UFSC 2018 — questão 24 de Física
Enunciado em texto
À noite no acampamento, Pedro, Tiago e João pensam em maneiras alternativas de produzir luz, além do fogo. João desenha o esquema abaixo imaginando uma aplicação para o hand spinner e outros materiais que trouxe. Em seu desenho, acoplou um ímã em cada um dos lados do brinquedo e o colocou próximo de uma bobina ligada a um pequeno transformador elevador de tensão conectado a um LED. Antes de montarem o aparato, eles observaram que o hand spinner livre gira por 5 minutos, então João desafiou Pedro e Tiago a fazerem comentários sobre o seu funcionamento.
[Figura: um hand spinner em forma de cruz, com um ímã na ponta de cada um dos quatro braços; cada ímã tem os polos N e S lado a lado, alinhados com o sentido do giro. Setas curvas indicam que o brinquedo gira. Bem perto da ponta do braço da direita fica uma bobina, cujos fios vão até uma caixa marcada “Transformador”, e da caixa saem dois fios até um LED.]
Quanto aos comentários que podem ser feitos por Pedro e Tiago, é correto afirmar que:
(01) a corrente elétrica que percorrerá o enrolamento primário do transformador será de maior módulo do que a corrente elétrica que percorrerá o enrolamento secundário.
(02) o hand spinner vai demorar mais do que 5 minutos para parar, pois o campo magnético induzido na bobina aplicará uma força magnética sobre ele por causa dos ímãs.
(04) se o LED acender, a corrente elétrica que o percorrerá será alternada.
(08) a corrente elétrica induzida na bobina irá produzir um fluxo magnético constante, fazendo com que os ímãs do hand spinner sejam atraídos ou repelidos.
(16) a transformação da energia cinética do hand spinner em energia elétrica na bobina é explicada pela Lei de Faraday.
(32) caso todos os ímãs sejam deslocados para pontos mais próximos do centro do hand spinner, a corrente elétrica induzida na bobina será mais intensa.
(64) o sistema de geração de energia elétrica acima utiliza o mesmo princípio de geração de energia da Gravity Light.
(Enunciado e figura: Vestibular UFSC 2018 — UFSC/COPERVE.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Comissão Permanente do Vestibular (COPERVE).
Resolução comentada
O que a questão pede: analisar um pequeno gerador: ímãs girando diante de uma bobina, um transformador elevador e um LED.
Como funciona: cada vez que um ímã passa diante da bobina, o fluxo magnético nela aumenta e depois diminui, e com polaridade que se repete a cada ímã. Pela lei de Faraday, (formulário da prova), surge uma tensão induzida que troca de sinal: uma corrente alternada. Pela lei de Lenz, a corrente induzida cria um campo que se opõe à variação do fluxo, e por isso freia os ímãs.
(01) Verdadeira. No transformador (ideal) a potência se conserva, . Se ele eleva a tensão (), a corrente no secundário é menor: .
(02) Falsa. A força magnética existe, mas é contrária ao giro (lei de Lenz): a energia elétrica gerada sai da energia cinética do brinquedo. Ele vai parar antes dos 5 minutos.
(04) Verdadeira. A tensão induzida inverte de sinal a cada aproximação e afastamento dos ímãs: o gerador produz corrente alternada, e só por isso o transformador funciona (com corrente contínua não haveria variação de fluxo no núcleo).
Atenção: rigorosamente, o LED é um diodo e só conduz num sentido: ele acende nos semiciclos em que fica polarizado diretamente, e a corrente nele é pulsante. A proposição trata o LED como uma carga comum ligada a uma fonte alternada, e nesse sentido a consideramos verdadeira.
(08) Falsa. A corrente induzida é variável, e o fluxo que ela produz também; e esse fluxo sempre se opõe à variação causada pelos ímãs (atrapalha a aproximação e o afastamento), em vez de ser constante.
(16) Verdadeira. É a indução eletromagnética: a variação do fluxo magnético na bobina gera força eletromotriz (lei de Faraday).
(32) Falsa. Mais perto do centro os ímãs passam com velocidade menor () e ficam mais longe da bobina: o fluxo nela é menor e varia mais devagar, então a corrente induzida fica menos intensa.
(64) Verdadeira. Na Gravity Light, o peso que desce faz girar um gerador elétrico, que também funciona por indução eletromagnética: movimento relativo entre ímãs e bobinas.
⚠️ A armadilha: a (02). Parece que o ímã “ganha um empurrão” da bobina, mas a força induzida sempre se opõe ao movimento que a criou; se ajudasse, teríamos energia saindo do nada.
A ideia em uma frase: ímã girando diante da bobina gera corrente alternada (Faraday), e essa corrente freia o ímã (Lenz): a energia elétrica sai da energia cinética.
Resposta: soma 85 (01 + 04 + 16 + 64).
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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