Introdução à Indução Magnética

O que é indução eletromagnética?

Indução eletromagnética é o processo pelo qual uma corrente pode ser induzida a fluir devido a uma variação no campo magnético.

No nosso artigo sobre a força magnética, nós observamos a força experimentada ao mover cargas em um campo magnético. A força em um fio condutor devido aos elétrons que se movem dentro dele quando um campo magnético está presente é um exemplo clássico. Esse processo também funciona ao contrário. Da mesma forma, ao mover um fio através de um campo magnético ou (equivalentemente) variar a força do campo magnético ao longo do tempo, pode causar um fluxo de corrente.

Como isto é descrito?

Existem duas leis principais que descrevem a indução eletromagnética:

1. A Lei de Faraday, nomeada assim devido ao físico do século XIX Michael Faraday, relaciona a taxa de variação do fluxo magnético através de uma espira com a magnitude da força eletromotriz $\mathcal{E}$ induzida nela. Essa relação é expressa por
   $\mathcal{E} = \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}$
   A força eletromotriz, ou FEM, refere-se à diferença de potencial ao redor da espira descarregado (ou seja, quando a resistência no circuito é alta). Na prática, geralmente é suficiente pensar na FEM como uma tensão, visto que ambas, a tensão e a FEM, são medidas usando a mesma unidade, o volt. 
   

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2. Lei de Lenz é uma consequência da conservação de energia aplicada à indução eletromagnética. Ela foi formulada por Heinrich Lenz em 1833. Enquanto a Lei de Faraday nos diz a magnitude do FEM produzida, a Lei de Lenz nos diz a direção que a corrente fluirá. Ela estabelece que essa direção sempre irá se opor à variação do fluxo que a produz. Isso significa que qualquer campo magnético produzido por uma corrente induzida será na direção oposta à variação do campo original.

A lei de Lenz é tipicamente incorporada na lei de Faraday com um sinal de menos, a inclusão deste permite que o mesmo sistema de coordenadas seja usado por ambos, o fluxo e o FEM. O resultado é frequentemente chamado de Lei de Faraday-Lenz,

$\mathcal{E} = -\frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}$

Na prática, nós frequentemente lidamos com a indução magnética em bobinas com múltiplas espiras de fio na quais cada espira contribui com a mesma FEM. Por essa razão, um termo adicional $N$N, representando o número de enrolamentos, é muitas vezes incluído, ou seja:

$\mathcal{E} = -N \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}$

Introdução à Lei de Faraday

Como uma corrente pode ser induzida em um laço de fio por uma variação no fluxo magnético.

(Vídeo explicativo sobre a Lei de Faraday)

Qual é a conexão entre a lei de Faraday da indução e a força magnética?

Enquanto a sustentação teórica da Lei de Faraday é bastante complexa, uma compreensão conceitual da conexão direta da força magnética sobre uma partícula carregada é relativamente simples.

                                                     Carga em um fio em movimento.

Considere um elétron que está livre para se mover dentro de um fio. Como mostrado na figura 1, o fio está posicionado em um campo magnético vertical e sendo movido perpendicularmente em relação ao campo magnético com uma velocidade constante. Ambas as extremidades do fio estão conectadas, formando uma espira. Isso garante que qualquer trabalho realizado para criar uma corrente no fio é dissipado na forma de calor na resistência do próprio fio.

Uma pessoa puxa o fio com uma velocidade constante através do campo magnético. Enquanto faz isso, ela tem que aplicar uma força. O campo magnético constante não pode trabalhar sozinho (de outro modo a força dele teria que mudar), mas isso pode mudar a direção de uma força. Nesse caso, parte da força que a pessoa aplica é redirecionada, causando uma força eletromotriz no elétron que viaja no fio, estabelecendo uma corrente. Parte do trabalho que a pessoa exerceu ao puxar o fio, por fim, resulta em energia dissipada na forma de calor na resistência do próprio fio.