TUBO DE INDUÇÃO - LEI DE FARADAY - FEIRA DE CIÊNCIAS ... O Imperdível !

Objetivo
Destacar o fenômeno da indução eletromagnética e a Lei de Faraday.

O tubo de indução consiste num tubo de PVC de 1/2" de diâmetro e 1,5 m de comprimento, ao redor do qual são fixadas (coladas) 5 bobinas de fio isolado. Cada bobina tem cerca de 1000 espiras de fio de cobre esmaltado # 28 ou # 30. Ligado aos terminais de cada bobina temos 2 LEDs (diodo emissor de luz), um vermelho e outro amarelo, conectados como se ilustra acima (em paralelo e em oposição). Com esse tipo de ligação dos LEDs, apenas um deles acenderá para um dado sentido da corrente elétrica na bobina.

Funcionamento
Com o tubo na vertical (depois, para minimizar a velocidade de queda do ímã, poderá ser colocado com certa inclinação) abandone o ímã pela extremidade superior. Conforme o ímã cai, passando pelos interiores das bobinas, você deverá observar as 'piscadas' dadas pelos LEDs vermelhos e amarelos de cada bobina. Quanto melhor for o ímã, mais evidente será o fenômeno.

Conforme o ímã desliza tubo abaixo seu campo magnético penetra na bobina, por cima, e sai por baixo. Para o professor, recomendamos que desenhe uma única espira fechada, na horizontal, e o ímã reto vertical em três posições: antes de entrar na espira; simétrico em relação à espira e depois de sair da espira --- como se ilustra ao lado ---; em cada caso examinar o comportamento da corrente induzida na espira, durante o movimento do ímã.
Um gráfico dessa intensidade de corrente induzida, função da posição do ímã, será bastante ilustrativo. Nesse gráfico, destacar como o aumento da velocidade de queda do ímã afeta a f.e.m. induzida na espira.

Durante a aproximação ocorrerá uma variação do fluxo de indução concatenado com a bobina, dando nascimento a uma d.d.p. induzida nos terminais dessa bobina, com uma dada polaridade. Essa d.d.p. é aplicada ao circuito externo representado pelos LEDs em paralelo e em oposição e fará circular uma corrente elétrica induzida apenas naquele LED diretamente polarizado, o qual acenderá.
Quando o centro do ímã estiver passando pelo centro da bobina o fluxo de indução total é nulo e não haverá d.d.p. induzida.
Durante o afastamento do ímã ocorrerá nova variação de fluxo, agora em sentido inverso, dando, portanto, nascimento a uma nova d.d.p. de polaridade invertida em relação à anterior. Uma corrente de sentido oposto percorrerá o circuito e apenas o outro LED (agora diretamente polarizado) acenderá.

A d.d.p. induzida na bobina (em circuito aberto) pela variação do fluxo no decorrer do tempo é dada pela Lei de Faraday da Indução:

onde e é a força eletromotriz (d.d.p. induzida nas partes do enrolamento), N é o número de espiras da bobina, df é a variação do fluxo de indução e dt é o breve intervalo de tempo no qual ocorre a variação df.
O fluxo útil aumenta conforme o ímã se aproxima da bobina e, após passar pelo centro da bobina, diminui. A d.d.p. induzida nos terminais da bobina é razoavelmente 'senoidal' e essa é a causa primeira do porque primeiro um LED acende e depois o outro. Com um ímã suficientemente longo (recomendamos um ímã cilíndrico de comprimento maior que 3 cm) a mudança de polaridade da bobina é relativamente lenta e isso permite ao olho perceber facilmente que os dois LEDs piscam em seqüência (se os ímãs forem pequenos os dois 'flashes' parecerão simultâneos).

Sabemos que durante a queda do ímã, sua velocidade aumenta e, então, o intervalo de tempo de passagem do ímã pelo interior de uma bobina diminuirá. Quanto menor for esse intervalo de tempo maior será o fluxo de indução, a d.d.p. induzida e, conseqüentemente, a intensidade de corrente em cada LED. Os brilhos dos LEDs (potência) nas bobinas mais baixas serão mais intensos.

Variante do experimento
A ficha a seguir descreve uma variante simples para a constatação das correntes parasitas: