Magnetismo para rede elétrica
Um ímã se move e surge corrente em um fio a quilômetros de distância. Esta seção constrói essa cadeia: ímãs permanentes e padrões de campo, efeito magnético da corrente, força motriz com sua regra da mão esquerda, indução em bobinas e geradores, e (P) transformadores que transportam energia elétrica por todo um país.
Edexcel International GCSE Física 4PH1, Seção 6 (enunciados 6.1–6.20P). Os enunciados seguidos de P são a extensão exclusiva de Física.
Magnetismo
Ímãs repelem polos iguais e atraem polos opostos, e atraem materiais magnéticos (ferro, aço, níquel, cobalto). Materiais magneticamente duros (aço) mantêm sua magnetização — ímãs permanentes; materiais macios (ferro) magnetizam e desmagnetizam facilmente — núcleos de eletroímãs. As linhas de campo apontam de N para S fora do ímã (nunca se cruzam); a magnetização é induzida em um material magnético colocado em um campo. Dois polos opostos voltados um ao outro produzem um campo uniforme entre eles.
Eletromagnetismo e efeito motor
Uma corrente em um condutor cria um campo magnético ao redor dele — círculos concêntricos, regra da mão direita. (P) Eletroímãs: uma bobina (solenoide) ao redor de um núcleo de ferro macio, comutável e ajustável. (P) Padrões de campo para um fio reto, bobina plana e solenoide.
Um fio percorrido por corrente transversalmente a um campo magnético sofre uma força — o efeito motor, usado em motores c.c. (bobina rotativa + comutador) e alto-falantes. Preveja a direção com a regra da mão esquerda: primeiro dedo Campo, seGundo dedo Corrente, polegar Movimento. A força aumenta com campo mais forte e maior corrente, e inverte-se se qualquer um deles inverter.
Indução eletromagnética
Uma tensão é induzida em um condutor ou bobina quando ele se move através de um campo magnético ou quando o campo através dele muda. A tensão induzida é maior com movimento mais rápido, campo mais forte, mais espiras e (para geradores) rotação mais rápida. Geradores giram um ímã dentro de uma bobina (ou uma bobina dentro de um ímã) — a magnitude e a frequência da tensão alternada induzida seguem a rotação.
(P) Transformadores alteram uma tensão alternada usando duas bobinas em um núcleo de ferro:
Transformadores elevadores aumentam a tensão (e reduzem a corrente) para transmissão — alta tensão significa baixa corrente, resultando em muito menos perda de energia como calor nos cabos; transformadores redutores trazem a tensão de volta aos níveis seguros para uso.
Verificação resolvida. Um transformador tem 200 espiras primárias e 50 espiras secundárias; o primário é de 230 V. $V_s = 230 \times 50/200 = 57.5$ V — um redutor. Se a corrente primária for de 0.5 A: $I_s = 230 \times 0.5/57.5 = 2.0$ A.
Verifique você mesmo
- Cite duas diferenças entre materiais magnéticos duros e moles.
- Em que direção as linhas de campo apontam fora de um ímã?
- Descreva como produzir um campo magnético uniforme com dois ímãs em barra.
- O que uma corrente em um fio cria ao seu redor?
- Enuncie os três dedos da regra da mão esquerda.
- Cite dois fatores que aumentam a força sobre um fio percorrido por corrente em um campo.
- Cite duas formas de induzir tensão em uma bobina.
- Cite dois fatores que aumentam o valor de uma tensão induzida.
- (P) Um transformador redutor tem 1000 espiras primárias e 100 espiras secundárias; entrada de 230 V. Calcule a saída.
- (P) Por que a eletricidade é transmitida em alta tensão?
Respostas: 1 duro mantém sua magnetização (ímãs permanentes, aço); mole perde facilmente (temporário, ferro — núcleos de eletroímã); 2 de N para S; 3 posicione polos N e S voltados um para o outro com uma folga — as linhas de campo paralelas entre eles são uniformes; 4 um campo magnético de círculos concêntricos (regra do punho); 5 dedo indicador Campo, dedo médio Corrente, polegar Movimento; 6 campo mais forte; maior corrente.
Respostas continuadas: 7 mova a bobina ou o ímã para que a bobina corte linhas de campo, ou altere o campo através de uma bobina estacionária; 8 movimento mais rápido; ímã mais forte; mais espiras; 9 (P) $V_s = 230 \times 100/1000 = 23$ V; 10 (P) alta tensão resulta em baixa corrente para a mesma potência; aquecimento do cabo é $I^2R$, portanto as perdas diminuem drasticamente em longas distâncias.