Campo magnético

CAMPO MAGNÉTICO

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O termo magnetismo resultou do nome Magnésia, região da Ásia Menor (Turquia), devido a um minério chamado magnetita (ímã natural) com a propriedade de atrair objetos ferrosos à distância (sem contato físico).

O mineral apresenta forma cristalina isométrica, geralmente na forma octaédrica. É um material quebradiço, fortemente magnético, de cor preta, de brilho metálico, com densidade de 5,18 g/cm3. A magnetita é a pedra-ímã mais magnética de todos os minerais da Terra, e a existência desta propriedade foi utilizada para a fabricação de bússolas.

A Magnetita é um mineral magnético formado pelos óxidos de ferro II e III cuja fórmula química é Fe3O4. A magnetita apresenta na sua composição, aproximadamente, 69% de FeO e 31% de Fe2O3 ou 26,7% de ferro e 72,4% de oxigênio.


Os gregos perceberam que outros pedaços de ferro, em contato com a magnetita, podiam também se transformar em ímãs. Esses pedaços de ferro são os ímãs artificiais. Chamamos imantação ao processo pelo qual um corpo neutro se torna imantado. Teoricamente, qualquer corpo pode se tornar um ímã. Mas a maioria dos corpos oferece uma resistência muito grande à imantação. Os corpos que se imantam com grande facilidade são o ferro e certas ligas de ferro. Uma dessa ligas é o ALNICO, composta de ferro, alumínio, níquel, cobre e cobalto. O ferro puro mantém sua magnetização por pouco tempo: é um ímã temporário. As ligas de ferro mantém a magnetização por muito tempo: são os ímãs permanentes.

PROCESSOS DE IMANTAÇÃO

a) indução: é o fenômeno pelo qual uma substância se imanta quando fica próxima de um ímã.

b) atrito: quando uma substância neutra é atritada por um ímã, ela se imanta. É necessário que o atrito seja feito num único sentido.


POLOS

Um ímã não apresenta propriedades magnéticas em toda a sua extensão, mas só em certas regiões, chamadas regiões polares. Quando o ímã tem forma de barra as regiões polares são as extremidades da barra. Entre as regiões polares há uma região que não possui propriedades magnéticas: é chamada região neutra. Um ímã sempre possui dois pólos com comportamentos opostos: o polo norte e o polo sul magnéticos.


Limalha de ferro

Pólo Pólo Polo PoloPolo

Polo

Fenômenos Magnéticos

PRINCÍPIO DA ATRAÇÃO-REPULSÃO: Polos de mesmo nome se repelem e de nomes diferentes se atraem.

S NS N

Repulsão Atração

N S S N

Verifica-se que dois ímãs em forma de barra, quando aproximados um do outro apresentam uma força de interação entre eles.


Cortemos um ímã em duas partes iguais, que por sua vez podem ser redivididas em outras tantas. Cada uma dessas partes constitui um novo ímã que, embora menor, tem sempre dois polos. Esse processo de divisão pode continuar até que se obtenham átomos, que tem a propriedade de um ímã.

PRINCÍPIO DA INSEPARABILIDADE DOS POLOS: É impossível a ocorrência de um polo isolado. A menor porção de um material magnético apresenta dois polos.


Em 1820, Hans Christian Oersted fez uma descoberta. Ao montar um circuito elétrico, tendo nas proximidades uma bússola, percebeu que ao fechar o circuito ocorria uma deflexão na agulha. Então, Oersted fez a seguinte montagem: associou ao circuito um fio metálico, com sua direção paralela à orientação norte-sul da bússola, colocando-a abaixo. Ao permitir a passagem de corrente elétrica no fio, verificou que a agulha da bússola tendia a se orientar perpendicularmente a sua posição original; ao desligar o circuito, a agulha da bússola voltava à posição original.

EXPERIÊNCIA DE OERSTED

Cargas elétrica em movimento criam um campo magnético na região do espaço que as circunda.


Os elétrons de um átomo estão em movimento. Eles produzem campo magnético. Dois tipos de movimento dos elétrons contribuem para o magnetismo: a rotação (spin) do elétron em torno de si mesmo e sua rotação em torno do núcleo.

Cada elétron comporta-se como um pequeno ímãs. Um par de elétrons que giram em torno de si mesmos no mesmo sentido geram um campo mais intenso. Já um par onde os elétrons giram em sentidos opostos, apresentam campos magnéticos que se anulam. É por isso que a maioria das substâncias não são irmãs. Para a maioria dos átomos os diversos campos se anulam porque os giros dos elétrons em torno de si mesmos são em sentidos opostos.


Campo magnético

Em materiais como o ferro, o níquel e o cobalto esses campos não se anulam inteiramente. Cada átomo de ferro possui 4 elétrons cujo magnetismo gerado por seus spins não anulam, Cada átomo de ferro é um pequeno ímã. O mesmo é verdadeiro, em menor intensidade, para os átomos de níquel e cobalto. A maior parte dos ímãs comuns são feitos de ligas que contém ferro, níquel e cobalto em diversas proporções.


O campo magnético gerado por um átomo individual de ferro é tão forte que as interações entre átomos vizinhos podem dar origem a grandes aglomerados de átomos alinhados um com os outros. Esse aglomerados são chamados de domínios magnéticos. Cada domínio é formado por bilhões de átomos individuais e são microscópios;

domínio magnético

Nem todo pedaço de ferro é um ímã porque, normalmente, os domínios não estão alinhados entre si:

átomo individual

N

S


Os domínios podem ser induzidos ao alinhamento quando um ímã é colocado próximo:

Se o polo norte do ímã se aproxima, o domínio tem um polo sul voltado para o ímã

Se o polo sul do ímã se aproxima, o domínio tem um polo norte voltado para o ímã


Um imã permanente é feito de material capaz de manter as propriedades magnéticas mesmo após cessar o processo de imantação, estes materiais são chamados ferromagnéticos (ferro, níquel, cobalto e suas ligas.

ausência de campo magnéticowww.fisicaatual.com.br

Num pedaço de magnetita, os domínios magnéticos estão naturalmente orientados:

Por isso, a magnetita é um ímã natural.

Os domínios magnéticos do ferro não são naturalmente orientados, mas quando são colocados próximo de um ímã, se orientam e o ferro se imanta. Se o ferro é afastado do ímã, a agitação térmica faz com que cada vez mais domínios retornem ao arranjo desalinhado original. O ferro é um ímã temporário:

ELETROÍMÃ

Quando uma corrente elétrica atravessa um fio condutor, cria em torno dele um campo magnético. Um solenóide constitui-se de um fio condutor enrolado de tal modo que forme uma seqüência de espiras em forma de tubo. Se por ele passar uma corrente elétrica, gera-se um campo magnético no sentido perpendicular à uma seção reta do solenóide. Este arranjo em forma de tubo faz com que apareçam no solenóide polaridades norte e sul definidas. O resultado final é que o solenóide possui polos norte e sul, tal como um ímã natural.


Os materiais ferromagnéticos são constituídos de um número muito grande de pequenos ímãs naturais, conhecidos como dipolos magnéticos elementares. Este número é da mesma ordem do número de moléculas ou átomos que constituem o material. Sem a influência de um campo magnético externo, estes dipolos estão todos desalinhados, de forma que a soma total de seus campos magnéticos é nula, como mostra a Figura A. Se inserirmos uma , que barra de ferro, que é feita de um material ferromagnético, dentro de um solenóide, o campo magnético deste irá alinhar os dipolos do ferro, como mostra a Figura B.

Os campos magnéticos dos dipolos se somam e temos então um novo campo magnético devido ao ferro. No total , teremos a soma dos campos do solenóide mais o do ferro. O conjunto de um solenóide com um núcleo de material ferromagnético é chamado de eletroímã.


A primeira idéia de campo, em Física, sempre se refere a uma região do espaço que tem uma certa propriedade. Um campo gravitacional é uma região do espaço que atua sobre a massa dos corpos; um campo elétrico atua sobre cargas elétricas. Da mesma forma, um campo magnético é uma região do espaço que atua sobre ímãs. Embora seja uma idéia abstrata, ela pode ser visualizada com o auxílio de linhas que, no caso do campo magnético, chamam-se linhas de indução magnética.

LINHAS DE INDUÇÃO MAGNÉTICA


Vamos colocar uma bússola em vários pontos diferentes em torno de um ímã em forma de barra:

A bússola irá se orientar de acordo com o campo magnético criado pelo ímã:

Linhas de indução magnéticas


Também podemos visualizar as linhas de indução magnéticas criadas por um ímã em forma de barra, colocando limalha de ferro sobre uma folha de papel colocada por cima do ímã. Veremos que a limalha se ordena, desenhando o campo magnético ao redor do ímã:

As linhas de indução magnéticas de um ímã em forma de barra são linhas que sempre saem do polo norte e chegam no polo sul:

N S


As linhas de indução magnéticas:

• são a representação geométrica do campo magnético;

• nascem no polo norte do imã e morrem em seu polo sul;

• onde estão mais próximas o campo magnético é mais intenso; mais afastadas, o campo magnético é mais fraco.


Quando as linhas de indução magnéticas forem retas paralelas igualmente espaçadas, teremos um campo magnético uniforme. O campo magnético é aproximadamente uniforme:a) no interior de um solenóide;b) No entreferro de um ímã em forma de ferradura;c) entre polos opostos de dois ímãs, colocados frente a frente.

N S

V

ch

I

NS NS

(a) (b) (c)

N S


“A cada ponto de um campo magnético é associado um vetor denominado vetor indução magnética. Esse vetor representa a direção e sentido do campo magnético:

O vetor indução magnética apresenta as seguintes propriedades:

• Tem a direção da tangente à linha de indução que passa pelo ponto em questão.

• Tem o sentido da referida linha de indução.

• Tem intensidade dependente da posição do ponto.

VETOR INDUÇÃO MAGNÉTICA - B


A unidade de intensidade do vetor indução magnética é denominada tesla (símbolo T).

DESCRIÇÃO B(T)

SUPERFÍCIE DO NÚCLEO ATÔMICO 1012

SUPERFÍCIE DE UMA ESTRELA DE NEUTRONS 108

ELETROÍMÃ DE PESQUISA 2 a 4

ÍMÃ DIDÁTICO EM BARRA 10-1 a 10-2

ÍMÃ DE GELADEIRA 10-2

SUPERFÍCIE DO SOL 10-2

SUPERFÍCIE DA TERRA 10-4

ESPAÇO INTERESTELAR 10-10

DENTRO DE UM COMPARTIMENTO BLINDADO 10-14

Existe uma unidade técnica que é o Gauss (G): 1 T = 10 4 G


Representação gráfica de um Campo Magnético Uniforme (CMU):

B B

Bx xx x x

x x x x x

x x x x x

x x x x x

B

Vista lateral

Entrando na folha Saindo da folha


MAGNETISMO TERRESTRE

Chama-se campo magnético terrestre ao campo magnético que existe ao redor da Terra. A existência desse campo se manifesta pela orientação da agulha magnética (bússola). O campo magnético terrestre pode ser considerado uniforme em uma extensão bastante grande como, por exemplo, na região ocupada por uma cidade. Se suspendermos uma agulha magnética de maneira que ela possa girar livremente, ela irá se orientar de maneira que seu eixo fique na linha do campo magnético local. Essa linha é próxima da linha norte-sul geográfica (meridiano geográfico).


Chama-se declinação magnética do lugar ao ângulo θ formado pelo meridiano magnético com o meridiano geográfico . A declinação é chamada oriental quando o polo norte da agulha se acha no oriente do meridiano geográfico. É ocidental no caso contrário. Como o campo magnético da Terra não é constante, a declinação magnética muda lentamente.

CAPITAIS LATITUDE LONGITUDE DECLINAÇÃO

Belo Horizonte 20°00'S 44°00'O 21°O

Brasília-DF 16°00'S 48°00'O 19°O

Curitiba-PR 25°30'S 49°00'O 17°O

Fortaleza-CE 03°30'S 38°30'O 21°O

Manaus-AM 03°00'S 60°00'O 14°O

Recife-PE 08°00'S 35°00'O 23°O

Rio de Janeiro 23°00'S 43°00'O 22°O

Salvador-BA 13°00'S 38°30'O 23°O

São Paulo-SP 23°30'S 46°30'O 19°O

Vitória-ES 20°30'S 40°00'O 23°O


O campo magnético terrestre pode ser devido ao núcleo de ferro da Terra. A configuração do campo magnético da Terra é parecida com a de um gigantesco ímã em forma de barra localizado próximo ao centro da Terra.


Os polos magnéticos da Terra não coincidem com os polos geográficos. O polo magnético no hemisfério norte está atualmente localizado a cerca de 1800 km do polo geográfico correspondente, em algum ponto da baía de Hudson, no norte do Canadá. A figura mostra a alteração do polo norte magnético terrestre entre 1600 e 2000.

PN geográfico

Tem havido períodos em que o campo magnético da Terra diminui até se anular, invertendo depois seu sentido e fazendo com que os polos magnéticos trocassem de posição. Houve mais de 20 dessas inversões ao longo dos últimos 5 milhões de anos. A mais recente aconteceu a 700 000 anos atrás. Medições recentes indicam que houve uma diminuição de 5 por cento na intensidade do campo magnético nos últimos 100 anos. Se essa variação se mantiver, poderemos ter outra inversão nos próximos 2 000 anos.


O Sol emite uma grande quantidade de partículas eletricamente carregadas, prótons e elétrons, que caminham em todas as direções. Esse fluxo de partículas recebe o nome de vento solar. Ao atingir as altas camadas da atmosfera da Terra, essas partículas eletrizadas são capturadas e aceleradas pelo magnetismo terrestre, que é mais intenso nas regiões polares. Essa corrente elétrica colide com átomos de oxigênio e nitrogênio - num processo semelhante à ionização (eletrificação) de gases que faz acender o tubo de uma lâmpada fluorescente. Esses choques produzem radiação em diversos comprimentos de onda, gerando assim as cores características da aurora, em tonalidades fortes e cintilantes que se estendem por até 2 000 quilômetros. As auroras podem ser observadas nas camadas mais elevadas da atmosfera, nas proximidades dos pólos norte e sul da Terra. A que ocorre no pólo norte recebe o nome de aurora boreal, a do pólo sul é conhecida como aurora austral.


AÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO SOBRE CARGAS ELÉTRICAS

O campo magnético exerce força sobre cargas elétricas em movimento.

A força magnética é perpendicular aos vetores indução magnética e velocidade.


B.q.V.sen Fmagnética


NewtonCoulomb (C)

m/sTesla (T)

• Muitas vezes, usas-se o Gauss (G) como unidade:

• imãs de laboratório ~ 2,5 T ou 25 000 G

• imãs supercondutores ~25 T ou 250 000 G

• na superfície da Terra ~ 0,5 x 10-4 T ou 0,5 G

1 T = 104 G



Direção da força magnética: Regra da mão direita

O polegar indica o sentido da velocidade, os quatro dedos juntos e estáticos indicam o sentido do campo magnético e quando a carga for positiva a palma da mão indica o sentido da força e se for negativa, o sentido da força magnética é determinado pelas costas das mãos.

+-


N SN N SN

B

v

FRegra da mão direita para carga positiva.

Regra da mão direita para carga negativa

Bv

F

Força no sentido da palma da mão

Força no sentido das costas da mão


Quando uma carga é lançada na direção do campo magnético, ela não sofre ação de força magnética. A carga executa um movimento retilíneo uniforme

sen 1800 = 0sen 00 = 0

CARGA MÓVEL EM UM CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME

Primeira situação: carga lançada na direção das linhas de indução.



Segunda situação: Carga lançada perpendicularmente às linhas de indução

Nesse caso, o ângulo é θ = 90°. Portanto, sem θ = 1. A intensidade da força magnética é, então, dada por:

.Fm = B.q.V

Portanto, a partícula lançada fica sujeita a uma força de intensidade constante cuja direção é sempre normal ao vetor velocidade V.


A força e a velocidade, de direções perpendiculares, definem um plano perpendicular ao vetor indução magnética. Conseqüentemente, podemos concluir que a partícula executa nesse plano um movimento circular uniforme (MCU)

X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X

Representa um campo magnético penetrando no plano.

R

VmFm

2

.

R

VmVqB

2

...

Cm FF

Logo: qB

VmR

.

.


F

· · · · · · · · · · · · · · · ·

Representa um campo magnético saindo do plano.


<

<<

qB

VmR

.

.

Terceira situação: carga lançada obliquamente em relação às linhas de indução

Nesse caso, devemos decompor a velocidade V numa componente Vy na direção de B e numa componente Vx numa direção perpendicular a B, de modo que V = VX + VY. A componente VY determina um movimento retilíneo uniforme (MRU) e a componente VX um movimento circular uniforme (MCU). A realização desses dois movimentos resulta num movimento resultante helicoidal uniforme. A trajetória descrita, conforme mostra a figura , é uma hélice cilíndrica.


FORÇA SOBRE CONDUTORES PERCORRIDOS POR CORRENTE

Da mesma forma que um fio percorrido por corrente desvia uma bússola, um ímã irá desviar um fio percorrido por corrente.


A corrente convencional é suposta ser constituída de cargas positivas. Um campo que penetra no plano, irá exercer em cargas positivas se movimentando para cima (sentido da corrente) uma força magnética para a esquerda:

sen LiBFm


α

Um ímã permanente gera um campo magnético numa região, onde uma espira de fio de forma retangular é montada de maneira a poder girar em torno de um eixo. Qualquer corrente que esteja circulando na espira tem um determinado sentido em seu lado superior e um sentido oposto no lado inferior. Se o lado superior for forçado a se movimentar para a direita, então o lado inferior é forçado a se movimentar para esquerda. Quando a espira completa a sua primeira meiavolta, as placas do comutador trocam seus contatos com a escova e a corrente inverte seu sentido. Dessa maneira, a corrente na espira se alterna de maneira que as forças que agem nos lados superior e inferior não mudam de sentido enquanto ela gira.

O MOTOR ELÉTRICO www.fisicaatual.com.br

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