A lei de Lenz afirma que, ao gerar uma força eletromotriz (fem) causada por uma mudança no fluxo magnético de acordo com a lei de Faraday, a polaridade da fem induzida gera uma corrente magnética que se opõe à variação que produz.
Esta lei é baseada na lei de indução de Faraday, que afirma que quando um campo magnético variável é conectado a uma bobina, uma força eletromotriz (tensão induzida) é induzida nela. Em outras palavras: a magnitude da força eletromotriz induzida no circuito é proporcional à variação da mudança de fluxo.
A lei é consequência do princípio da conservação da energia (a energia não pode ser criada ou destruída) e da terceira lei de Newton (há sempre uma reação igual e oposta a cada ação).
A lei de Lenz recebeu o nome do trabalho realizado por Heinrich Lenz em 1834.
Esta lei física é de grande importância na compreensão dos fenômenos eletromagnéticos, como a geração de eletricidade em geradores elétricos, transformadores e muitas outras aplicações na física e na engenharia elétrica.
Fórmula da lei de Lenz
O fluxo gerado por um campo magnético uniforme que passa por um circuito plano pode ser calculado com a seguinte fórmula:
Φ=B · S · cos(α)
onde
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Φ é o fluxo magnético expresso em Wb.
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B é a indução magnética expressa em T.
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S é a superfície plana do condutor.
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α é o ângulo formado pela direção do campo e pela superfície do condutor.
Exemplos e aplicações
A Lei de Lenz tem múltiplas aplicações em física e engenharia.
Abaixo estão exemplos e aplicações que incluem energia fotovoltaica e outras áreas:
Geradores elétricos
Os geradores de energia elétrica aplicam a lei de Lenz, por exemplo, em turbinas eólicas ou turbinas hidráulicas.
Na geração de energia eólica, os geradores utilizam a força do vento para girar uma turbina, que por sua vez aciona um gerador elétrico. A Lei de Lenz se aplica na geração de eletricidade quando as pás da turbina cortam as linhas do campo magnético no gerador.
Nas usinas hidrelétricas, a queda de água de uma altura aciona uma turbina que, novamente, aciona um gerador elétrico. A Lei de Lenz é aplicada na indução eletromagnética que converte a energia cinética da água em eletricidade.
Frenagem eletromagnética
Os veículos elétricos utilizam a travagem regenerativa para recuperar energia ao desacelerar ou travar. A Lei de Lenz é aplicada gerando uma corrente elétrica que se opõe ao movimento das rodas, desacelerando o veículo e convertendo energia cinética em eletricidade que pode ser recarregada na bateria.
Transformadores
Os transformadores elétricos contam com a Lei de Lenz para alterar a tensão de uma corrente alternada (CA) sem alterar a frequência. A corrente primária em uma bobina induz uma corrente secundária em outra bobina através do fluxo magnético compartilhado.
Teoria dos circuitos
Nos circuitos elétricos, a autoindução é baseada na lei de Lenz. Quando a corrente em uma bobina muda, uma força eletromotriz (EMF) é induzida que se opõe a essa mudança. Isso é usado em componentes como relés e bobinas de ignição.
Aceleradores de partículas
A direção dos campos magnéticos é controlada de acordo com a lei de Lenz para guiar as partículas de forma eficiente.
Limitações da lei de Lenz
Embora a lei de Lenz seja uma regra fundamental na física que descreve a relação entre a mudança no fluxo magnético e a corrente induzida em um circuito, ela também tem suas limitações e situações em que não é aplicada diretamente.
Aqui estão algumas das limitações e considerações importantes:
Situações de alta velocidade e campos magnéticos intensos
Em situações de alta velocidade ou com campos magnéticos extremamente fortes, a lei de Lenz pode não ser suficiente para descrever com precisão o comportamento do sistema.
Nestes casos podem surgir efeitos relativísticos ou quânticos que requerem uma descrição mais avançada.
Resistência elétrica desprezível
A lei de Lenz pressupõe a existência de resistência elétrica no circuito. Em circuitos supercondutores, onde a resistência é essencialmente zero, a lei de Lenz pode não se aplicar diretamente, uma vez que não há perda de energia na forma de calor devido à resistência.
Comportamento não linear
Em sistemas não lineares, onde a relação entre a mudança no fluxo magnético e a corrente induzida é não linear, a Lei de Lenz pode fornecer apenas uma descrição aproximada da resposta do sistema.
Efeitos quânticos
Em escalas extremamente pequenas, como na física quântica, os elétrons podem exibir comportamentos quânticos que não são totalmente descritos pela Lei de Lenz.
Nesses casos, as leis quânticas devem ser utilizadas para melhor compreender a interação entre partículas carregadas e campos magnéticos.
Sistemas com mudanças abruptas
Em situações onde a mudança no fluxo magnético ocorre repentina ou abruptamente, a Lei de Lenz pode não antecipar totalmente os efeitos transitórios e surtos que podem ser gerados no circuito.
Materiais magnéticos complexos
Esta lei é uma simplificação que não leva em consideração a complexidade dos materiais magnéticos em situações onde os materiais são ferromagnéticos ou apresentam comportamentos magnéticos não lineares. Nesses casos, é necessária uma análise mais detalhada.
Efeitos relativísticos
Em velocidades próximas à velocidade da luz, os efeitos relativísticos podem modificar a relação entre o campo magnético e a corrente induzida, exigindo considerações relativísticas para uma descrição precisa.
Exercício resolvido da Lei de Lenz
Declaração
Suponha que temos uma bobina de fio com 100 voltas e resistência de 5 ohms. A bobina é colocada em um campo magnético uniforme e o fluxo magnético através da bobina muda ao longo do tempo a uma taxa de 0,02 Weber por segundo. Queremos calcular a corrente induzida na bobina e a EMF (força eletromotriz) induzida no circuito.
Solução
Primeiro, vamos lembrar a Lei de Lenz: a corrente induzida num circuito fechado sempre se oporá à mudança no fluxo magnético que a produz. Isso significa que a corrente fluirá na bobina em uma direção que gerará um campo magnético que se opõe à mudança no fluxo magnético externo.
Calcule a fem induzida:
Usamos a Lei de indução eletromagnética de Faraday para calcular o EMF induzido (ε) na bobina:
ε = -dΦ/dt
Onde ε é o EMF induzido e dΦ/dt é a mudança no fluxo magnético em relação ao tempo.
ε = -(0,02 Wb/s)
ε = -0,02 V (negativo porque se opõe à mudança)
Calcule a corrente induzida:
Usamos a lei de Ohm para encontrar a corrente (I) no circuito. A lei de Ohm afirma que V = I * R, onde V é a tensão e R é a resistência.
ε = eu * R
-0,02 V = I * 5 ohms
I = -0,02 V / 5 ohms
Eu = -0,004 A
Portanto, a corrente induzida na bobina é de -0,004 amperes e flui na direção oposta à mudança no fluxo magnético externo, conforme ditado pela lei de Lenz.