 |
| (Clique na imagem para ampliá-la) |
Existe uma regra para estabelecermos facilmente qual direção da corrente foi induzida, conhecida como Lei de Lenz. Esta corrente gera o seu próprio campo magnético, e este campo magnético deve apontar na direção que se opõe à variação do fluxo (matematicamente, este é o papel do sinal de menos na Lei de Faraday). Ou seja, se aproximarmos o polo norte do circuito, criaremos um campo magnético com polaridade invertida, com o polo norte apontando na direção do ímã. Se, por outro lado, afastamos o polo norte do circuito, o fluxo magnético tende a diminuir, e portanto criaremos um campo magnético com a mesma polaridade, com o polo sul apontando na direção do ímã.
Voltando à simulação sugerida anteriormente, podemos visualizar este efeito (sugiro clicar na opção para visualizar as linhas de campo). Ao aproximarmos o polo norte do circuito, criamos uma corrente no sentido anti-horário, o que corresponde a uma voltagem positiva medida no voltímetro. Ao afastarmos o polo norte do circuito, a corrente está no sentido oposto, correspondendo a uma voltagem negativa. Uma proposta experimental bem simples de ser implementada é descrita aqui. Sugiro prestar atenção especial à força de atração ou repulsão entre o ímã e o circuito onde uma corrente é induzida, pois isto será importante mais para a frente.
P2.
Um mecanismo bastante simples de conversão de energia mecânica em energia elétrica é o dínamo, que pode ser encontrado, por exemplo, em faróis de bicicleta, que se acendem com o movimento da roda. Neste exemplo, a roda da bicicleta em contato com o dínamo cria a rotação de um eixo. Neste eixo, estão acopladas bobinas que começam a girar. Ímas permanentes fixados no dínamo geram os campos magnéticos, que, ao interagir com as bobinas em rotação, criam campos elétricos via indução magnética.
Os campos elétricos neste mecanismo oscilam com a frequência de rotação do eixo, invertendo a polaridade a cada meio ciclo. Portanto, para produzir uma corrente contínua, ou seja, sem inversão de sentido, é necessário “corrigir” a direção do campo elétrico criado. Isto pode ser feito com dispositivos mecânicos, que invertem a ligação elétrica das bobinas a cada ciclo, gerando, com isso, uma corrente contínua.
Alternadores também se baseiam no mesmo princípio físico, mas, em geral, suas bobinas estão fixas e campos magnéticos variáveis passam por essas bobinas, gerando a força eletromotriz. Alguns alternadores não utilizam ímas permanentes, mas produzem os campos magnéticos necessários para o seu funcionamento através de uma corrente externa. O campo elétrico criado varia com a frequência de oscilação do campo magnético, gerando uma corrente alternada.
Mas, como sempre, a energia total se conserva. Portanto, para manter um alternador ligado a um equipamento funcionando, devemos fornecer continuamente energia mecânica a este sistema.
Tomemos, por exemplo, um ímã permanente oscilando próximo a um circuito. A variação do fluxo magnético no circuito cria uma força eletromotriz que, por sua vez, gera uma corrente, dispersando energia por dissipação ôhmica. Esta energia vem da oscilação do ímã que, portanto, comecará a desacelerar. Se queremos manter a corrente no circuito, temos de forçar o movimento de oscilação do íma, ou seja, temos de vencer certa resistência para mantê-lo em movimento. Mas de onde vem esta resistência?
Até agora, temos falado somente sobre o efeito do campo magnético do ímã no circuito. Mas deve haver uma resposta, um efeito no ímã, produzido pela corrente gerada no circuito, fazendo com que ele desacelere. Este efeito é puramente eletromagnético, e pode ser entendido a partir da Lei de Lenz. Ao criarmos uma corrente no circuito, geramos também um campo de dipolo magnético, com seus polos norte e sul.
A Lei de Lenz diz que, se aproximamos um ímã de um circuito, com o polo norte do ímã apontando na direção do circuito, o campo magnético gerado pela corrente induzida no circuito terá seu polo norte apontando na direção do ímã. Portanto, teremos dois campos magnéticos, o do ímã e o do circuito, com polos semelhantes próximos, ocasionando uma repulsão entre o ímã e o circuito, e freando o movimento do ímã. E, se afastamos do circuito este mesmo ímã, agora o campo magnético criado pela corrente induzida no circuito terá seu polo norte apontando na direção oposta à do ímã. E como temos os polos magnéticos do ímã e do circuito alinhados, ocorre uma atração entre ímã e circuito, novamente freando o movimento do ímã.
Um ótimo experimento, de simples implementação, que demonstra a Lei de Faraday, a Lei de Lenz e a força entre dipolos magnéticos, é discutido aqui.
P4.
Duas bicicletas idênticas, nas quais dínamos foram acoplados às suas rodas, descem livremente uma ladeira. Em uma delas, o dínamo está conectado à uma lâmpada, enquanto na outra esta conexão foi cortada. Suponha que as bicicletas e os dínamos estão perfeitamente lubrificados. Assinale qual das alternativas é a verdadeira.
a) dependendo da direção em que apontamos a lanterna, a primeira bicicleta pode descer mais lentamente (apontando a lanterna para a frente) ou rapidamente (apontando a lanterna para trás) que a segunda bicicleta.
b) as duas bicicletas descerão com a mesma velocidade, pois a criação de campos elétricos por indução magnética é idêntica nos dois casos. O uso ou não deste campo elétrico para ligar a lâmpada não influencia no movimento das bicicletas.
c) a primeira bicicleta descerá mais lentamente, pois parte de sua energia cinética é convertida em energia elétrica, enquanto, na segunda bicicleta, não há criação de campo elétrico.
d) a primeira bicicleta descerá mais lentamente, pois parte de sua energia cinética é convertida em energia elétrica, enquanto, na segunda bicicleta, a energia elétrica criada não é dissipada via corrente elétrica.
P5.
Como vimos, dínamos e alternadores nos permitem converter energia mecânica em energia elétrica. E, se precisamos produzir uma quantidade gigantesca de energia elétrica para alimentar nossas indústrias e residências, temos, então, de buscar fontes na natureza que forneçam grandes quantidades de energia mecânica.
As usinas hidrelétricas buscam esta energia mecânica no fluxo de água dos rios. O grande volume de água dos rios que fluem desde a nascente até a foz pode ser uma grande fonte de energia mecânica. Energia potencial gravitacional é convertida em energia cinética, à medida que a água dos rios desce. Uma hidrelétrica utiliza esta energia para mover grandes turbinas, transformando a energia cinética da água em energia de rotação de uma turbina.
Agora, com uma turbina rodando, pode-se utilizar os princípios físicos de indução magnética para converter esta energia mecânica em energia elétrica. É isto que faz uma usina hidrelétrica. É razoavelmente simples criar uma usina hidrelétrica em pequena escala. Veja aqui um vídeo no qual uma demonstração é feita.
A maior usina hidrelétrica do mundo é Itaipu, localizada na fronteira entre o Brasil e o Paraguai. A usina é responsável pelo fornecimento de 16% de toda a energia elétrica consumida no Brasil, e por mais de 70% do consumo paraguaio! Uma lista das principais hidrelétricas brasileiras pode ser encontrada aqui.
P6.
A maior vantagem da usina hidrelétrica está no uso de uma fonte de energia totalmente renovável. O ciclo da água assegura o funcionamento sem limite de uma usina hidrelétrica, ao garantir um fluxo de água contínuo nas bacias hidrográficas.
Além disso, o funcionamento de uma usina hidrelétrica é feito de forma limpa, praticamente sem emissão de gases causadores do efeito estufa, grande preocupação atual.
Porém, como de costume, o mesmo fator que lhe confere uma vantagem, a partir de um ponto de vista, resulta em uma desvantagem, sob outro aspecto. Justamente por usar um recurso renovável, natural, a construção de uma hidrelétrica interfere de forma aguda em extensa área de um ambiente natural, mudando o desenho de uma bacia hidrográfica, interrompendo o curso de um rio, e afetando a vida de qualquer pessoa que usava de alguma forma o rio original para seu sustento.
As desvantagens da instalação de usinas hidrelétricas podem ser minimizadas com preparação e entendimento prévios sobre o impacto ambiental de uma obra deste porte. Neste sentido, a legislação brasileira caminha para incluir relatórios de impacto ambiental, discussão com comunidades locais, etc.
Atualmente, tal embate esteve bastante presente na mídia, ao ser discutida a instalação de uma usina hidrelétrica em Belo Monte, no Pará. O governo defende sua implementação, enquanto algumas organizações civis consideram que os impactos socioambientais foram subestimados. Este é um debate em andamento, que continua criando polêmica e alimentando acaloradas discussões.
Uma discussão sobre vantagens e desvantagens de usinas hidrelétricas pode ser encontrada no Portal São Francisco.
P7.
Existem outras formas de criar energia mecânica. Nos casos das usinas nucleares e termelétricas, esta energia mecânica é criada a partir do calor. Nas usinas nucleares, os decaimentos de elementos radioativos aquecem água, gerando vapor e fazendo girar uma turbina. No caso das termelétricas, este mesmo aquecimento vem da queima de combustível, usualmente carvão, mas também utilizando gás natural ou petróleo.
E, uma vez que temos o movimento de uma turbina, temos a possibilidade de converter energia mecânica em energia elétrica, utilizando os mesmos princípios dos dínamos e alternadores, e das usinas hidrelétricas.
A vantagem da usina nuclear é a incrível eficiência na produção de energia. Uma pequena porção de material radioativo é suficiente para produzir quantidades imensas de energia elétrica, possibilitando construir usinas nucleares de forma compacta, sem grande intervenção no meio ambiente. Mas hoje é amplamente conhecido que medidas de segurança rígidas têm de ser adotadas para prevenir qualquer acidente com material nuclear. O Brasil possui uma usina nuclear em funcionamento, a Usina de Angra dos Reis, com dois reatores, mas tem planos de ampliação do uso deste tipo de energia.
A energia termelétrica é possivelmente a principal fonte de energia elétrica no mundo, sendo o principal item da matriz energética dos Estados Unidos, por exemplo. Porém, no Brasil, este tipo de geração tem papel secundário, pois nossa ênfase em termos de matriz energética é a hidrelétrica.
