Prof. Luiz Ferraz Netto
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Campos magnéticos
Faraday explicou seus resultados utilizando a idéia das linhas de força magnética. De há muito a Ciência conhecia a idéia de campo magnético. As forças exercidas por um ímã podem ser percebidas não somente em seus pólos, mas em toda a região do espaço que fica próxima do ímã. Se essa região for explorada com a agulha de uma bússola pequena, poderemos perceber a mudança de direção e de intensidade das forças, dependendo do lugar particular em que for feita a medição.

Diz-se que o espaço em torno de um ímã, no qual sua influência é detetada, é sede de um campo magnético.

E fácil fazer um "mapa" do campo magnético existente em torno de um ímã. Basta simplesmente espalhar limalhas de ferro em uma folha de papel, colocando-a sobre um ímã. Cada limalha de ferro torna-se um ímã em miniatura, por um processo chamado indução, e todas se dispõem sobre linhas curvas. Algumas dessas chamadas linhas de força são vistas na ilustração abaixo. Cada linha vai de um pólo do ímã ao outro.

Faraday definiu uma linha de força magnética como uma linha cuja direção em cada ponto coincide com a direção do campo magnético naquele ponto. Se pudéssemos isolar de alguma maneira um pequenino pólo norte, colocando-o no ponto A do diagrama acima, ele não se deslocaria ao longo da mesma linha de força até encontrar o ímã na extremidade sul; saberia dizer por que?. Faraday salientou, também, que as linhas de força formam curvas fechadas, que nunca se cruzam umas com as outras. Deixando o pólo norte de um ímã, elas se dirigem para o pólo sul, e completam sua trajetória fechada, dentro do ímã.

Oersted tinha mostrado, em 1820, que um campo magnético pode também ser produzido por uma corrente de eletricidade. Isto pode ser demonstrado fazendo-se passar um fio conduzindo uma corrente através de um papelão, como na ilustração a seguir. As linhas de força magnéticas são circunferências concêntricas que formam ângulos retos com a corrente.

Isto pode ser facilmente provado, seja espalhando limalhas de ferro sobre o cartão, seja explorando o campo com a agulha de uma pequena bússola. Do mesmo modo, como no caso de um ímã permanente, uma linha de força circular não consegue estabelecer uma trajetória circular, coincidente com a linha, que seria seguida por um pólo norte isolado que tivesse liberdade para deslocar-se. Entretanto, à época, aceitavam que o pólo isolado acompanharia a linha de força e aproveitaram tal hipótese para explicar porque o ímã móvel girava em torno do fio fixo como ilustramos na parte 2 (experiência de Faraday). Reciprocamente, o ímã foi fixado, de maneira que o fio móvel foi quem girou em torno dele. Em cada um dos exemplos (motores de Faraday), o fio e o ímã exerceram forças reciprocamente. Quando um era fixado, o outro se deslocava, em resposta à força.

O anel de Faraday
O ano de 1831 foi um ano brilhante para o grande Michael Faraday. Foi a 24 de novembro daquele ano que ele esboçou o conceito moderno de campos magnéticos em seu livro Experimental Researches in Electricity. Sua esperança, diz-nos ele, era descobrir as analogias entre a eletricidade estática e a eletricidade dinâmica ( eletricidade 'corrente', como era dito à época). Sabia-se que aquela tinha o poder de "indução"--- a capacidade de provocar uma eletrização de polaridade oposta nos objetos próximos. Ele imaginou que as correntes elétricas tinham uma propriedade semelhante.
A princípio, especulou que uma corrente, passando em um circuito, podia induzir uma corrente a percorrer um circuito próximo, que continuaria assim, exatamente enquanto durasse a primeira corrente. Faraday descobriu que sua suposição estava errada; uma corrente era realmente induzida no segundo circuito, mas ela durava somente um instante. A corrente induzida subesistia apenas quando a corrente primária era ligada ou interrompida. Dependia não apenas da existência da corrente primária, como também de sua variação.

Faraday ilustrou suas correntes induzidas com um anel de ferro no qual foram enroladas duas bobinas de fio separadas, como se vê na ilustração.

Um galvanômetro foi ligado a uma das bobinas, e uma bateria voltaica à outra de maneira tal que o circuito da bateria podia ser aberto ou fechado por um interruptor. Ligando ou interrompendo a corrente no circuito primário, uma deflexão do ponteiro do galvanômetro indicou que um impulso repentino de corrente também percorreu o circuito secundário. Mas as correntes induzidas, ao dar partida ou interromper o circuito primário, tinham sentidos opostos--- como indicavam as deflexões opostas do galvanômetro.

Assim que o interruptor é desligado, forma-se uma corrente na bobina primária, que vai de zero até uma certa magnitude que depende da lei de Ohm. À medida que ela aumenta, a corrente variável provoca um campo magnético variável no ferro que, por sua vez, induz uma tensão elétrica na bobina secundária. Como esta forma um circuito fechado com o galvanômetro, a tensão total induzida (força eletromotriz) envia uma corrente através do circuito secundário. Logo que a corrente primária e, portanto, o campo magnético, firma-se em um valor, a força eletromotriz induzida e a corrente no secundário caem a zero.

Faraday logo descobriu que uma corrente pode ser induzida de muitas maneiras, em um circuito experimental: variando a intensidade da corrente em um circuito vizinho; deslocando um ímã próximo do circuito experimental; ou deslocando o referido circuito nas proximidades de outra corrente ou outro magneto. Em todos estes exemplos, a indução de uma corrente depende do movimento relativo do circuito experimental e das linhas de força magnética em suas proximidades. Sempre que um condutor é "cortado" ou cruzado por essas linhas magnéticas de força, uma força eletromotriz é induzida no condutor. Se o condutor for fechado para formar um circuito, a força eletromotriz faz passar uma corrente. A magnitude da tensão total induzida no condutor depende apenas do número de linhas magnéticas de força interceptadas pelo condutor em um segundo.

O dínamo
Em 1821, Faraday tinha convertido 'eletricidade' em movimento mecânico. Dez anos mais tarde, ele mostrou que um movimento mecânico pode ser usado para gerar eletricidade. Seu aparelho está ilustrado abaixo.

Um disco de cobre sustentado por um eixo de metal, foi posto a girar entre os pólos de um ímã em forma de ferradura. O eixo e a extremidade do disco foram ligados a um galvanômetro por fios que tocavam ligeiramente as partes móveis. Quando o disco girava, uma deflexão no galvanômetro mostrava que uma corrente induzida havia sido gerada nele.

A ilustração abaixo mostra o princípio do dínamo ou gerador de eletricidade. Um ímã estabelece um campo magnético na região de um núcleo ou armadura móvel, feito de ferro doce, em torno do qual são enroladas muitas voltas de fio de cobre.

A armadura e sua bobina de cobre são postas a girar em um eixo colocado entre os pólos do ímã por uma fonte de energia mecânica tal como uma máquina a vapor ou uma roda d'água. Cada terminal da bobina da armadura é ligado a um anel metálico isolado, que é preso à armadura. O contacto é feito com os anéis por meio de escovas fixas, de metal ou de carbono, cada uma das quais passa de encontro a um dos anéis móveis. As escovas são ligadas a uma resistência elétrica tal como a lâmpada incandescente R.

Quando a armadura gira, as espiras cortam transversalmente as linhas magnéticas de força produzidas pelos pólos do ímã. Desta maneira, uma força eletromotriz é induzida nas espiras e transmitida através dos anéis e das escovas até a resistência R. Uma corrente passa através do circuito ilustrado, com sentido indicado pelas setas.

A corrente descrita acima é uma corrente alternante, que reverte o sentido de seu fluxo pelo circuito da lâmpada a cada meia volta da armadura. Similarmente, a tensão nas escovas é chamada de tensão alternante ou alternada.
No instante representado no diagrama, a corrente deixa o gerador na escova A e retorna na escova B. Consideremos agora a situação meia volta mais tarde. As partes superiores e inferiores do enrolamento da armadura trocaram de lugar, e a corrente sai em B e retorna em A. O sentido da corrente oscila para frente e para trás a uma razão de freqüência igual ao número de revoluções por segundo executadas pela armadura.

Um gerador de corrente alternada (A. C.) pode ser transformado em um gerador unidirecional ou de corrente contínua (D.C.), substituindo-se os anéis por um comutador. Como ilustramos abaixo, um comutador simples é um anel dividido em duas metades isoladas, chamadas segmentos, que são montadas na armadura.

Cada terminal da bobina da armadura é ligado a um segmento do comutador. Quando a armadura gira, uma corrente alternada é induzida na bobina, exatamente como no gerador de corrente alternada. Mas antes que a corrente chegue à resistência externa, R, ela é transformada em corrente contínua pelo comutador. Os segmentos mudam de escova a cada meia volta da armadura, mantendo, desta maneira, uma corrente unidirecional através da parte externa do circuito.

O gerador de corrente contínua ou direta (DC)  pode ser operado como motor, simplesmente substituindo a resistência R por uma fonte de força eletromotriz, tal como uma bateria. Sua operação é ilustrada a seguir.

A corrente passa pelo enrolamento da armadura, produzindo um pólo norte na sua extremidade da esquerda, e um pólo sul na direita. A repulsão entre cada pólo de mesmo sinal da armadura e do ímã fixo obriga a armadura a dar uma meia volta. Nesse ponto, o comutador reverte o sentido do fluxo da corrente que passa pelo enrolamento, invertendo conseqüentemente seus pólos. Novamente, a extremidade esquerda da armadura tem um pólo norte, e a extremidade direita, um pólo sul. A repulsão entre cada pólo de mesmo sinal da armadura e do ímã fixo provoca outra volta da armadura. O processo repete-se indefinidamente, e a armadura continua a girar permanentemente em um só sentido. Invertendo-se a polaridade da bateria inverte-se o sentido de rotação da armadura do motor.

O transformador elétrico
Depois que descobriu a indução eletromagnética, Faraday voltou-se para a Química, deixando a exploração da eletricidade para outros.
Lá pela metade do século dezenove, a nova indústria elétrica estava firmemente estabelecida. Em 1857, tinham sido construídos poderosos geradores para emprego do arco elétrico nas luzes dos faróis e, pelo fim do século, grandes usinas termoelétricas tinham sido construídas para fornecer 'eletricidade' para uso público e particular.

O anel de Faraday (ilustrado anteriormente), agora chamado de transformador, desempenhou parte importante no desenvolvimento da indústria elétrica. Uma tensão alternada, é aplicada ao enrolamento primário, enviando uma corrente AC através desse enrolamento. Como a magnitude da corrente varia constantemente no curso do tempo, o campo magnético resultante também varia em intensidade, de um instante para outro. Tal campo magnético variável induz uma nova tensão alternada, correspondente, no enrolamento secundário do transformador. Quando este é ligado a uma resistência elétrica, formando um circuito completo, uma corrente AC passa pelo circuito secundário.

A magnitude da tensão induzida no enrolamento secundário depende da relação do número de espiras nos dois enrolamentos. Se o secundário tiver duas vezes mais espiras que o primário, a tensão induzida será duas vezes a que foi aplicada no primário (transformador elevador de tensão) --- exceto quanto a pequenas ineficiências do transformador. Se o secundário tiver menos espiras que o primário, sua tensão será correspondentemente mais baixa (transformador abaixador de tensão).
O uso de transformadores torna possível variar de maneira fácil e conveniente a tensão de distribuição da energia elétrica, para satisfazer às aplicações específicas. Eles são usados nas "usinas de força" a fim de aumentar a tensão dos geradores AC a muitos milhares de volts, para sua eficiente transmissão pelas "linhas de força". Nos pontos de distribuição locais, eles reduzem a tensão a níveis relativamente seguros, para uso nas casas e na indústria. Esta propriedade única e valiosa do anel de Faraday é a principal razão pela qual todos os sistemas de geração de energia elétrica modernos utilizam corrente alternada, em vez da corrente continua.

*** segue Estudos de eletricidade (parte 8) ***