Eletromagnetismo: a lei de Faraday

Onde está o caminho onde mora a luz? E, quanto às trevas, onde está o seu lugar;

Jó 38:19

Continuando na série Eletromagnetismo, hoje quero comentar sobre a lei de Faraday. E, fazendo uma vista grossa sobre os fenômenos eletromagnéticos, esta lei é fundamental para o funcionamento de tudo o que temos não só de tecnologias, mas de energia elétrica em casa. Indo mais além: o conceito que temos sobre funcionamento de coisas elétricas e energia em nossas casas são tudo devido a essa lei. Antes, uma pequena palavra sobre Michael Faraday.

Faraday foi um físico do séc. XIX (faleceu em 1867) e tem uma belíssima história de vida (ainda detalharei). Em resumo: era um excelente experimentalista, sabia trabalhar com equipamentos como ninguém e suas descobertas (apenas por pura observação e sem construção teórico-matemática) e invenções foram bases para os trabalhos de Edison (o engenheiro da lâmpada), Tesla (outro físico que “construiu” o que temos sobre corrente alternada e motores elétricos), Siemens (o engenheiro que tem o nome da marca em equipamentos eletrônicos atualmente), dentre outros. Além de tudo isso (ou acima de tudo isso), Faraday era cristão. Sim, a base de toda a física teórica, experimental e tecnológica foi construída por cristãos.

Esta imagem é da página da Associação Brasileira de Cristãos na Ciência. Nesse texto há mais detalhes sobre a vida de Faraday.
Fonte: https://www.cristaosnaciencia.org.br/ciencia-e-fe-na-vida-de-michael-faraday/

Depois dos trabalhos de Oersted, que descobriu que uma corrente elétrica movimentava a agulha de uma bússola (variação de campo elétrico gera campo magnético), Faraday começou a fazer testes ao inverso: a variação de um campo magnético (um imã se movimentando) pode gerar um campo elétrico (corrente elétrica)? Claro que essa é uma pergunta moderna, adaptada à descoberta que ele faria. E foi exatamente isso que ele descobriu: variando o campo magnético há uma produção de campo elétrico. E as implicações disso são gigantescas.

Utilizando esse fenômeno descoberto em meados dos anos 1820, o que acontece é o seguinte: um fluxo magnético passa por uma área. Se esse fluxo magnético tiver uma taxa (taxa é uma variação de algo ao longo de um tempo, ou seja, não é constante) uma fem surge no circuito. Essa expressão, fem, significa corrente induzida: é a mesma coisa de corrente elétrica (cargas ou elétrons que passam por um fio de forma ordenada; é a “energia” elétrica dos fios da sua casa). O termo induzida significa que essa corrente aparece de forma induzida por algo que não é uma bateira (pilhas etc) ou uma usina (hidrelétrica, solar etc). Usamos esse termo, fem induzida, apenas para sabermos que a fonte dessa corrente elétrica é de um campo magnético variável (um fluxo magnético que está variando). Uma pergunta natural e normal é: isso existe na prática?

Sim! E posso te dar uma lista gigantesca de equipamentos que utilizam fem induzida: transformador de energia (aqueles que ficam nos postes de rua), fonte de notebooks, motores de todos os eletrodomésticos (geladeiras, TVs, micro-ondas etc), fonte de geração de energia elétrica em usinas (nucleares, termoelétricas, hidrelétricas, eólicas; “solares”, entre aspas, porque o funcionamento é um pouco diferente, mas também tem, nos circuitos, esse fenômeno) e por aí vai. Resumindo: tente imaginar qualquer equipamento elétrico que é colocado em tomada da sua casa ou que use bateria; esse equipamento funciona com base na fem induzida.

Há outras aplicações muito mais profundas e intrigantes que vem da medicina: eletroencefalograma, eletrocardiograma, bioimpedância e outros exames. Mas, para essa discussão, deixarei posteriormente, depois que trabalhar todos os conceitos que esses exames médicos utilizam do eletromagnetismo. Inclusive, utilizarei os meus próprios exames médicos (que fiz em meados do segundo semestre de 2021): neles há gráficos, valores e outros detalhes que poderei explorar com mais propriedade, inclusive fazendo relações com minha própria saúde (o que sinto etc).

E onde entra a lei de Faraday nisso? A lei de Faraday é conhecida como lei de indução de Faraday ou terceira lei de Maxwell e diz:

A fem induzida é dada pela taxa de variação do fluxo magnético, com sinal negativo, através de uma área delimitada

Traduzindo para o português cada expressão: fem induzida é uma corrente elétrica que tem por fonte um campo magnético variável. A variação do fluxo magnético (ou seja, de um campo magnético; é necessário a variação e não a constância desse campo / fluxo magnético) induz uma corrente elétrica (um campo elétrico: a fem induzida). Se você olhar essa definição em qualquer livro de física do ensino médio (ou graduação) vai ter a expressão “em uma espira fechada”. Espira é um fio enrolado em um núcleo de ferro: é o próprio transformador (a parte mais pesada de um motor de qualquer equipamento elétrico). É que há mais detalhes técnicos com relação à essa espira, motor, transformador, número de espiras etc que estou deixando de lado em nome de uma didática mais simples.

Um esquema exemplificando a lei de Faraday. As linhas das setas azuis são representações do campo magnético do imã (N e S). Há uma bobina ligada a um medidor de corrente elétrica. Quando o campo magnético é constante, como está na imagem, não há corrente elétrica induzida (fem induzida). Quando há variação do fluxo do campo magnético (quantidade das linhas azuis que passam pela bobina) há o surgimento da fem induzida. Fonte: livro Física III – Eletromagnetismo, por Young & Freedman, Sears & Zemansky, 14 ed, pág. 306

Exemplificando com uma imagem bastante genérica:

Este é um recorte de uma usina hidrelétrica, mas poderia ser de qualquer outro tipo de usina geradora de energia elétrica. O que é comum a todas as usinas: uma fonte de energia mecânica movimenta umas pás (que tem, a grosso modo, geradores de campo magnético como imãs) que fazem o papel de variar o fluxo de campo magnético. Com isso, dentro do cubo chamado gerador, a variação desse fluxo de campo magnético gera uma corrente elétrica induzida (a fem induzida). Essa corrente elétrica é transmitida via fios da usina até nossas casas.

A diferença de uma usina para outra é a fonte de energia mecânica, o que vai girar as pás. Em uma hidrelétrica, é a queda d’água, de uma determinada altura. Em uma usina termoelétrica, é o vapor de uma caldeira, que tem água aquecia por carvão ou qualquer outro combustível. Já em uma usina termonuclear, o esquema é parecido com uma usina termoelétrica, com a diferença de que quem aquece a água da caldeira são fótons advindos de fissão nuclear (quebra dos átomos radioativos). Finalizando, em uma usina eólica, o vento é o responsável pelo giro das pás “magnéticas”.

Vou concluir esse pequeno texto, mas de uma gigantesca importância, de uma forma diferente, com uma imagem:

O The Faraday Institute for Science and Religion (ainda falarei especificamente dela em um outro texto) é uma instituição de pesquisa interdisciplinar que fica em Cambridge, Inglaterra. Dentre as diversas pesquisas que essa instituição promove, talvez a principal é a relação entre a ciência e a fé cristã. Ou seja, é uma instituição que faz pesquisa entre ciência e fé cristã, de forma direta e científica. Se você olhar a lista do conselho da instituição vai encontrar professores de ciências naturais (física, biologia, química etc), de teologia, de filosofia, de engenharias e de neuropsicologia, além de áreas afins. Em resumo, é uma instituição feita por cientistas que trabalham com pesquisa entre ciência e fé cristã. E o nome da instituição é em homenagem a Michael Faraday.


Ficou em dúvida, quer perguntar algo ou fazer alguma crítica / sugestão? Deixe nos comentários abaixo e terei o prazer em te responder aqui ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

  • O melhor material, em português, no assunto entre ciência e fé cristã é o Dicionário de cristianismo e ciência, editora Thomas Nelson Brasil em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
  • A penúltima curiosidade: como a ciência navega nas questões últimas da existência, por Roger Wagner, Andrew Briggs, editora Ultimato em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
  • Para esse texto utilizei o livro, para o ensino superior, Física III – Eletromagnetismo, por Young & Freedman, Sears & Zemansky, 14 ed;
  • Em qualquer livro do ensino médio, 3º ano, você encontrará sobre eletromagnetismo. Caso você não tenha qualquer livro em casa (mesmo o que os livros antigos; física não se desatualiza) recomendo o site https://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/cargas.php. Nessa página, especificamente, começa o assunto sobre eletromagnetismo e indo no botão Próxima poderá navegar nos outros conteúdos relacionados.
A movimentação do imã dentro de uma bobina induz uma corrente elétrica que é medida por um aparelho (multímetro).
Fonte: https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/lei-faraday.htm
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

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