• Nenhum resultado encontrado

CAPÍTULO 9­ A LEI DE AMPÈRE 

10.3  Correntes induzidas e lei de Faraday 

Os  experimentos  realizados  por  Faraday,  Henry,  e  outros  mostraram que se o fluxo magnético, através de uma área limitada por  um  circuito,  é  alterado  de  alguma  forma,  uma  fem,  igual  em  modulo  a 

taxa  de  variação  do  fluxo,  é  induzida  no  circuito.  Usualmente 

detectamos  a  fem  observando  uma  corrente  no  circuito,  mas  ela  está  presente mesmo quando o circuito está incompleto (aberto) e não existe  corrente.  Anteriormente  havíamos  considerado  fem  que  estavam  localizadas  em  uma  parte  especifica  do  circuito,  tal  como  entre  os  terminais da bateria. Contudo, fem’s induzidas podem ser consideradas  distribuídas através do circuito. 

O  fluxo  magnético  através  de  um  circuito  pode  ser  alterado  de  muitos  modos  diferentes.  A  corrente  produzindo  o  campo  magnético  pode  ser  aumentada  ou  diminuída,  magnetos  permanentes  podem  ser  movidos em direção ao circuito ou afastados dele, o circuito em si pode  ser movido para perto ou para longe da fonte do fluxo, a orientação do  circuito  pode  alterada,  ou  a  área  do  circuito  em  um  campo  magnético 

 

190

Exemplo resolvido 

fixo  pode  ser  aumentada  ou  diminuída.  Em  qualquer  caso,  uma  fem  é  induzida no circuito que é igual em modulo a taxa de variação do fluxo  magnético. 

A  Figura  10.2  mostra  uma  bobina  simples  de  uma  volta  em  um  campo magnético gerado por um magneto que ora é aproximado (Figura  10.2 (a)), ora permanece  constante  (Figura 10.2 (b)), ou ora é afastado  (Figura 10.2 (c)). Como mencionado acima, se o fluxo está variando, uma  fem  é  induzida  na  espira.  Uma  vez  que  a  fem  é  o  trabalho  feito  por  unidade  de  carga,  deve  existir  uma  força  exercida  sobre  a  carga  associada com a fem. A força por unidade de carga é o campo elétrico  ,  que neste caso é induzida pela variação do fluxo. A integral de linha do  campo elétrico em torno do circuito completo é igual ao trabalho feito  por unidade de carga, que, por definição, é a fem no circuito 

·        10.8  

O  campo  elétrico  que  estudamos  anteriormente  resultou  de  cargas eletrostáticas. Estes campos são conservativos, significando que o  trabalho  realizado  pelo  campo  eletrostático  em  torno  de  um  caminho  fechado  é  zero.  O  campo  elétrico  resultando  da  variação  do  fluxo  magnético  não  é  conservativo.  Sua  integral  de  linha  em  torno  de  uma  curva fechada  é igual a fem induzida, que é igual a taxa de variação do  fluxo magnético: 

·        10.8  

Este resultado é conhecido como a lei de Faraday. O sinal negativo  na  lei  de  Faraday  tem  a  ver  com  a  direção  da  fem  induzida,  a  ser  discutida mais a frente. 

Um  campo  magnetico  uniforme  faz  um  angulo  de  30   com  o  eixo  de  uma  espira  circular  de  300  voltas  e  um  raio  de  4  .  O  campo  varia  a  uma taxa de 85  / . Determine o modulo da fem induzida na espira. 

 

191

Exemplo resolvido 

Solução  A  fem  induzida  é  igual  a    vezes  a  taxa  de  variação  do  fluxo 

através  de  cada  volta.  Uma  vez  que  B  é  uniforme,  o  fluxo  através  de  cada  volta  é  simplesmente  cos ,  onde    é  a  área  da  bobina.  O modulo da fem induzida é dada pela lei de Faraday  | |   Para um campo uniforme, o fluxo é 

cos  

Substituindo a expressão para o fluxo 

 na expressão para 

| | obtemos  | | cos cos         10.9          300 3.14 0,04  cos 30 85 / 111     

Exercício  Se  a  resistencia  da  bobina  é  de  200 Ω,  qual  é  a  corrente 

induzida? 

Resposta 0.555   

Uma bobina com 80 voltas possui um raio de 5,0 cm e uma resistência  de  30 Ω.  A  que  taxa  deve  um  campo  magnético  perpendicular  variar  para produzir uma corrente de 4,0 A na bobina? 

Solução 

A  taxa  de  variação  do  campo  magnético  está  relacionada  à  taxa  de  variação  do  fluxo,  que  está  relacionada  à  fem  induzida  pela  lei  de  Faraday. A fem na bobina é igual a  . 

O fluxo magnético é dado em termos de     e o raio   pela expressão   

 

192

 

Figura  10.3  Uma  espira  condutora  de  raio    colocada  em  um  campo  magnético uniforme perpendicular ao plano da espira. Se   varia no tempo,  um campo elétrico é induzido em uma direção tangente à circunferência da  espira. 

Exemplo resolvido 

 

Tomando  a  derivada  temporal  de    podemos  relacionar  a  taxa  de  variação temporal do campo com a taxa de variação do fluxo e daí com a  corrente e resistência do circuito  1   Mas como  120   segue que  120  80  3,14 5,0 10   191  /     Um campo magnético B é perpendicular ao plano da página e uniforme  em uma região circular de raio R como mostrado na Figura 10.3. Fora da  região circular,  0. A taxa de variação da magnitude de   é  / .  Qual  é  o  módulo  do  campo  elétrico  induzido  no  plano  da  página  (a)  a  uma  distância    do  centro  da  região  circular,  (b)  a  uma  distância 

 

193

Solução 

O  campo  magnético    entrando  na  página  é  uniforme  sobre  a  região circular de raio  . Quando   varia, o fluxo magnético varia e uma  fem  ·   é  induzida  em  torno  de  alguma  curva  englobando  o  fluxo.  

O  campo  elétrico  induzido  é  determinado  aplicando  a  lei  de  Faraday.  Uma  vez  que  estamos  interessados  apenas  em  módulos,  desprezaremos o sinal menos e usaremos  · / .  

Para  tirar  vantagem  da  simetria  do  sistema  escolheremos  uma  curva circular de raio   para calcular a integral de linha. Por simetria,   é  tangente a esta curva e tem o mesmo modulo em qualquer ponto sobre  ela.  Então  calculamos  o  fluxo  magnético  e  tomamos  sua  derivada  temporal. Fazendo a integral e a derivada temporal iguais, otemos uma  expressão para  . 

(a)  Aplicando  a  integral  de  linha  para  um  circulo  de  raio  ,  considerando  que    é  tangente  ao  circulo  e  tem  módulo  constante,  obtemos 

· 2        10.10  

Por outro da lei de Faraday sabemos que a integral de linha está  relacionada à variação do fluxo magnético como 

·         10.11  

Para  ,    é  constante  sobre  o  circulo.  Uma  vez  que    é  perpendicular ao plano do circulo, o fluxo é simplesmente  . Assim 

  De onde segue que 

        10.12   De (10.10), (10.11) e (10.12) segue que 

 

194

2   A expressão do campo elétrico em função de r e da variação do fluxo do  campo magnético é  2 ,                 10.13   ( b ) Para o circulo de raio  , onde o campo magnético é nulo,  a integral de linha é a mesma que antes:  · 2  

Uma vez que  0 para  , o fluxo magnético é  , isto é,   

Aplicando  a  lei  de  Faraday  determinamos  o  campo  elétrico  induzido    como 

2  

Resolvendo para   teremos 

2

,        

        10.14

 

 

Observe  que  o  campo  elétrico,  no  exemplo  acima  (Equações  (10.13)  e  (10.14)),  é  produzido  por  uma  variação  do  campo  magnético  em  vez  de  ser  produzido  por  cargas  elétricas.  Se  cargas  tivessem  produzido o campo  , teriamos de partir de cargas positivas e finalizar  em cargas negativas. Uma vez que cargas não estão presentes, contudo,   forma circulos que não tem inicio e não tem fim. Observe também que  a fem existe em qualquer curva fechada limitando a área através da qual  o  fluxo  magnético  está  variando  na  presença  ou  não  de  um  fio  ou  circuito ao longo da curva. 

Exercício  Uma  bobina  de  40  voltas  move‐se  de  forma  brusca.  Esta 

 

195

 

Figura  10.4  Quando  a  o  magneto  em  forma  de  barra  está  se  movendo  em  direção  a espira,  a  fem  induzida na  espira  produz  uma  corrente na  direção  mostrada.  O  campo  magnético  devido  a  corrente  induzida  na  espira (indicada por linhas pontilhadas) produz um fluxo que se opõe ao  aumento  no  fluxo  através  da  espira  devido  ao  movimento  da  barra  magnética. 

por  um  ângulo  de  180   em  um  campo  magnético  de  5000  ,  quanta  carga passa através dela? 

Resposta  7,07