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Indução Eletromagnética

Física C: Eletricidade e Magnetismo do AP · Tópico 13

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9:11

Indução Eletromagnética

Quase todo watt de eletricidade que você já usou começou da mesma forma, com um ímã e uma bobina de fio movendo-se um em relação ao outro. Sem combustível, sem queima: apenas…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

13.1

Fluxo Magnético

Programa

Objetivo de Aprendizagem 13.1.A: Descreva o fluxo magnético através de uma área arbitrária ou forma geométrica.

  • 13.1.A.1 Para um campo magnético $\vec{B}$ que é constante através de uma área $\vec{A}$, o fluxo magnético através da área é definido como $\Phi_B = \vec{B} \cdot \vec{A}$ .
    • 13.1.A.1.i O vetor área é definido como perpendicular ao plano da superfície e para fora de uma superfície fechada.
    • 13.1.A.1.ii O sinal do fluxo é dado pelo produto escalar do vetor campo magnético e do vetor área.
  • 13.1.A.2 O fluxo magnético total passando por uma superfície é definido pela integral de superfície do campo magnético sobre a área da superfície.
    • Equação: $\Phi_B = \displaystyle\int \vec{B} \cdot d\vec{A}$

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Fluxo magnético 磁通量 mede quanto campo magnético passa por uma superfície. Para um campo uniforme através de um laço plano, é o produto escalar $\Phi_B=\vec{B}\cdot\vec{A}=BA\cos\theta$; em geral, é a integral de superfície 面积分

$$\Phi_B=\int \vec{B}\cdot d\vec{A}.$$

O vetor área 面积矢量 é perpendicular à superfície (para fora de uma fechada), e o sinal do fluxo vem do produto escalar. O fluxo muda se $B$ mudar, a área mudar, ou o laço girar – tenha todas as três rotas em mente, pois cada uma é uma questão de prova.

13.2

Indução Eletromagnética

Programa

Objetivo de Aprendizagem 13.2.A: Descreva a diferença de potencial induzida resultante de uma mudança no fluxo magnético.

  • 13.2.A.1 A Lei de Faraday descreve a relação entre fluxo magnético variável e a f.e.m. induzida resultante em um sistema.
    • Equação: $\mathcal{E} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt} = -\dfrac{d\left(\vec{B} \cdot \vec{A}\right)}{dt}$
    • 13.2.A.1.i Quando a área da superfície considerada é constante, a f.e.m. induzida é igual à área multiplicada pela taxa de variação do componente do campo magnético perpendicular à superfície.
    • 13.2.A.1.ii Quando o campo magnético é constante, a f.e.m. induzida é igual ao campo magnético multiplicado pela taxa de variação da área perpendicular ao campo magnético.
    • 13.2.A.1.iii Quando uma f.e.m. é induzida em um solenoide longo, a f.e.m. total induzida é igual à f.e.m. induzida em um único laço multiplicada pelo número de laços no solenoide.
      • Equação: $\left|\mathcal{E}_{\text{sol}}\right| = N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$
  • 13.2.A.2 A Lei de Lenz é usada para determinar a direção de uma f.e.m. induzida resultante de um fluxo magnético variável.
    • 13.2.A.2.i Uma fem induzida gera uma corrente que cria um campo magnético que se opõe à variação do fluxo magnético.
    • 13.2.A.2.ii A regra da mão direita é usada para determinar as relações entre corrente, fem e fluxo magnético.
  • 13.2.A.3 As equações de Maxwell são o conjunto de equações que descrevem completamente o eletromagnetismo. A terceira equação de Maxwell é a lei da indução de Faraday, que descreve a relação entre um fluxo magnético variável e um campo elétrico induzido.
    • Equação: $\mathcal{E} = \oint \vec{E} \cdot d\vec{\ell} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt}$
  • 13.2.A.4 As equações de Maxwell podem ser usadas para demonstrar que campos elétricos e magnéticos obedecem a equações de onda e que ondas eletromagnéticas viajam a uma velocidade constante no vácuo.
    • Equação (derivada): $c = \dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$

Declaração de limite: AP Physics C: Eletricidade & Magnetismo não espera que os estudantes deduzam matematicamente a velocidade da luz no vácuo a partir das equações de Maxwell. Essa relação está incluída acima apenas como indicação das aplicações adicionais, implicações e conexões com fenômenos físicos que os estudantes podem estudar em cursos mais avançados de física.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Indução eletromagnética

Um fluxo variável induz uma fem 电动势 – lei de Faraday 法拉第定律:

$$\varepsilon=-\frac{d\Phi_B}{dt}.$$

Com área constante, $\varepsilon=-A\,\dfrac{dB_\perp}{dt}$; com campo constante, $\varepsilon=-B\,\dfrac{dA_\perp}{dt}$. Uma bobina de $N$ espiras multiplica a fem de um único laço: $|\varepsilon_{\text{sol}}|=N\left|\dfrac{d\Phi_B}{dt}\right|$.

Lei de Lenz 楞次定律 é o sinal negativo: a corrente induzida 感应电流 flui de modo que seu próprio campo magnético se opõe à mudança no fluxo que a criou. Empurre um ímã em direção a um laço e o laço empurra de volta; puxe-o para longe e o laço o puxa para dentro. Use a regra da mão direita 右手定则 para transformar "opor-se à mudança" em direção de corrente.

Mover um ímã dentro de uma bobina induz uma f.e.m. que aciona uma corrente
Mover um ímã dentro de uma bobina induz uma f.e.m. que aciona uma corrente

Uma barra de comprimento $L$ deslizando a velocidade $v$ através de um campo é o caso especial digno de memorização – a fem motriz 动生电动势 $\varepsilon=BLv$.

Exemplo resolvido. Uma barra $0.20\ \text{m}$ desliza a $3.0\ \text{m/s}$ através de um campo $0.50\ \text{T}$: $\varepsilon=BLv=0.50(0.20)(3.0)=0.30\ \text{V}$. Equivalentemente, se o fluxo de um único laço cai de $0.020\ \text{Wb}$ para $0.008\ \text{Wb}$ em $0.030\ \text{s}$, a fem média é $\varepsilon=\dfrac{0.012}{0.030}=0.40\ \text{V}$.

A lei de Faraday também é a terceira das equações de Maxwell 麦克斯韦方程组, em uma forma mais profunda: um fluxo magnético variável cria um campo elétrico circulante, $\oint\vec{E}\cdot d\vec{l}=-\dfrac{d\Phi_B}{dt}$ – esse campo é o que empurra as cargas ao redor do laço. Juntas, as equações de Maxwell preveem ondas eletromagnéticas 电磁波 viajando a $c=1/\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}$ (você deve conhecer essa conexão, mas o AP não pedirá para derivá-la).

O rotor enrolado de um motor elétrico
Bobinas de fio girando em um campo magnético: movê-las através do campo induz uma corrente, a base de um gerador
Transformador de subestação: fluxo magnético variável nas bobinas induz tensões que alimentam a rede
Transformador de subestação: fluxo magnético variável nas bobinas induz tensões que alimentam a rede
Explorar

Induza uma corrente movendo um ímã

Um fluxo magnético variável através de uma bobina induz uma FEM (Lei de Faraday); sua direção se opõe à mudança (Lei de Lenz). Mova o ímã mais rápido para obter uma FEM maior.

13.3

Correntes Induzidas e Forças Magnéticas

Programa

Objetivo de Aprendizagem 13.3.A: Descrever a força exercida sobre um condutor devido à interação entre um campo magnético externo e uma corrente induzida dentro desse condutor.

  • 13.3.A.1 Quando uma corrente induzida é criada em um laço condutivo, o campo magnético já existente exercerá uma força magnética sobre os portadores de carga em movimento dentro do laço.
    • Equação: $\vec{F}_B = \displaystyle\int I\left(d\vec{\ell} \times \vec{B}\right)$
  • 13.3.A.2 Quando uma corrente é induzida em um laço condutivo, forças magnéticas são exercidas apenas nos segmentos do laço que estão dentro do campo magnético externo. Essas forças magnéticas podem causar aceleração translacional ou rotacional.
  • 13.3.A.3 A força sobre um laço condutivo é proporcional à corrente induzida no laço, que depende da taxa de variação do fluxo magnético, da resistência do laço e da velocidade do laço.
  • 13.3.A.4 A segunda lei de Newton pode ser aplicada a um laço condutivo em movimento em um campo magnético quando ele experimenta uma fem induzida.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Assim que uma corrente induzida flui, o campo externo exerce forças sobre ela ($\vec{F}=\int I\,d\vec{l}\times\vec{B}$) – e pela lei de Lenz, essas forças sempre resistam ao movimento que causa a indução. Apenas os segmentos do laço realmente dentro do campo sentem uma força, o que pode fazer o laço acelerar, girar ou frear. Esta é a origem do freio de correntes parasitas 涡电流, e você pode aplicar a segunda lei de Newton a um laço ou barra em movimento como qualquer outro problema de mecânica.

As correntes parasitas induzidas se opõem ao movimento, amortecendo rapidamente uma placa metálica oscilando em um campo
As correntes parasitas induzidas se opõem ao movimento, amortecendo rapidamente uma placa metálica oscilando em um campo

A configuração clássica é uma barra deslizando sobre trilhos condutores conectados por um resistor:

Uma barra deslizando sobre trilhos: a corrente induzida sente uma força opondo-se ao movimento
Uma barra deslizando sobre trilhos: a corrente induzida sente uma força opondo-se ao movimento

Exemplo resolvido (a cadeia completa). Trilhos $L=0.20\ \text{m}$ separados com resistência $R=0.60\ \Omega$ estão em um campo $0.50\ \text{T}$ entrando na página. A barra é empurrada a uma $3.0\ \text{m/s}$ constante. Então: $\varepsilon=BLv=0.30\ \text{V}$; $I=\varepsilon/R=0.50\ \text{A}$; o campo empurra de volta na barra com $F=BIL=0.50(0.50)(0.20)=0.050\ \text{N}$. A força de empurrar realiza trabalho a $P=Fv=0.15\ \text{W}$ – exatamente a $P=I^2R=0.15\ \text{W}$ dissipada no resistor. Trabalho mecânico se torna energia elétrica: isso é um gerador 发电机, e a energia é conservada. Liberado sem empurrão, a barra desacelera exponencialmente: $ma=-\dfrac{B^2L^2}{R}v$.

Habilidade de prova. As questões discursivas percorrem essa cadeia exata: fluxo $\to$ fem $\to$ corrente $\to$ força $\to$ segunda lei de Newton. Escreva cada elo separadamente e verifique a direção com a lei de Lenz no final.

13.4

Indutância

Programa

Objetivo de Aprendizagem 13.4.A: Descrever as propriedades físicas e elétricas de um indutor.

  • 13.4.A.1 Indutância é a tendência de um condutor de se opor a uma mudança na corrente elétrica.
    • 13.4.A.1.i A indutância de um condutor depende das propriedades físicas do condutor. Fios retos geralmente são modelados como tendo indutância zero.
    • 13.4.A.1.ii Um indutor, como um solenóide, é um componente de circuito que possui indutância significativa.
    • 13.4.A.1.iii A indutância de um solenóide depende do número total de espiras, do comprimento do solenóide, da área transversal do solenóide e da permeabilidade magnética do núcleo do solenóide.
      • Equação: $L_{\text{sol}} = \dfrac{\mu_{\text{core}} N^2 A}{\ell}$
  • 13.4.A.2 Indutores armazenam energia no campo magnético gerado pela corrente no indutor.
    • Equação: $U_L = \dfrac{1}{2} L I^2$
    • 13.4.A.2.i A energia armazenada no campo magnético gerado por um indutor pelo qual circula corrente pode ser dissipada através de um resistor ou usada para carregar um capacitor.
    • 13.4.A.2.ii A transferência de energia gerada em um indutor para outras formas de energia obedece às leis de conservação.
  • 13.4.A.3 Aplicando a lei de Faraday a um indutor e usando a definição de indutância, a fem induzida pode ser relacionada à indutância e à taxa de variação da corrente.
    • Equação: $\mathcal{E}_i = -L\dfrac{dI}{dt}$

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Indutância 电感 é a tendência de um condutor de se opor a uma mudança em sua própria corrente: corrente variável muda seu próprio fluxo, o que induz uma fem auto. Pela lei de Faraday,

$$\varepsilon=-L\frac{dI}{dt}.$$

Um indutor 电感器 é um elemento de circuito construído para ter grande indutância – geralmente um solenoide 螺线管, onde a geometria fornece

$$L_{\text{sol}}=\frac{\mu_{\text{core}}N^2A}{\ell},$$

com $N$ espiras totais, área $A$, comprimento $\ell$, e a permeabilidade magnética 磁导率 do núcleo. (Fios retos são modelados como tendo zero indutância.) Um indutor carregando corrente $I$ armazena energia em seu campo magnético:

$$U_L=\tfrac{1}{2}LI^2,$$

que pode ser posteriormente dissipada em um resistor ou transferida para um capacitor – a conservação de energia se aplica como de costume.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
Magnetic flux/mæɡˈnetɪk flʌks/ 磁通量 cí tōng liàng
surface integral/ˈsɜːfɪs ˈɪntɪɡrəl/ 面积分 miàn jī fēn
area vector/ˈeərɪə ˈvektə/ 面积矢量 miàn jī shǐ liàng
emf/emf/ 电动势 diàn dòng shì
Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ 法拉第定律 fǎ lā dì dìng lǜ
Lenz's law/ˈlentsɪz lɔː/ 楞次定律 léng cì dìng lǜ
induced current/ɪnˈdjuːst ˈkʌrənt/ 感应电流 gǎn yìng diàn liú
right-hand rule/raɪt hænd ruːl/ 右手定则 yòu shǒu dìng zé
motional emf/ˈməʊʃənl emf/ 动生电动势 dòng shēng diàn dòng shì
Maxwell's equations/ˈmækswelz ɪˈkweɪʒnz/ 麦克斯韦方程组 mài kè sī wéi fāng chéng zǔ
electromagnetic waves/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪvz/ 电磁波 diàn cí bō
eddy currents/ˈedi ˈkʌrənts/ 涡电流 wō diàn liú
generator/ˈdʒenəreɪtə/ 发电机 fā diàn jī
inductance/ɪnˈdʌktəns/ 电感 diàn gǎn
inductor/ɪnˈdʌktə/ 电感器 diàn gǎn qì
solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ 螺线管 luó xiàn guǎn
magnetic permeability/mæɡˈnetɪk ˌpɜːməˈbɪlɪti/ 磁导率 cí dǎo lǜ
RL circuit/ˌɑː ˈel ˈsɜːkɪt/ RL电路 RL diàn lù
differential equation/ˌdɪfəˈrenʃl ɪˈkweɪʒn/ 微分方程 wēi fēn fāng chéng
time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ 时间常数 shí jiān cháng shù
LC circuit/ˌel ˈsiː ˈsɜːkɪt/ LC电路 LC diàn lù
oscillates/ˈɒsɪleɪts/ 振荡 zhèn dàng
simple harmonic motion/ˈsɪmpl hɑːˈmɒnɪk ˈməʊʃn/ 简谐运动 jiǎn xié yùn dòng
conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ 能量守恒 néng liàng shǒu héng
13.5

Circuitos com Resistores e Indutores

Programa

Objetivo de Aprendizagem 13.5.A: Descrever as propriedades físicas e elétricas de um circuito contendo uma combinação de resistores e um único indutor.

  • 13.5.A.1 Um resistor dissipará a energia que estava armazenada em um indutor à medida que a corrente muda.
  • 13.5.A.2 A regra dos laços de Kirchhoff pode ser aplicada a um circuito LR em série com uma bateria de fem $\mathcal{E}$, resultando em uma equação diferencial que descreve a corrente no laço.
    • Equação (derivada): $\mathcal{E} = IR + L\dfrac{dI}{dt}$
  • 13.5.A.3 A constante de tempo é uma característica importante do comportamento de um circuito LR.
    • 13.5.A.3.i A constante de tempo de um circuito é uma medida de quão rapidamente um circuito LR atingirá um estado estacionário e é descrita pela equação $\tau = \dfrac{L}{R_{\text{eq}}}$ .
    • 13.5.A.3.ii A constante de tempo representa o tempo que um circuito LR levaria para atingir um estado estacionário se o sistema continuasse a mudar à taxa inicial de variação.
    • 13.5.A.3.iii Para um indutor com corrente inicial zero, a constante de tempo representa o tempo necessário para que a corrente no indutor atinja aproximadamente 63% de seu valor assintótico final.
    • 13.5.A.3.iv Para um indutor com uma corrente inicial, a constante de tempo representa o tempo necessário para que a corrente no indutor atinja aproximadamente 37% de seu valor inicial.
  • 13.5.A.4 As propriedades elétricas dos indutores mudam durante o intervalo de tempo em que a corrente no indutor muda, mas exibirão comportamento de estado estacionário após um longo intervalo de tempo.
    • 13.5.A.4.i Quando um interruptor é inicialmente fechado ou aberto em um circuito contendo um indutor, a fem induzida será igual em magnitude e oposta em direção à diferença de potencial aplicada ao ramo contendo o indutor.
    • 13.5.A.4.ii A diferença de potencial através de um indutor, a corrente no indutor e a energia armazenada no indutor são exponenciais em relação ao tempo e têm assíntotas determinadas pelas condições iniciais do circuito.
    • 13.5.A.4.iii Após um tempo muito maior que a constante de tempo do circuito, um indutor se comportará como um fio condutor com resistência zero.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Em um circuito RL RL电路, a regra dos laços de Kirchhoff para uma bateria $\varepsilon$, resistor $R$, e indutor $L$ em série dá uma equação diferencial 微分方程:

$$\varepsilon=IR+L\frac{dI}{dt}\quad\Rightarrow\quad I(t)=\frac{\varepsilon}{R}\big(1-e^{-t/\tau}\big),\qquad \tau=\frac{L}{R}.$$

A constante de tempo 时间常数 $\tau$ define o ritmo: após uma $\tau$, uma corrente crescente atinge cerca de $63\%$ de seu valor final (uma decrescente cai para $37\%$); é também quanto tempo a mudança levaria à taxa inicial. Aprenda os dois limites – eles respondem a maioria das questões conceituais:

  • Logo após o interruptor fechar ($t=0$): a corrente não pode pular, então o indutor bloqueia momentaneamente, induzindo uma fem igual e oposta à diferença de potencial aplicada.
  • Muito depois ($t\gg\tau$): a corrente é estável, $dI/dt=0$, e o indutor comporta-se como um fio simples – o exato oposto de um capacitor.
A corrente em um circuito RL sobe exponencialmente, atingindo 63% em uma constante de tempo
A corrente em um circuito RL sobe exponencialmente, atingindo 63% em uma constante de tempo

Exemplo resolvido. $\varepsilon=12\ \text{V}$, $R=6.0\ \Omega$, $L=3.0\ \text{H}$: corrente final $\varepsilon/R=2.0\ \text{A}$, $\tau=L/R=0.50\ \text{s}$. Em $t=0.50\ \text{s}$ a corrente é $2.0(1-e^{-1})\approx1.3\ \text{A}$. Em $t=0$ a diferença de potencial do indutor é a totalidade do $12\ \text{V}$; à medida que $t\to\infty$, cai para zero. Corrente, tensão do indutor e energia armazenada são todas exponenciais no tempo.

13.6

Circuitos com Capacitores e Indutores

Programa

Objetivo de Aprendizagem 13.6.A: Descrever as propriedades físicas e elétricas de um circuito contendo uma combinação de capacitores e um único indutor.

  • 13.6.A.1 Em circuitos contendo apenas um capacitor carregado e um indutor (circuitos LC), a corrente máxima no indutor pode ser determinada usando a conservação de energia dentro do circuito.
  • 13.6.A.2 Em circuitos LC, a dependência temporal da carga armazenada no capacitor pode ser modelada como movimento harmônico simples.
    • Equação (derivada): $\dfrac{d^2 q}{dt^2} = -\dfrac{1}{LC} q$
  • 13.6.A.3 A frequência angular de um circuito LC oscilante pode ser derivada da equação diferencial que descreve um circuito LC.
    • Equação (derivada): $\omega = \dfrac{1}{\sqrt{LC}}$

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Circuito LC: a energia oscila como uma mola

Um circuito LC LC电路 não tem resistência, então nada dissipa energia: ele oscila 振荡, trocando energia entre o campo elétrico do capacitor e o campo magnético do indutor. A regra do laço dá

$$\frac{d^2q}{dt^2}=-\frac{1}{LC}\,q,$$

a mesma equação de uma massa em uma mola – movimento harmônico simples 简谐运动 com carga jogando o papel de deslocamento e

$$\omega=\frac{1}{\sqrt{LC}}.$$

A energia total $\dfrac{q^2}{2C}+\tfrac12LI^2$ permanece constante: tudo no capacitor na carga máxima, tudo no indutor na corrente máxima.

Exemplo resolvido. $L=2.0\ \text{H}$, $C=8.0\ \mu\text{F}$: $\omega=\dfrac{1}{\sqrt{2.0(8.0\times10^{-6})}}=250\ \text{rad/s}$, período $T=2\pi/\omega\approx0.025\ \text{s}$. Se o capacitor começar carregado a $12\ \text{V}$, então $U=\tfrac12CV^2=5.8\times10^{-4}\ \text{J}$, e a corrente máxima segue de $\tfrac12LI_{\max}^2=U$: $I_{\max}=\sqrt{2U/L}=0.024\ \text{A}$ – conservação de energia 能量守恒, sem cálculo necessário.

13.6

Dicas de prova

  • Calcule o fluxo $\Phi_B=\int \vec B\cdot d\vec A$ e obtenha a FEM induzida da lei de Faraday $\varepsilon=-\tfrac{d\Phi_B}{dt}$.
  • Use a lei de Lenz (o sinal negativo) para fixar a direção: a corrente induzida se opõe à mudança no fluxo.
  • O fluxo muda de três formas – alterando $B$, alterando a área, ou alterando o ângulo – identifique qual e diferencie.
  • Para uma barra de comprimento $L$ movendo-se a velocidade $v$, a fem motriz é $BLv$.
  • Um indutor armazena energia $\tfrac12 LI^2$ e resiste a mudanças na corrente (constante de tempo RL $\tau=L/R$).

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