A lei de Faraday no eletromagnetismo estabelece que um fluxo de campo magnético variável é capaz de induzir uma corrente elétrica em um circuito fechado.

Em 1831, o físico inglês Michael Faraday experimentou condutores móveis dentro de um campo magnético e também campos magnéticos variáveis ​​que passavam por condutores fixos.

Figura 1. Experiência de indução de Faraday

Faraday percebeu que se variasse o fluxo do campo magnético ao longo do tempo, ele seria capaz de estabelecer uma voltagem proporcional a essa variação. Se ε é a tensão ou força eletromotriz induzida (fem induzida) e Φ é o fluxo do campo magnético, pode ser expresso matematicamente:

-ε- = ΔΦ / Δt

Onde o símbolo Δ indica variação da quantidade e as barras na fem indicam o valor absoluto desta. Por ser um circuito fechado, a corrente pode fluir em uma direção ou na outra.

O fluxo magnético, produzido por um campo magnético em uma superfície, pode variar de várias maneiras, por exemplo:

-Mover uma barra magnética através de um laço circular.

-Aumentar ou diminuir a intensidade do campo magnético que passa pelo loop.

- Deixar o campo fixo, mas por meio de algum mecanismo alterar a área do loop.

-Combinar os métodos anteriores.

Figura 2. Físico inglês Michael Faraday (1791-1867).

Fórmulas e unidades

Suponha-se que têm uma área de circuito fechado A como uma bobina circular ou enrolamento igual à da Figura 1, e que tem um magneto que produz um campo magnético B.

O fluxo do campo magnético Φ é uma grandeza escalar que se refere ao número de linhas de campo que cruzam a área A. Na figura 1 são as linhas brancas que saem do pólo norte do ímã e retornam pelo sul.

A intensidade do campo será proporcional ao número de linhas por unidade de área, portanto podemos ver que nos pólos é muito intenso. Mas podemos ter um campo muito intenso que não produz fluxo no loop, o que podemos alcançar mudando a orientação do loop (ou do ímã).

Para levar em consideração o fator de orientação, o fluxo do campo magnético é definido como o produto escalar entre B e n, onde n é o vetor normal da unidade para a superfície do loop e que indica sua orientação:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Onde θ é o ângulo entre B e n. Se, por exemplo, B e n são perpendiculares, o fluxo do campo magnético é zero, pois nesse caso o campo é tangente ao plano do loop e não pode passar por sua superfície.

Por outro lado, se B e n são paralelos, significa que o campo é perpendicular ao plano do loop e as linhas passam por ele tanto quanto possível.

A unidade do Sistema Internacional para F é o weber (W), onde 1 W = 1 Tm ² (leia “tesla por metro quadrado”).

Lei de Lenz

Na figura 1, podemos ver que a polaridade da voltagem muda conforme o ímã se move. A polaridade é estabelecida pela lei de Lenz, que estabelece que a tensão induzida deve se opor à variação que a produz.

Se, por exemplo, o fluxo magnético produzido pelo ímã aumenta, uma corrente é estabelecida no condutor que circula criando seu próprio fluxo, que se opõe a esse aumento.

Se, pelo contrário, o fluxo gerado pelo íman diminui, a corrente induzida circula de forma que o próprio fluxo neutraliza essa diminuição.

Para levar em conta esse fenômeno, um sinal negativo é acrescentado à lei de Faraday e não é mais necessário colocar as barras de valor absoluto:

ε = -ΔΦ / Δt

Esta é a lei Faraday-Lenz. Se a variação do fluxo for infinitesimal, os deltas são substituídos por diferenciais:

ε = -dΦ / dt

A equação acima é válida para um loop. Mas se tivermos uma bobina de N voltas, o resultado é muito melhor, porque a fem é multiplicada por N vezes:

ε = - N (dΦ / dt)

Experimentos de Faraday

Para que a corrente para acender a lâmpada seja produzida, deve haver um movimento relativo entre o ímã e o laço. Esta é uma das formas em que o fluxo pode variar, pois desta forma muda a intensidade do campo que passa pelo loop.

Assim que o movimento do ímã cessa, a lâmpada apaga-se, mesmo que o ímã fique parado no meio do loop. O que é necessário para fazer circular a corrente que liga a lâmpada é que o fluxo do campo varie.

Quando o campo magnético varia com o tempo, podemos expressá-lo como:

B = B (t).

Mantendo constante a área A do loop e deixando-a fixa em um ângulo constante, que no caso da figura é 0º, então:

Figura 4. Se o loop for girado entre os pólos de um ímã, um gerador senoidal é obtido. Fonte: F. Zapata.

Assim, um gerador senoidal é obtido, e se em vez de uma única bobina um número N de bobinas for usado, a fem induzida é maior:

Figura 5. Neste gerador, o ímã é girado para induzir corrente na bobina. Fonte: Wikimedia Commons.

Referencias

1. Figueroa, D. 2005. Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 6. Electromagnetismo. Editado por Douglas Figueroa (USB).
2. Giambattista, A. 2010. Physics. Second Edition. McGraw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed. Prentice Hall.
4. Resnick, R. 1999. Física. Vol. 2. 3ra Ed. en español. Compañía Editorial Continental S.A. de C.V.
5. Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume 2.