - \dfrac{d\Phi_m}{dt}.\]

    O sinal negativo descreve a direção na qual o emf induzido aciona a corrente ao redor de um circuito. No entanto, essa direção é mais facilmente determinada com uma regra conhecida como lei de Lenz, que discutiremos em breve.

    A figura mostra um campo magnético uniforme B cortando uma área de superfície A.
    Figura\(\PageIndex{3}\): O fluxo magnético é a quantidade de linhas de campo magnético que atravessam uma área de superfície A definida pelo vetor de área unitária\(\hat{n}\). Se o ângulo entre a área unitária\(\hat{n}\) e o vetor do campo magnético\(\vec{B}\) for paralelo ou antiparalelo, conforme mostrado no diagrama, o fluxo magnético é o maior valor possível, dados os valores da área e do campo magnético.

    \(\PageIndex{1a}\)retrata um circuito e uma superfície arbitrária S que ele delimita. Observe que S é uma superfície aberta. Pode-se mostrar que qualquer superfície aberta delimitada pelo circuito em questão pode ser usada para avaliar\(\Phi_m\). Por exemplo,\(\Phi_m\) é o mesmo para as várias superfícies\(S_1, \, S_2, . . .\) da parte (b) da figura.

    A Figura A mostra o circuito delimitando uma superfície aberta arbitrária S. A área plana delimitada pelo circuito não faz parte de S. A Figura B mostra três superfícies abertas arbitrárias S1, S2 e S3 delimitadas pelo mesmo circuito.
    Figura\(\PageIndex{4}\): (a) Um circuito delimitando uma superfície aberta arbitrária S. A área plana delimitada pelo circuito não faz parte de S. (b) Três superfícies abertas arbitrárias delimitadas pelo mesmo circuito. O valor de\(\Phi_m\) é o mesmo para todas essas superfícies.

    A unidade SI para fluxo magnético é o weber (Wb),

    \[1 \, Wb = 1 \, T \cdot m^2.\]

    Ocasionalmente, a unidade de campo magnético é expressa como webers por metro quadrado (\(Wb /m^2\)) em vez de teslas, com base nessa definição. Em muitas aplicações práticas, o circuito de interesse consiste em um número N de curvas bem enroladas (Figura\(\PageIndex{5}\)). Cada curva experimenta o mesmo fluxo magnético. Portanto, o fluxo magnético líquido através dos circuitos é N vezes o fluxo em uma volta, e a lei de Faraday é escrita como

    \[\epsilon = - \dfrac{d}{dt}(N\Phi_m) = - N \dfrac{d\Phi_m}{dt}.\]

    Uma bobina quadrada em um campo magnético variável

    A bobina quadrada da Figura\(\PageIndex{1}\) tem lados\(l = 0.25 \, m\) longos e é bem enrolada com\(N = 200\) voltas de arame. A resistência da bobina é\(R = 5.0 \, \Omega\) A bobina é colocada em um campo magnético espacialmente uniforme que é direcionado perpendicularmente à face da bobina e cuja magnitude está diminuindo a uma taxa\(dB/dt = -0.040 \, T/s\). (a) Qual é a magnitude do emf induzido na bobina? (b) Qual é a magnitude da corrente circulando pela bobina?

    A figura mostra uma bobina quadrada de comprimento lateral l com N voltas de fio. Um campo magnético uniforme B é direcionado na direção descendente, perpendicular à bobina
    Figura\(\PageIndex{5}\): Uma bobina quadrada com N voltas de fio com campo magnético uniforme\(\vec{B}\) direcionado na direção descendente, perpendicular à bobina.

    Estratégia

    O vetor de área, ou\(\hat{n}\) direção, é perpendicular à área que cobre o loop. Escolheremos que isso esteja apontando para baixo, de forma que\(\vec{B}\) fique paralelo\(\hat{n}\) e que o fluxo se transforme em multiplicação do campo magnético vezes a área. A área do loop não muda com o tempo, então ela pode ser considerada a partir da derivada temporal, deixando o campo magnético como a única quantidade que varia no tempo. Por fim, podemos aplicar a lei de Ohm uma vez que conhecemos o emf induzido para encontrar a corrente no circuito.

    Solução

    1. O fluxo através de uma curva é\[\Phi_m = BA = Bt^2,\]

    para que possamos calcular a magnitude do emf a partir da lei de Faraday. O sinal do emf será discutido na próxima seção, sobre a lei de Lenz:\[|\epsilon| = \left|-N\dfrac{d\Phi_m}{dt}\right| = Nl^2 \dfrac{dB}{dt}\]\[= (200)(0.25 \, m)^2 (0.040 \, T/s) = 0.50 \, V.\]

    • A magnitude da corrente induzida na bobina é\[I = \dfrac{\epsilon}{R} = \dfrac{0.50 \, V}{5.0 \, \Omega} = 0.10 \, A.\]

    Significância

    Se a área do loop estivesse mudando no tempo, não conseguiríamos retirá-la da derivada temporal. Como o circuito é um caminho fechado, o resultado dessa corrente seria uma pequena quantidade de aquecimento dos fios até que o campo magnético parasse de mudar. Isso pode aumentar ligeiramente a área do circuito à medida que os fios são aquecidos.

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    Uma bobina bem enrolada tem um raio de 4,0 cm, 50 voltas e uma resistência total de\(40 \, \Omega\). Em que taxa um campo magnético perpendicular à face da bobina deve mudar para produzir aquecimento por Joule na bobina a uma taxa de 2,0 mW?

    Solução

    1,1 T/s

    Contribuidores e atribuições

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