(UEG) Trens MagLev utilizam a levitação magnética para flutuar sobre a via e eliminar o atrito. O trem possui magnetos na parte inferior e a via contém bobinas fixas. Conforme o trem se desloca, o fluxo do campo de seus magnetos através de cada bobina varia, gerando nas bobinas uma corrente elétrica, que gera seu próprio campo magnético. A disposição apropriada desses componentes faz com que os campos sejam opostos, gerando repulsão vertical. Essa combinação de efeitos é explicada pela
A.Lei de Faraday.
B.Lei de Ampère.
C. 2{ }^{\mathrm{a}} Lei de Newton.
D. Lei de Biot-Savart.
E.Lei da ação e reação.

Passo 1

O enunciado descreve um trem MagLev com ímãs na parte inferior e bobinas fixas na via. À medida que o trem se desloca, o fluxo do campo magnético desses ímãs através de cada bobina varia, o que gera nas bobinas uma corrente elétrica. Essa corrente cria, por sua vez, um campo magnético que é disposto de forma a ser oposto ao campo dos ímãs, produzindo repulsão vertical (levitação). A pergunta do enunciado é: qual lei física explica esse conjunto de efeitos?
Informações relevantes fornecidas pelo enunciado:
  • Há uma variação do fluxo magnético através de bobinas devido ao movimento relativo entre ímãs e bobinas.
  • Essa variação de fluxo gera uma corrente elétrica nas bobinas.
  • A corrente induzida cria um campo magnético cujo efeito é oposto ao campo que causou a variação, resultando em repulsão vertical.

Passo 2

Apresentando a lei que descreve a geração de tensão (fem) por variação de fluxo magnético: a Lei de Faraday da indução eletromagnética. A forma matemática é
\mathcal{E} = -\dfrac{d\Phi_B}{dt},
onde:
  • \mathcal{E} é a fem (força eletromotriz) induzida na bobina, medida em volts;
  • \Phi_B é o fluxo magnético que atravessa a superfície da bobina, medido em webers, e definido por \Phi_B=\displaystyle\int \mathbf{B}\cdot d\mathbf{A}, onde \mathbf{B} é o campo magnético e d\mathbf{A} é um elemento de área da superfície da bobina.
    Explicação do que a fórmula diz, com calma: se o fluxo magnético \Phi_B que atravessa uma bobina muda no tempo (ou seja, \dfrac{d\Phi_B}{dt}\neq 0), aparece uma fem induzida \mathcal{E} nessa bobina. Essa fem faz circular uma corrente se o circuito estiver fechado.

Passo 3

Significado do sinal negativo (Lei de Lenz) — este é o complemento físico que determina a direção da corrente induzida. O sinal “-” na equação diz, em palavras simples: a corrente induzida cria um campo magnético que se opõe à mudança do fluxo que a gerou. Ou seja, se o fluxo que atravessa a bobina está aumentando no sentido positivo, o campo produzido pela corrente induzida tenta diminuí-lo; se o fluxo está diminuindo, o campo induzido tenta aumentá-lo. Isso é um princípio de conservação energético/causalidade que evita efeitos “autoalimentados”.

Passo 4

Aplicando isso ao caso do MagLev, passo a passo e intuitivamente:
  • Quando o trem se aproxima de uma bobina, o fluxo magnético devido aos ímãs do trem através daquela bobina muda rapidamente (aumenta ou diminui dependendo da posição). Essa variação de fluxo significa \dfrac{d\Phi_B}{dt}\neq 0.
  • Pela Lei de Faraday, aparece uma fem \mathcal{E} na bobina; se o circuito da bobina permite corrente, essa fem produz uma corrente induzida.
  • Pela Lei de Lenz (o “-”), o campo magnético gerado por essa corrente terá orientação tal que se opõe à mudança do fluxo original. No arranjo adequado de ímãs e bobinas essa oposição se manifesta como um campo que repele o ímã do trem (força vertical), gerando levitação.
    Portanto, a sequência física é: variação de fluxo → fem induzida ( \mathcal{E} = -d\Phi_B/dt) → corrente induzida → campo magnético induzido que se opõe à mudança → força de repulsão vertical.

Passo 5

Por que as outras leis listadas não são a explicação completa aqui (resumo rápido e amigável):
  • A Lei de Ampère e a Lei de Biot–Savart descrevem como correntes elétricas produzem campos magnéticos, ou como calcular o campo a partir de correntes, mas não explicam por que surge a corrente quando o fluxo magnético varia. Elas são úteis para calcular campos criados por correntes, não para explicar a indução.
  • A Segunda Lei de Newton ( 2ª Lei de Newton ) e a Lei da ação e reação tratam de forças e movimento macroscópicos; a levitação é uma consequência de forças, mas a origem da corrente induzida e do campo que gera a força é fenômeno eletromagnético descrito por Faraday (com Lenz).
    Ou seja, o gerador da corrente por variação de fluxo é a Lei de Faraday (com a direção dada por Lenz); as outras leis ajudam em outros aspectos, mas não são a explicação primordial do fenômeno de indução que permite a levitação.

Resposta

A

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