Indução eletromagnética
Indução
A indução eletromagnética é o fenômeno físico que provoca a geração de força eletromotriz (diferença de potencial) num dado material condutor quando este é submetido à influência de um campo magnético variável.
Um exemplo da aplicação do conceito de indução é o forno elétrico, que combina a indução eletromagnética com o efeito Joule para produzir calor sem utilizar combustíveis fósseis.
Você sabia que só é possível utilizar panelas especiais nos fogões de indução? O motivo vem do efeito Joule provocado pela movimentação de cargas: o alumínio possui baixa resistividade, diminuindo o calor emitido e reduzindo a eficácia da panela. Imagem sob CC-BY-SA, via Wikimedia Commons.
Legal, né?
As próximas seções deste página servirão para a melhor compreensão desse conceito, passando por fluxo magnético e pelas leis de Faraday e Lenz.
Fluxo magnético
Chamamos de fluxo magnético $(\Phi)$ de uma superfície a intensidade de um campo magnético por unidade de área $A$, ou seja
Com $\theta$ sendo o ângulo entre o campo magnético $(B)$ e a reta normal daquele ponto específico da superfície do corpo induzido.
O fluxo magnético é medido pela unidade Weber $(\text {Wb})$.
Lei de Faraday-Lenz
Duas leis, comumente interpretadas em conjunto, que formam a base dos transformadores da atualidade são a Lei de Indução de Faraday e a Lei de Lenz; a segunda pode ser vista como um aprimoramento da primeira.
Faraday primeiro declara que:
A força eletromotriz de um circuito fechado é igual a taxa de variação do campo magnético no tempo.
E Lenz completa que:
A variação do fluxo magnético numa espira fechada faz surgir uma corrente elétrica induzida. Essa corrente induzida gera um campo magnético induzida que se opõe a variação do fluxo magnético.
Levando essas duas afirmações em conjunto, chegamos na expressão matemática $\varepsilon = -\dfrac{\Delta \phi}{\Delta t}$. O sinal negativo vem justamente dessa oposição do campo induzido em relação ao campo indutor.
Animação ilustrando a Lei de Faraday-Lenz. Um campo magnético oscilatório produzido pelo solenoide causa a geração de uma corrente alternada na espira. GIF sob CC-BY-SA, via Wikimedia Commons.
Condutor elétrico imerso num campo magnético
Um caso interessante é quando imergimos um condutor elétrico num campo magnético, e fazemos ele se mover numa dada velocidade $v$ perpendicular a esse campo.
Ao fazermos isso, poderemos ver que o campo magnético induz uma diferença de potencial no condutor, fazendo com que cargas negativas se acumulem em um dos seus terminais.
Essa diferença de potencial pode ser medida por meio da equação
Transformadores
Os transformadores são componentes elétricos que alteram a tensão elétrica enquanto mantém a potência constante.
Esses componentes são formados pela indução de um dado núcleo ferromagnético por dois solenoides, o primeiro ligado numa fonte de corrente alternada, que causa da mudança constante de campo magnético nas proximidades do núcleo ferromagnético.
Esquema de um transformador ideal. Imagem sob CC-BY-SA, via Wikimedia Commons.
Por sua vez, essa mudança provoca uma corrente elétrica de sentido variável, que acaba fazendo o efeito inverso na solenoide da outra ponta. Dependendo da diferença do número de voltas das solenoides, é possível aumentar ou diminuir a tensão entre os terminais de um transformador.
De forma matemática, podemos dizer que entre os dois solenoides, temos que
onde $N_E$ é o número de voltas do solenoide $E$.
Em transformadores, temos que $U_1I_1=U_2I_2$, ou seja, a potência é constante - consequência da conservação de energia.
A utilidade desses componentes vem do fato que a potência dissipada em transmissões elétricas é regida pelo quadrado da corrente. Transformadores são utilizados para aumentar a tensão, consequentemente diminuindo a corrente, em transmissões de longa distância.