Este tutorial irá explicar o conceito de FME indutivo e quando este ocorre. Também consideraremos a indutância como um parâmetro chave para a ocorrência de fluxo magnético quando um campo eléctrico aparece num condutor.
A indução electromagnética é a geração de corrente eléctrica por campos magnéticos que mudam ao longo do tempo. Graças às descobertas de Faraday e Lenz, as regularidades foram formuladas em leis, que introduziram simetria na compreensão dos fluxos electromagnéticos. A teoria de Maxwell reuniu o conhecimento da corrente eléctrica e dos fluxos magnéticos. Através das descobertas de Hertz, a humanidade aprendeu sobre as telecomunicações.
Conteúdos
Fluxo magnético
Um campo electromagnético aparece em torno de um condutor com uma corrente eléctrica, mas em paralelo o fenómeno oposto, a indução electromagnética, também ocorre. Considere o fluxo magnético como exemplo: se uma armação condutora for colocada num campo eléctrico com indução e movida de cima para baixo ao longo das linhas magnéticas de força, ou da direita para a esquerda perpendicular a elas, então o fluxo magnético através da armação será um valor constante.
Se a moldura rodar em torno do seu eixo, então após algum tempo, o fluxo magnético mudará em certa quantidade. Isto produzirá um CEM no quadro e uma corrente eléctrica, que é chamada corrente de indução.
FME Indutivo
Vamos compreender o conceito de FME indutivo em detalhe. Quando um condutor é colocado num campo magnético e se move com a passagem das linhas de campo, uma força electromotriz chamada CEM indutiva aparece no condutor. Também ocorre se o condutor permanecer estacionário e o campo magnético se mover e intersectar as linhas de campo com o condutor.
Quando um condutor, onde são gerados CEM, é curto-circuitado a um circuito externo, uma corrente indutiva começa a fluir através do circuito devido à presença deste CEM. A indução electromagnética envolve o fenómeno de indução de CEM num condutor no momento em que este é atravessado por linhas de campo magnético.
A indução electromagnética é o processo inverso da transformação da energia mecânica em corrente eléctrica. Este conceito e as suas leis são amplamente utilizados na engenharia eléctrica e a maioria das máquinas eléctricas baseiam-se neste fenómeno.
Faraday e Lenz
As leis de Faraday e Lenz representam as leis da indução electromagnética.
Faraday revelou que os efeitos magnéticos aparecem como resultado da alteração do fluxo magnético ao longo do tempo. No momento em que um condutor é atravessado por uma corrente magnética alternada, é gerada uma força electromotriz no condutor, resultando numa corrente eléctrica. Tanto um íman permanente como um electroíman podem gerar corrente.
O cientista descobriu que a intensidade da corrente aumenta quando o número de linhas eléctricas que atravessam o circuito muda rapidamente. O CEM de indução electromagnética está em relação directa com o fluxo magnético.
De acordo com a lei de Faraday, a fórmula dos CEM de indução electromagnética é definida da seguinte forma:
E = - dF/dt.
O sinal menos indica a relação entre a polaridade do FME induzido, a direcção do fluxo e a velocidade de mudança.
De acordo com a lei de Lenz, é possível caracterizar a força electromotriz como uma função da sua direcção. Qualquer alteração no fluxo magnético na bobina resulta num CEM de indução, com um CEM crescente a ocorrer quando a alteração é rápida.
Se uma bobina com CEM de indução for curto-circuitada a um circuito externo, então uma corrente de indução flui através dela, causando um campo magnético em torno do condutor e dando à bobina as propriedades de um solenóide. Como resultado, um campo magnético próprio é formado à volta da bobina.
E.H. Lenz estabeleceu a lei segundo a qual a direcção da corrente de indução na bobina e o FME de indução são determinados. A lei estabelece que o FME indutivo na bobina forma uma corrente na bobina na direcção em que o fluxo magnético dado da bobina torna possível evitar uma alteração do fluxo magnético externo.
A lei de Lenz aplica-se a todas as situações de indução de corrente eléctrica em condutores, independentemente da sua configuração ou método de alteração do campo magnético externo.
O movimento de um fio num campo magnético
O valor do FME induzido é determinado de acordo com o comprimento do condutor percorrido pelas linhas de campo. Com mais linhas de força, o valor dos CEM induzidos aumenta. À medida que o campo magnético e a indução aumentam, surge um maior valor de CEM no condutor. Assim, o valor do FME num condutor em movimento num campo magnético está directamente relacionado com a indução do campo magnético, o comprimento do condutor e a sua velocidade.
Esta dependência reflecte-se na fórmula E = Blv, onde E é o FME da indução; B é o valor da indução magnética; I é o comprimento do condutor; v é a velocidade do seu movimento.
Note-se que num condutor em movimento num campo magnético, a indução de campos magnéticos aparece apenas quando atravessa as linhas de força do campo magnético. Se o condutor se mover ao longo das linhas do campo, então nenhum FME é induzido. Por esta razão, a fórmula só se aplica quando o movimento do condutor é perpendicular às linhas de força.
A direcção dos CEM induzidos e da corrente eléctrica no condutor é determinada pela direcção do movimento do próprio condutor. Foi desenvolvida uma regra da direita para revelar a direcção. Se segurar a palma da mão direita para que as linhas de campo entrem na sua direcção e o polegar aponte na direcção do condutor, então os restantes quatro dedos mostram a direcção do CEM induzido e a direcção da corrente eléctrica no condutor.
Bobina rotativa
A função de um gerador de corrente eléctrica é baseada na rotação de uma bobina num fluxo magnético, onde existe um certo número de bobinas. O CEM é induzido num circuito eléctrico sempre que é atravessado por fluxo magnético, com base na fórmula fluxo magnético F = B x S x cos α (indução magnética multiplicada pela área de superfície através da qual o fluxo magnético passa e o cosseno do ângulo formado pelo vector de direcção e perpendicular ao plano da linha).
De acordo com a fórmula, F é afectado por alterações nas situações:
- uma alteração do fluxo magnético altera o vector de direcção;
- a área delimitada pelo circuito muda;
- o ângulo é alterado.
É permitido induzir um CEM quando o íman está estacionário ou a corrente está inalterada, mas simplesmente rodando a bobina em torno do seu eixo dentro do campo magnético. Neste caso, o fluxo magnético muda à medida que o ângulo muda. A bobina atravessa as linhas de fluxo magnético ao rodar, resultando num CEM. Com uma rotação uniforme, há uma mudança periódica no fluxo magnético. Também o número de linhas de força, que são cruzadas a cada segundo, se torna igual em intervalos de tempo iguais.
Nos geradores CA na prática, a bobina permanece estacionária e o electroíman gira à sua volta.
Auto-indução CEM
Quando uma corrente eléctrica alternada passa através de uma bobina, é gerado um campo magnético alternado, caracterizado por um fluxo magnético variável que induz um CEM. Este fenómeno é chamado de auto-indução.
Como o fluxo magnético é proporcional à intensidade da corrente eléctrica, a fórmula de auto-indução dos CEM é então a seguinte:
F = L x I, onde L é a indutância, que é medida em Gn. O seu valor é determinado pelo número de voltas por unidade de comprimento e pelo tamanho da sua área de secção transversal.
Indução Mútua
Quando duas bobinas são colocadas lado a lado, exibem um FME de indução mútua que é determinado pela configuração dos dois circuitos e a sua orientação mútua. À medida que a separação dos circuitos aumenta, o valor da indutância mútua diminui à medida que há uma diminuição do fluxo magnético comum às duas bobinas.
Vamos analisar mais de perto a forma como ocorre a indução mútua. Existem duas bobinas, no fio de uma com N1 gira um fluxo de corrente I1, que cria fluxo magnético e atravessa a segunda bobina com o número de giros N2.
O valor da indutância mútua da segunda bobina em relação à primeira bobina:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Valor do fluxo magnético:
F21 = (M21/N2) x I1.
O FME induzido é calculado utilizando a fórmula:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
Na primeira bobina, o valor do FME induzido é:
E1 = - M12 x dI2/dt.
É importante notar que a força electromotriz induzida pela indução mútua numa das bobinas é, em qualquer caso, directamente proporcional à mudança de corrente eléctrica na outra bobina.
Assume-se então que a indutância mútua é igual a:
M12 = M21 = M.
Como consequência, E1 = - M x dI2/dt e E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), em que K é o factor de acoplamento entre os dois valores de indutância.
A inter-indução é amplamente utilizada em transformadores, que dão a capacidade de alterar os valores de uma corrente eléctrica alternada. O dispositivo é um par de bobinas que são enroladas num núcleo comum. A corrente na primeira bobina forma um fluxo magnético variável no núcleo magnético e a corrente na segunda bobina. Com menos voltas na primeira bobina do que na segunda, a tensão aumenta, e correspondentemente com mais voltas na primeira bobina, a tensão diminui.
Para além de gerar e transformar energia eléctrica, o fenómeno da indução magnética é utilizado noutros dispositivos. Por exemplo, em comboios de levitação magnética, que se movem sem contacto directo com a corrente nos carris, mas um par de centímetros mais alto devido à repulsão electromagnética.
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