Em uma usina geradora de energia elétrica, seja através de uma queda-d’água ou através de vapor
sob pressão, as pás do gerador são postas a girar. O movimento relativo de um ímã em relação a um
conjunto de bobinas produz um fluxo magnético variável através delas, gerando uma diferença de potencial em
seus terminais. Durante o funcionamento de um dos geradores, o operador da usina percebeu que houve um
aumento inesperado da diferença de potencial elétrico nos terminais das bobinas.
Nessa situação, o aumento do módulo da diferença de potencial obtida nos terminais das bobinas resulta do aumento do(a)
A) intervalo de tempo em que as bobinas ficam imersas no campo magnético externo, por meio de uma diminuição de velocidade no eixo de rotação do gerador.
B) fluxo magnético através das bobinas, por meio de um aumento em sua área interna exposta ao campo magnético aplicado.
C) intensidade do campo magnético no qual as bobinas estão imersas, por meio de aplicação de campos magnéticos mais intensos.
D) rapidez com que o fluxo magnético varia através das bobinas, por meio de um aumento em sua velocidade angular.
E) resistência interna do condutor que constitui as bobinas, por meio de um aumento na espessura dos terminais.
Resolução Em Texto
📚 Matérias Necessárias para a Solução da Questão
- Física (Eletromagnetismo: Indução Eletromagnética, Lei de Faraday-Neumann-Lenz)
- Física (Movimento Circular: Velocidade Angular)
🎯 Tema/Objetivo Geral
Compreensão dos fatores que influenciam a magnitude da força eletromotriz (diferença de potencial) induzida em um gerador elétrico, de acordo com a Lei de Faraday.
📊 Nível da Questão
Médio a Difícil.
Por quê? A questão exige a aplicação de um conceito fundamental do eletromagnetismo (a Lei de Faraday) em um contexto prático (o gerador de uma usina). Requer não apenas a memorização da lei, mas a compreensão de que a “diferença de potencial” gerada depende da rapidez da variação do fluxo magnético, e não do fluxo em si, um ponto de confusão comum.
✅ Gabarito
Alternativa D.
Resumo: A Lei de Faraday afirma que a diferença de potencial induzida é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético. Em um gerador, aumentar a velocidade de rotação (velocidade angular) das pás faz com que o fluxo magnético através das bobinas mude mais rapidamente, o que resulta em uma maior diferença de potencial.
Passo 1: Análise do Comando e Definição do Objetivo
Transcrição Essencial 📌
“Nessa situação, o aumento do módulo da diferença de potencial obtida nos terminais das bobinas resulta do aumento do(a)”
O que está sendo pedido?
A questão descreve um gerador e um aumento inesperado na “diferença de potencial” (voltagem) produzida. A pergunta é: o que, fisicamente, poderia ter causado esse aumento?
Objetivo Cristalino 💎
Nosso objetivo é analisar as variáveis que determinam a voltagem gerada por indução eletromagnética e encontrar a alternativa que descreve a causa correta para um aumento nessa voltagem.
🧠 Você já viu um dínamo de bicicleta, aquela pequena lanterna que acende quando a roda gira? Por que a luz fica mais forte quanto mais rápido você pedala? A resposta a essa pergunta é a mesma da questão.
Passo 2: Explicação de Conceitos e Conteúdo Necessários
Definição de Termos 🔖
- Gerador Elétrico: Dispositivo que converte energia mecânica (de rotação) em energia elétrica. O texto descreve seu princípio: “o movimento relativo de um ímã em relação a um conjunto de bobinas”.
- Fluxo Magnético (Φ): É uma medida da quantidade de campo magnético que “atravessa” uma determinada área. Ele depende da intensidade do campo magnético (B) e da área (A) da bobina perpendicular a esse campo. Em um gerador, o fluxo varia porque a rotação muda o ângulo entre a bobina e o campo.
- Indução Eletromagnética: É o fenômeno de geração de uma corrente elétrica (e, consequentemente, uma diferença de potencial) em um circuito quando ele é submetido a um fluxo magnético variável. É a base de funcionamento dos geradores.
- Lei de Faraday-Neumann-Lenz: É a lei da física que descreve matematicamente a indução eletromagnética. Ela afirma que a força eletromotriz induzida (fem, que é a diferença de potencial, U ou ε) é igual, em módulo, à rapidez com que o fluxo magnético varia no tempo.
- Fórmula: |ε| = |ΔΦ / Δt|
- Tradução: A voltagem gerada (|ε|) é proporcional à variação do fluxo (ΔΦ) dividida pela variação do tempo (Δt). O termo ΔΦ / Δt representa a rapidez da variação do fluxo.
- Velocidade Angular (ω): É a medida da rapidez com que um objeto gira ou roda. Quanto mais rápido as pás do gerador giram, maior é a sua velocidade angular.
Passo 3: Tradução e Interpretação do Problema
Contextualização Simplificada 💬
O texto explica como funciona um gerador de usina: as pás giram, movimentando ímãs perto de bobinas (fios enrolados), e essa “dança” entre ímãs e bobinas cria eletricidade. O operador da usina notou que, de repente, a “voltagem” aumentou. A pergunta é: o que aconteceu na “dança” para que mais eletricidade fosse gerada?
A Lei de Faraday nos diz que não basta ter um fluxo magnético; é preciso que ele mude, e quanto mais rápido ele mudar, maior será a voltagem. Em um gerador, o que faz o fluxo mudar é a rotação. Portanto, se as pás começaram a girar mais rápido, a mudança do fluxo ficou mais rápida, e a voltagem aumentou.
Estratégia Geral 🗺️
Nossa estratégia será aplicar diretamente a Lei de Faraday. Vamos procurar a alternativa que descreva um aumento na “rapidez com que o fluxo magnético varia” (o termo ΔΦ / Δt da fórmula).
Passo 4: Desenvolvimento do Raciocínio
Passo a Passo Detalhado 👣
- O Fenômeno: O problema descreve a geração de uma “diferença de potencial” (voltagem) a partir de um “fluxo magnético variável”. Este é o fenômeno da indução eletromagnética.
- A Lei Física: A lei que governa esse fenômeno é a Lei de Faraday, que afirma: |U| = |ΔΦ / Δt|.
- A Observação: O operador notou um “aumento inesperado da diferença de potencial elétrico”. Isso significa que o valor de |U| aumentou.
- A Causa: Para que |U| aumente, o valor de |ΔΦ / Δt| também deve aumentar. Este termo significa a rapidez com que o fluxo magnético varia.
- A Conexão com o Gerador: Em um gerador que está girando, como podemos aumentar a rapidez com que o fluxo varia? Aumentando a velocidade de rotação, ou seja, a velocidade angular. Girar mais rápido significa que o ciclo de variação do fluxo magnético (de máximo a mínimo e vice-versa) acontece em um intervalo de tempo (Δt) menor, o que aumenta a razão ΔΦ/Δt.
- Conclusão: Portanto, o aumento da diferença de potencial resulta do aumento da rapidez com que o fluxo magnético varia através das bobinas, o que é consequência de um aumento na velocidade angular de rotação.
A Armadilha Comum 🚨
A principal armadilha é a Alternativa B, “aumento do fluxo magnético”. Um fluxo magnético grande, mas constante, não gera nenhuma voltagem. A indução depende da variação, da mudança do fluxo, e, mais especificamente, da rapidez dessa mudança. É um erro muito comum confundir o fluxo (Φ) com a sua taxa de variação (ΔΦ/Δt).
Fechamento e Expectativa
A análise nos leva a procurar a alternativa que mencione a “rapidez da variação do fluxo magnético” como a causa do aumento da voltagem.
Passo 5: Análise das Alternativas
🔴 A) intervalo de tempo em que as bobinas ficam imersas no campo magnético externo, por meio de uma diminuição de velocidade no eixo de rotação do gerador.
Incorreta. Diminuir a velocidade de rotação diminuiria a taxa de variação do fluxo, o que reduziria a diferença de potencial, o oposto do que foi observado.
🔴 B) fluxo magnético através das bobinas, por meio de um aumento em sua área interna exposta ao campo magnético aplicado.
Incorreta. Conforme a armadilha, o aumento do fluxo magnético máximo, por si só, não garante o aumento da voltagem. O que importa é a rapidez com que ele varia. A alternativa D é mais precisa ao focar na taxa de variação.
🔴 C) intensidade do campo magnético no qual as bobinas estão imersas, por meio de aplicação de campos magnéticos mais intensos.
Incorreta. Aumentar a intensidade do campo magnético (usar um ímã mais forte, por exemplo) aumentaria o fluxo máximo, mas, novamente, o fator crucial que o operador observou mudar foi provavelmente a velocidade de rotação. A alternativa D descreve melhor a dinâmica do processo.
🟢 D) rapidez com que o fluxo magnético varia através das bobinas, por meio de um aumento em sua velocidade angular.
Correta. Esta alternativa descreve perfeitamente o princípio da Lei de Faraday. Um aumento na velocidade angular (girar mais rápido) causa uma variação mais rápida do fluxo magnético, o que induz uma maior diferença de potencial.
🔴 E) resistência interna do condutor que constitui as bobinas, por meio de um aumento na espessura dos terminais.
Incorreta. A resistência interna da bobina está relacionada à perda de energia (efeito Joule) e à corrente que fluirá no circuito, mas a diferença de potencial gerada (força eletromotriz) é determinada pela Lei de Faraday e independe da resistência.
Passo 6: Conclusão e Justificativa Final
Resumo do Raciocínio 📝
O funcionamento de um gerador elétrico é governado pela Lei de Faraday da Indução Eletromagnética, que estabelece que a diferença de potencial induzida é diretamente proporcional à rapidez da variação do fluxo magnético. Em um gerador rotativo, essa rapidez é determinada pela velocidade angular de rotação. Portanto, um aumento na diferença de potencial observada pelo operador só pode ser resultado de um aumento na velocidade de rotação das pás, o que, por sua vez, aumenta a rapidez com que o fluxo magnético varia através das bobinas.
Gabarito Reafirmado 🏅
A alternativa correta é a D.
Resumo Final para Revisão 🔍
Lembre-se da Lei de Faraday: Voltagem gerada não depende do quanto de fluxo, mas da rapidez da mudança do fluxo. Eletricidade gosta de pressa! Quanto mais rápido o fluxo magnético varia, maior a voltagem.