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.
Matérias Necessárias para a Solução da Questão
- Eletromagnetismo.
- Indução Eletromagnética.
- Lei de Faraday-Lenz.
Nível da Questão: Médio.
Gabarito: Letra D.
Resolução Passo a Passo
Passo 1: Análise do Comando e Definição do Objetivo
O enunciado descreve o funcionamento de um gerador elétrico e solicita o motivo pelo qual houve aumento da diferença de potencial (ddp) nos terminais das bobinas.
Objetivo: Determinar o fator responsável pelo aumento da ddp no gerador, com base na variação do fluxo magnético.
Palavras-chave: Gerador, fluxo magnético, variação, diferença de potencial, velocidade angular.
Passo 2: Tradução e Interpretação do Texto
No contexto, a geração de energia elétrica ocorre devido à variação do fluxo magnético nas bobinas do gerador. A ddp gerada depende diretamente da rapidez com que o fluxo magnético muda.
Frase-chave: “Aumento inesperado da diferença de potencial elétrico nos terminais das bobinas.”
Isso indica que algo provocou uma variação mais rápida do fluxo magnético, resultando em um aumento da ddp conforme a Lei de Faraday-Lenz.
Passo 3: Explicação de Conceitos Necessários
Lei de Faraday-Lenz:
- A força eletromotriz (fem) induzida em uma bobina é proporcional à rapidez com que o fluxo magnético varia.
Onde:
- E: força eletromotriz (ddp) induzida,
- N: número de espiras,
- ΔΦ: variação do fluxo magnético,
- Δt: intervalo de tempo para a variação.
Fluxo Magnético:
- O fluxo magnético (Φ) é dado por:
Onde:
- B: intensidade do campo magnético,
- A: área da espira
- θ: ângulo entre o campo e a área.
Velocidade Angular e Fluxo Magnético:
- O aumento na velocidade angular do gerador diminui o intervalo de tempo (Δt) da variação do fluxo magnético, o que aumenta a ddp induzida.
Passo 4: Desenvolvimento do Raciocínio e Cálculos
Para aumentar a diferença de potencial (ddp) nas bobinas:
- Pela Lei de Faraday, é necessário aumentar a rapidez da variação do fluxo magnético (
- Isso pode ser feito:
- Aumentando a intensidade do campo magnético
- Aumentando a área da espira
- Aumentando a rapidez de variação do fluxo (por exemplo, aumentando a velocidade angular).
No caso, o enunciado destaca o aumento da velocidade angular, que reduz o tempo e, consequentemente, aumenta a taxa de variação do fluxo magnético.
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.”
- Errada: A diminuição da velocidade angular aumenta o intervalo de tempo e reduz a ddp, contradizendo a Lei de Faraday.
- Correção: Ficaria correta se dissesse “aumento na rapidez de variação do fluxo magnético”.
B) “Fluxo magnético através das bobinas, por meio de um aumento em sua área interna exposta ao campo magnético aplicado.”
- Errada: Aumentar a área aumenta o fluxo magnético, mas o enunciado indica que o fator responsável foi o tempo, relacionado à velocidade angular.
- Correção: Poderia ser válida se houvesse menção específica ao aumento da área como causa do aumento do fluxo magnético.
C) “Intensidade do campo magnético no qual as bobinas estão imersas, por meio de aplicação de campos magnéticos mais intensos.”
- Errada: O aumento do campo magnético eleva o fluxo, mas o enunciado não cita alterações no campo.
- Correção: Seria correta se a questão mencionasse explicitamente a intensificação do campo magnético.
D) “Rapidez com que o fluxo magnético varia através das bobinas, por meio de um aumento em sua velocidade angular.”
- Certa: O aumento da velocidade angular diminui o intervalo de tempo e aumenta a rapidez da variação do fluxo magnético, gerando maior ddp.
E) “Resistência interna do condutor que constitui as bobinas, por meio de um aumento na espessura dos terminais.”
- Errada: A resistência do condutor afeta a corrente elétrica, mas não influencia diretamente a ddp gerada pela variação do fluxo magnético.
- Correção: Poderia ser válida em uma questão sobre perdas elétricas ou eficiência do sistema.
Passo 6: Conclusão
A alternativa correta é D. A ddp nos terminais das bobinas aumenta porque a rapidez de variação do fluxo magnético é maior, devido ao aumento da velocidade angular do gerador. Esse aumento está diretamente ligado à Lei de Faraday-Lenz, que explica como a variação do fluxo magnético induz uma força eletromotriz.
