Lei de Faraday-Neumann-Lenz - Apostilas - Fisica, Notas de estudo de Física. Universidade do Estado do Amazonas (UEA)
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Brigadeiro6 de Março de 2013

Lei de Faraday-Neumann-Lenz - Apostilas - Fisica, Notas de estudo de Física. Universidade do Estado do Amazonas (UEA)

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Apostilas de Física sobre o estudo da Lei de Faraday-Neumann-Lenz, definição, força eletromagnetica, relação entre indução e força eletromagnética, força eletromotriz.
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LEI DE FARADAY

A lei de Faraday-Neumann-Lenz, ou lei da indução eletromagnética, é uma lei da física que quantifica a indução eletromagnética, que é o efeito da produção de corrente elétrica em um circuito colocado sob efeito de um campo magnético variável ou por um circuito em movimento em um campo magnético constante. É a base do funcionamento dos alternadores, dínamos e transformadores.

Tal lei é derivada da união de diversos princípios. A lei da indução de Faraday, elaborada por Michael Faraday em 1831, afirma que a corrente elétrica induzida em um circuito fechado por um campo magnético, é proporcional ao número de linhas do fluxo que atravessa a área envolvida do circuito, na unidade de tempo.

Faraday descobriu que um campo magnético estacionária próximo a uma bobina, também estacionária e ligada a uma galvanômetro, não acusa a passagem de corrente elétrica. Observou, porém, que uma corrente elétrica temporária era registrada no galvanômetro quando o campo magnético sofria uma variação.

Faraday realizou inúmeras experiências e em todas elas ele percebeu um fato bem comum que ocorria sempre que aparecia uma força eletromotriz induzida. Ao analisar todos os seus trabalhos, ele verificou que quando a força eletromotriz aparecia no circuito ocorria a variação do fluxo magnético nesse mesmo circuito. Faraday observou que a intensidade da F.E.M é cada vez maior quanto mais rápido ocorrer a variação do fluxo magnético. De forma mais precisa, ele verificou que durante um intervalo de tempo Δt o fluxo magnético varia ΔΦ, e dessa forma ele concluiu que a f.e.m é dada pela razão entre variação do fluxo magnético e a variação do tempo, veja:

ε = ΔΦ/ Δt

O aparecimento da força eletromotriz foi denominado de indução eletromagnética e a expressão descrita acima ficou conhecida como a Lei de Faraday da indução eletromagnética.

A seguir, a ilustração representa o efeito de indução eletromagnética, como pesquisado por Faraday:

FORÇA ELETROMAGNÉTICA

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É o fenômeno que acontece quando corpos que possuem cargas elétricas e corpos magnetizados interagem entre si. Na pratica essa força acontece quando um condutor carregado com uma corrente elétrica entra em contato com um campo magnético, criando assim a força eletromagnética.

Neste fenômeno podemos aplicar a regra da mão esquerda para verificar o sentido da força, campo e corrente.

RELAÇÃO ENTRE INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA E A FORÇA ELETROMAGNETICA

A relação entre indução e força eletromagnética é basicamente o campo magnético presente nesses dois fenômenos, com a diferença que na indução eletromagnética a presença desse campo faz com que se crie uma corrente elétrica, já no outro é uma força que aparece quando um condutor elétrico é inserido no campo magnético.

FORÇA ELETROMOTRIZ (FEM)

Geralmente denotada como , é a propriedade de que dispõe um dispositivo qualquer a qual tende a ocasionar produção de corrente elétrica num circuito. É uma grandeza escalar e não deve ser confundida com uma diferença de potencial elétrico (DDP), apesar de ambas terem a mesma unidade de medida. A voltagem ou DDP é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos, sejam eles os terminais de uma bateria ou simplesmente dois pontos quaisquer sob a ação de um campo elétrico constante e uniforme.

A força eletromotriz é o trabalho por unidade de carga que uma força não-eletrostática realiza quando uma carga é transportada de um ponto a outro por um particular trajeto; isto é, a força eletromotriz, contrariamente da DDP, depende do caminho. Por exemplo, a força eletromotriz em uma pilha ou bateria somente existe entre dois pontos conectados por um caminho interno a essas fontes.

Curiosidades sobre a F.E.M

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1) Grande parte da população mundial tem conhecimento da unidade Volt, porém poucos sabem o que realmente significa.

2) Pode-se analogamente comparar a diferença de potencial elétrico como a diferença de potencial gravitacional. Assim, quanto maior for a F.E.M., maior será a transformação de energia potencial em trabalho, de acordo com a quantidade de carga em questão. Comparando, quanto maior for a altura de lançamento de um corpo, partindo do repouso, maior será a transformação de sua energia potencial gravitacional em trabalho, também de acordo com a massa do corpo sob a qual a gravidade atua.

3) Até mesmo em nosso sistema nervoso há F.E.M. Ela é a responsável pela transmissão dos impulsos nervosos, como pensamentos, sensação de dor, "vontade" que movimenta braços e outros membros no corpo humano.

A descoberta de tal propriedade pode ser traçada até o físico italiano Alexandre Volta, que no ano de 1796 construiu o ”gerador elétrico”, capaz de produzir cargas elétricas contínuas em um considerável intervalo de tempo. Essa construção levou os físicos a formularem um novo conceito para uma nova grandeza física, a qual ficou conhecida pelo nome de “força eletromotriz”. Tal nome, apesar de inadequado, é mantido até hoje por tradição, pois à época os conhecimentos sobre a distinção entre força e energia ainda não eram aprofundados. O que se sabia sobre eletricidade e geradores químicos ainda era insuficiente para que se criasse um nome mais apropriado.

Em geral a força eletromotriz é representada pelas iniciais f.e.m. ou pela letra E (ou e). Sendo W a energia que o gerador fornece ao circuito durante o tempo t, e Q a carga elétrica que passa por qualquer secção transversal durante-o mesmo tempo, temos, por definição:

E = W / Q

Sendo “E” a constante, a energia “W” fornecida pelo gerador é proporcional à carga “Q” que ele fornece durante o mesmo tempo.

REGRA DE FLEMING

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As regras de Fleming, como o próprio nome indica, foram descobertas pelo físico britânico Sir John Ambrose Fleming que nasceu a 29 de novembro de 1849, em Lancaster, e que faleceu a 18 de abril de 1945 em Sidmouth.

Estas regras constituem auxiliares de memória usados para recordar as direções relativas do campo magnético, corrente elétrico e da força resultante (que provoca o movimento) no gerador elétrico ou motor, usando para isso os dedos.

A regra da mão esquerda refere-se a motores e a regra da mão direita a geradores.

As três direções são representadas pelo polegar (para o movimento), pelo indicador (para o campo) e pelo dedo médio (para a corrente elétrica), mantidos em ângulos retos uns em relação aos outros.

LEI DE LENZ

Quando um ímã é movimentado nas proximidades de uma espira condutora fechada, conforme mostra a figura 01, surge uma força eletromotriz induzida nesta espira, e uma corrente elétrica pode ser detectada neste circuito.

A lei de Faraday expressa apenas a intensidade da força eletromotriz induzida. Sendo assim, em 1834, o físico russo Heinrich E. Lenz (1804-1865) define que a força eletromotriz é igual ao negativo da variação do fluxo magnético no interior da espira, assumindo a forma:

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Assim, a Lei de Lenz evidencia o aparecimento de uma reação contrária a ação provocada pelo ímã. Ou seja, se o norte do ímã se aproxima da espira, o sentido da força eletromotriz é anti- horário. Isto porque, conforme convencionado, o norte é o sentido positivo da indução magnética. Por sua vez, o sentido do movimento das cargas positivas coincide com o sentido da força eletromotriz induzida, conforme mostra a figura 02.

Tais afirmações nos conduzem a conclusão de que não é possível produzir energia elétrica sem que seja realizado um trabalho. Isto é bastante evidente, pois pra mudar o movimento de uma carga elétrica situada em um condutor, cada uma delas tem de receber um impulso, proveniente de uma força aplicada.

Desta forma, mais uma vez fica evidente que grandezas como quantidade de movimento e energia se conservam em todos os processos ocorridos em sistemas isolados na natureza.

Apoiado nestas informações muitos cientistas buscaram soluções visando uma otimização no aproveitamento das formas de energia, especialmente buscando minimizar as perdas. Desta forma, desenvolveram-se cada vez mais os métodos de produção de energia, e ainda criaram-se outros mais eficientes.

CONVERSÃO ELETROMAGNETICA DE ENERGIA

A conversão de energia é estabelecida de uma força que quando gerada fornece uma variação de indutância ocorrendo um deslocamento isto é, fazendo a conversão de energia elétrica em mecânica por fluxo magnético.

A variação da indutância do sistema representa a diferença entre a potência fornecida pela fonte e as potências dissipadas na resistência do circuito e armazenada no campo magnético.

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Os transdutores são dispositivos que auxiliam nesta conversão de energias em outras tais como: geradores, eletroímãs, microfones, auto- falantes e etc. Contudo possuem características dividindo-se em três partes: elétrica, mecânica e eletromecânica.

Também podem classificar-se devido ao seu número de campos envolvidos: dispositivos de excitação única ou dispositivos de dois ou mais caminhos de excitação.

Os três tipos de campos mais encontrados:

1. Imãs permanentes;

2. Muitos dispositivos;

3. Dispositivo de potencia;

Neste estudo foi deparado com balanço de energias envolvendo quatro formas de energia como:

1. Principio da conversão de energia;

2. Leis do campo magnético e elétrico;

3. Leis dos circuitos elétricos;

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4. Leis de Newton da mecânica;

A energia no campo magnético depende da configuração especifica suprida pela fonte estabelecendo uma configuração fixa (dWe = 0).

Também pode-se falar que o fluxo magnetico depende de:

1. configuração geométrica das bobinas;

2. circuito magnético;

3. propriedades magnéticas do material do núcleo;

Condutor Retilíneo

Um condutor percorrido por uma corrente elétrica gera um campo magnético ao seu redor.

Espira Circular

É um campo magnético gerado em espira circular onde percorre uma corrente elétrica perpendicular ao plano de espiras.

Bobina Chata

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Considera os números de espiras iguais justapostas, verificando a espessura do enrolamento juntamente com o diâmetro seja menor que cada espira

.

Solenoides

É um condutor longo e enrolado em forma de tubo constituído de espiras igualmente espaçadas.

Circuito Magnético

São os equipamentos onde vão ser gerados o campo para fins de utilização em máquinas, energia entre outras fontes.

FATORES QUE AFETAM O VALOR DA INDUÇÃO E

INDUTÂNCIA

A característica de um circuito elétrico que se opõe a mudanças na corrente. A reação (oposição) é causada pela criação ou destruição de um campo magnético. Quando a corrente começa a fluir, linhas magnéticas de força são criadas.

Essas linhas de força cortam o condutor induzindo uma força eletromotriz contrária em direção oposta à corrente.

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AUTO-INDUTÂNCIA

O processo pelo qual um circuito induz uma força eletromotriz (fem) em si próprio pela movimentação de seu campo magnético. Todo circuito elétrico possui auto-indutância. Essa oposição (indutância), entretanto, apenas aparece quando há uma mudança na corrente do circuito. A Indutância NÃO se opõe à corrente, apenas a MUDANÇAS na corrente. A propriedade da indutância pode ser aumentada se o condutor formar um laço. Em uma volta, as linhas de força afetam mais o condutor. Isso aumenta a FEM auto-induzida.

INDUTÂNCIA EM UMA BOBINA

A propriedade da indutância pode ser aumentada ainda mais se o condutor for enrolado em uma bobina. Como uma bobina contém muitas voltas, mais do condutor será afetado pelo campo magnético. Indutores (bobinas) são classificados de acordo com o tipo de núcleo.

Normalmente o material deste Núcleo é o ar (núcleo oco), Lâminas de Aço Silício ou ferrite.

FATORES QUE AFETAM A INDUTÂNCIA DAS BOBINAS

A indutância em uma bobina é totalmente dependente da sua constituição física. Alguns dos fatores que afetam a indutância são:

O número de voltas na bobina. Aumentando o número de voltas, aumenta-se a indutância.

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DIÂMETRO DA BOBINA

A indutância aumenta em proporção direta ao aumento da área da secção transversal da bobina.

COMPRIMENTO DA BOBINA

Quando o comprimento da bobina é aumentado, mantendo-se o número de voltas inalterado, o espaço entre as voltas aumenta. Isso diminui a indutância da bobina.

O TIPO DE MATERIAL NO NÚCLEO

Aumentando-se a permeabilidade do núcleo aumenta-se a indutância da bobina.

ENROLAR AS BOMBINAS EM CAMADA

Quanto mais camadas são usadas para formar uma bobina, maior é o efeito que o campo magnético tem sobre o condutor. Enrolando-se a bobina em camadas aumenta-se a indutância.

UNIDADE DE INDUTÂNCIA

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A Indutância (L) é medida em henries (H). Um indutor tem uma indutância de um henry (H) se uma força eletromotriz (fem) de um volt é induzida no condutor quando a corrente através do condutor está mudando a uma taxa de um ampere por segundo. As unidades comuns de indutância são (H), milihenry (mH) e o microhenry (µH).

INDUTÂNCIA MÚTUA

Quando duas bobinas são posicionadas de modo que o fluxo de uma bobina corte as voltas do enrolamento da outra, essas bobinas têm indutância mútua. A quantidade de indutância mútua depende de vários fatores: a posição relativa dos eixos das bobinas, a permeabilidade dos núcleos, a dimensão física das duas bobinas, do número de voltas em cada bobina, e da distância entre as bobinas. O coeficiente K desse “acoplamento” especifica a intensidade de interação entre as bobinas. Se todo o fluxo de uma bobina cortar todas as voltas do enrolamento da outra o coeficiente K é 1 ou unitário. Se nenhum fluxo de uma das bobinas cortar o enrolamento da outra, o coeficiente k é zero. A indutância mútua entre duas bobinas (L1 e L2) pode ser expresso matematicamente assim:

CALCULANDO A INDUTÂNCIA DE UM CIRCUITO

Quando a indutância total de um circuito é calculada, os valores individuais são tratados da mesma forma que valores de resistência. As indutâncias de várias bobinas em série são somadas, como as resistências de resistores em série. Isto é:

As indutâncias de bobinas em paralelo são combinadas matematicamente como as resistências de resistores em paralelo, isto é:

Ambas as formulas acima são precisas, mostrando que não há indutância mútua entre os indutores.

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CONCLUSÃO:

No trabalho apresentado concluímos que tudo que foi apresentado pode estar de certa forma, envolvidos no nosso dia a dia. Além de tudo durante os semestres já cursado já tivemos as aulas referente ao mesmo trabalho, sendo assim o grupo pode revisar todos os assuntos tratado no trabalho.

Podemos concluir que o trabalho realizado nos trouxe um maior esclarecimento de tudo que já foi apresentado durante os semestres anteriores e que este relatório extracurricular ira nos beneficiar no próximo Enade ou simulado do enade.

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BIBLIOGRAFIA

pt.wikipedia.org/wiki/Força_eletromotriz

http://www.termopares.com.br/teoria_sensores_temperatura_termopares_forca_eletromotriz/

http://www.infoescola.com/fisica/forca-eletromotriz/

HALLIDAY, David, RESNIK Robert, KRANE, Denneth S. Física 3, volume 2, 5 Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004. 384 p.

http://www.infoescola.com/eletromagnetismo/lei-de-lenz/

http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/eletricidade-e-magnetismo/lei-de-faraday.php

http://www.novaeletronica.net/

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAwOUAB/maquinas-eletricas

http://eletronicos.etc.br/wp-content/uploads/2010/03/faraday.jpg

http://www.educadores.diaadia.pr.gov.br/arquivos/File/tvmultimidia/image

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