Questāo 07) Dos fornos utilizados em fundiçāu, chamados fornos de indução são amplamente utilizados. Assinale sobre seu funcionamento.
a) Uma corrente variável, que é gerada por uma bobina primária, gera um campo magnético variável, que, por sua vez, gera uma corrente induzida na bobina secundária, que neste caso é a carga a ser fundida. Essa corrente induzida aquece a carga por resistividade.
b) Uma corrente variável, que é gerada por uma bobina primária, gera um campo magnético variável, que, por sua vez, gera uma corrente induzida na bobina secundária, que neste caso é a carga a ser fundida. Esse campo magnético induzido aquece a carga por magnetismo.
c) Uma corrente direta, que é gerada por uma bobina primária, gera outra corrente alternada, que, por sua vez, gera um campo magnético induzido na bobina secundária, que neste caso é a carga a fundida. Essa corrente induzida aquece por diferença de potencial.
&) Uma corrente alternada, que é gerada por uma bobina secundária, gera um campo magnético variável, que, por sua vez, gera uma corrente induzida na bobina primária, que neste caso é a carga a ser fundida. Essa corrente alternada aquece a carga por resistividade.
e) Um campo magnético induzido por corrente variável gera uma tensão numa bobina primária, que, por sua vez, gera uma tensão induzida na bobina secundária, que neste caso é a carga a ser fundida. Essa tensão aquece a carga por diferença de tensão.
a) Uma corrente variável, que é gerada por uma bobina primária, gera um campo magnético variável, que, por sua vez, gera uma corrente induzida na bobina secundária, que neste caso é a carga a ser fundida. Essa corrente induzida aquece a carga por resistividade.
b) Uma corrente variável, que é gerada por uma bobina primária, gera um campo magnético variável, que, por sua vez, gera uma corrente induzida na bobina secundária, que neste caso é a carga a ser fundida. Esse campo magnético induzido aquece a carga por magnetismo.
c) Uma corrente direta, que é gerada por uma bobina primária, gera outra corrente alternada, que, por sua vez, gera um campo magnético induzido na bobina secundária, que neste caso é a carga a fundida. Essa corrente induzida aquece por diferença de potencial.
&) Uma corrente alternada, que é gerada por uma bobina secundária, gera um campo magnético variável, que, por sua vez, gera uma corrente induzida na bobina primária, que neste caso é a carga a ser fundida. Essa corrente alternada aquece a carga por resistividade.
e) Um campo magnético induzido por corrente variável gera uma tensão numa bobina primária, que, por sua vez, gera uma tensão induzida na bobina secundária, que neste caso é a carga a ser fundida. Essa tensão aquece a carga por diferença de tensão.
Passo 1
O enunciado pede que se escolha a alternativa que descreve corretamente o funcionamento de fornos de indução. As informações relevantes do enunciado são:
- As alternativas falam de bobina primária/ secundária, correntes (variável/contínua), campo magnético variável/induzido e o mecanismo de aquecimento (por resistividade/Joule, por “magnetismo”, por diferença de potencial/tensão).
- Pergunta implícita: qual descrição corresponde ao princípio físico real de aquecimento num forno de indução?
Passo 2
Conceito chave — Lei de Faraday (indução eletromagnética). A lei diz que uma variação do fluxo magnético gera uma fem (força eletromotriz) induzida numa espira ou em um condutor fechado. Em forma matemática:
onde
é a fem induzida e
é o fluxo magnético através da superfície limitada pelo condutor. Explicando as variáveis:
é a quantidade de linhas de campo magnético que atravessam uma área;
é a rapidez com que esse fluxo muda no tempo. Um fluxo que varia (por exemplo devido a uma corrente alternada na bobina primária) gera uma tensão induzida na peça metálica colocada no campo.
Passo 3
Como a fem induzida produz corrente? Quando há um caminho condutor fechado ou trajetórias para corrente dentro do material, a fem cria correntes locais chamadas correntes parasitas ou correntes de Foucault (eddy currents). Essas correntes possuem densidade de corrente
relacionada ao campo elétrico
por:
onde
é a condutividade elétrica do material (inverso da resistividade
). Essas correntes dissipam energia por efeito Joule: a potência dissipada por volume é
Em termos macroscópicos, a energia dissipada total por aquecimento é também expressa por
. Assim, o campo magnético variável induz correntes no metal, e essas correntes aquecem o metal por perdas resistivas (aquecimento Joule).
Passo 4
Ligando os passos: uma bobina primária alimentada por corrente alternada gera um campo magnético variável
. A equação de Maxwell-Faraday liga variação de
ao campo elétrico induzido:
Esse
induzido fecha circuitos dentro do metal e cria
(correntes de Foucault) que aquecem por Joule. Portanto o mecanismo fundamental do forno de indução é: corrente alternada na bobina → campo magnético variável → campo elétrico induzido → correntes no metal → aquecimento resistivo.
Passo 5
Efeito de superfície (skin effect) — por que o aquecimento costuma ocorrer mais na superfície? Em altas frequências, as correntes induzidas ficam concentradas perto da superfície do condutor. A profundidade de penetração (espessura de pele) é aproximadamente
onde
é a resistividade elétrica do material,
é a permeabilidade magnética e
é a frequência angular da corrente (
). Explicando as variáveis: resistividade
mede quão difícil é para a corrente fluir; permeabilidade
mede como o material responde ao campo magnético;
é a rapidez da variação do campo. Consequência prática: varia-se a frequência para controlar a penetração do aquecimento (freqüências mais altas aquecem superficialmente; mais baixas penetram mais).
Passo 6
Perdas por histerese em materiais ferromagnéticos — comentário importante. Em materiais ferromagnéticos sólidos, um campo alternado também causa perdas por histerese (movimento de domínios magnéticos) que geram calor. Porém:
- Essas perdas são relevantes enquanto o metal for ferromagnético (abaixo da temperatura de Curie).
- Quando o metal se aquece muito e passa pela temperatura de Curie, a histerese desaparece e o aquecimento passa a ser dominado pelas correntes de Foucault (Joule).
Logo, histerese é um efeito adicional em alguns casos, mas o mecanismo dominante de aquecimento numa fornalha de indução fundindo metais é o aquecimento resistivo devido a correntes induzidas.
Passo 7
Analisando as alternativas do enunciado à luz do que foi explicado:
- a) Diz que uma corrente variável na bobina primária gera campo magnético variável que induz corrente na “bobina secundária” que é a carga, e que essa corrente aquece por resistividade. Isso coincide exatamente com o mecanismo de correntes de Foucault e aquecimento Joule — está correto.
- b) Afirma que o campo magnético induzido aquece por “magnetismo”. Isso é vago; pode estar sugerindo histerese. Como visto, histerese pode contribuir, mas não é o mecanismo geral e principal para fornos de indução fundirem metais (é secundário e dependente do material e da temperatura). Assim a alternativa b está incorreta como descrição geral.
- c) Fala em corrente direta na primária gerando corrente alternada na secundária e aquecimento por diferença de potencial — isso é fisicamente incoerente: corrente contínua não cria fluxo magnético variável estável para induzir corrente contínua alternada.
- d) (a alternativa marcada com símbolo estranho) Troca primária/ secundária de forma errada e descreve aquecimento por resistividade da corrente alternada gerada na bobina primária — também está mal formulada e incorreta.
- e) Diz que uma tensão induzida aquece por diferença de tensão — aquecimento ocorre por corrente e resistência (Joule), não por “diferença de tensão” em si; expressão enganosa e imprecisa.
Passo 8
Conclusão clara: a descrição correta e completa do funcionamento de um forno de indução (no contexto de fusão de metais) é a alternativa que afirma que uma corrente variável na bobina primária gera um campo magnético variável, que induz correntes na peça (bobina secundária imaginária) e que essas correntes aquecem a carga por resistividade (aquecimento Joule). Portanto a alternativa correta é a (a). Força aí nos estudos — você já entendeu o princípio físico essencial!
Resposta
(a)