FSICA PROFESSOR JAIRO GOMES CAMPO MAGNTIO Em muitas

FÍSICA PROFESSOR JAIRO GOMES

CAMPO MAGNÉTIO

Em muitas escolas o acesso às suas instalações só é permitido se o aluno tiver em mãos o seu cartão eletrônico, que contém informações sobre ele. Em algumas escolas do ensino fundamental o aluno, muitas vezes, só consegue deixar as suas dependências em determinado horário estabelecido pelos pais, pois essa informação está registrada no cartão eletrônico.

Muitas empresas também controlam o acesso de seus funcionários a determinados departamentos por meio desse tipo de cartão, que registra toda ocorrência em uma central computadorizada.

Todos os aparelhos eletroeletrônicos dependem da energia elétrica que é produzida por meio de um dos efeitos do eletromagnetismo: campainha, caixa acústica, HD de computadores, aparelho de ressonância magnética, trens maglev etc.

IMÃ De uma forma simplificada, pode-se dizer que imãs são corpos que têm o poder de atrair o ferro ou algumas de suas ligas (mas não o aço inox) ou de interagir entre si. O fenômeno foi observado inicialmente (há mais de mil anos) em uma região da Ásia Menor denominada Magnésia (atual Turquia). Daí o nome magnetismo dado a esse fenômeno natural.

Hoje em dia, sabe-se que os pedaços de rochas que possuem essas propriedades são as magnetitas, que são compostas basicamente de óxido de ferro.

O minério de ferro é considerado um imã natural e quase todas as amostras de ferro e suas ligas (com exceção do aço inoxidável) apresentam traços de magnetismo. Por muito tempo os imãs naturais supriram as necessidades da humanidade, mas, com o progresso, foi preciso desenvolver métodos artificiais para a obtenção de imãs mais potentes e duradouros. O processo para se obterem imãs artificiais é denominado imantação.

Os imãs artificiais são construídos tradicionalmente em forma de barra ou ferradura.

Com o desenvolvimento industrial, no século passado, tornou-se necessário obter imãs mais potentes para diversos usos. O primeiro deles, criado na década de 1930, recebeu o nome alnico, que são as iniciais dos elementos acrescidos ao ferro: alumínio, níquel e cobalto. As principais características desse tipo de imã são sua funcionalidade a altas temperaturas (de 500 °C a 550 °C) e a grande resistência à corrosão.

No início dos anos 1950, foi criado o imã cerâmico (ferrite), que é resistente a corrosão, sais lubrificantes e gases. Sua temperatura de trabalho está em torno de 250 °C e é utilizado, por exemplo, em altofalantes.

Nos anos 1960, trabalhando com elementos das terrasraras, criou-se o imã samário-cobalto. Ele possui excelentes propriedades magnéticas, é funcional a temperaturas de até 250 °C, mas é oneroso e frágil. É utilizado, por exemplo, em micromotores.

Os imãs de neodímio-ferroboro foram criados na década de 1980, e são os mais modernos em uso, pois possuem as melhores qualidades magnéticas. Porém são suscetíveis à corrosão e sua temperatura funcional é, normalmente, abaixo de 2001. São utilizados em altofalantes, equipamentos elétricos e brindes.

PROPRIEDADES DO IMÃ Espalhando-se limalha de ferro sobre um imã em forma de barra, nota-se a formação de tufos de limalhas nas extremidades da barra. Podese concluir, então, que as atividades magnéticas são mais intensas nas regiões próximas às extremidades.

Qualquer imã possui dois pólos, denominados pólo norte (N) e pólo sul (S), que podem ser assim identificados: 1. Suspenda o imã em forma de barra, de modo que ele possa girar livremente; 2. Note que o imã posiciona-se aproximadamente na direção norte-sul geográficos; 3. O pólo que aponta para o norte geográfico é denominado pólo norte e o que aponta para o sul geográfico denomina-se pólo sul.

Pólos de um imã são regiões onde as ações magnéticas são mais intensas.

DECLINAÇÃO MAGNÉTICA A declinação magnética corresponde ao ângulo formado pelo meridiano magnético e o meridiano geográfico, em virtude do pólo magnético da Terra não coincidir exatamente com o pólo geográfico. Desta forma, corresponde ao desvio magnético de um bússola relativamente ao Norte geográfico, o qual pode variar de lugar para lugar e mesmo ao longo do tempo. A declinação magnética de um local é a medida do ângulo formado entre a direção do norte magnético, apontado pela agulha de uma bússola, com relação à direção do norte verdadeiro (geográfico).

DECLINAÇÃO MAGNÉTICA sul magnético norte geográfico

CAMPO MAGNÉTICO Colocando-se um imã na presença de outro, nota-se que há uma mútua atração ou repulsão. Ao se aproximarem dois pólos de mesmo nome (norte ou sul-sul), observa-se que os imãs se repelem e, aproximando-se dois pólos de nomes diferentes (nortesul), verifica-se que os imãs se atraem.

Colocando-se um imã na presença de outro, nota-se que há uma mútua atração ou repulsão. Ao se aproximarem dois pólos de mesmo nome (norte-norte ou sul-sul), observa-se que os imãs se repelem e, aproximando-se dois pólos de nomes diferentes (norte-sul), verifica-se que os imãs se atraem. S N N S Repulsão N S S N Repulsão N S N Atração S

INSEPARABILIDADE DOS PÓLOS DE UM IMÃ. Quando um imã é dividido em várias partes, cada uma delas comporta-se como um novo imã. Na região seccionada, aparecem pólos de nomes opostos às extremidades existentes, ou seja, novos imãs sempre terão dois pólos. S N S N N S

Em escala elementar, é possível obter imãs dos seguintes modos: 1. atritando-se um imã, sempre no mesmo sentido, sobre um corpo que passa a adquirir propriedades magnéticas; 2. colocando-se um imã em contato, por algum tempo, com outro corpo que pode adquirir propriedades magnéticas; esquentando-se ao rubro um material que 3. pode adquirir propriedades magnéticas e deixá-lo resfriando orientado na direção nortesul.

CAMPO MAGNÉTICO Imagine uma bússola que tenha em suas proximidades um imã em forma de barra. A agulha da bússola sofrerá a influência do imã e deixará de indicar o pólo norte geográfico da Terra. A deflexão da agulha da bússola indica que há uma força a distância sendo trocada entre ela e o imã. Em outras palavras, podemos dizer que no espaço que circunda o ímã se estabelece um campo magnético e que a agulha da bússola sofre uma interação decorrente da ação desse campo.

O campo magnético, assim como os campos gravitacional e elétrico, é caracterizado por um vetor, nesse caso denominado vetor indução magnética β cuja direção em cada ponto é a da reta tangente às linhas de força e cujo sentido é aquele que vai do polo sul para o polo norte da agulha, ou seja, o polo norte se orienta no sentido de β Em outras palavras, no exterior do imã o campo sai do polo norte e vai para o polo sul. No interior do imã, o campo sai do polo sul e vai para o polo norte.

No sistema internacional de unidades (SI), a unidade de medida da intensidade do vetor indução magnética é o tesla (T), nome dado em homenagem ao cientista iugoslavo Nikola Tesla (1856 -1943), que contribuiu de maneira relevante para o desenvolvimento do eletromagnetismo.

i i O movimento de portadores de carga através de um fio condutor na forma de corrente elétrica origina um campo magnético na região ao redor desse condutor.

O campo magnético depende da forma do condutor Experimentalmente é possível constatar que o módulo do campo magnético β gerado pela corrente elétrica é diretamente proporcional à intensidade i da corrente que percorre o condutor, ou seja: β=k • i A constante k depende de dois fatores: da configuração do condutor, ou seja, de um fator de natureza geométrica, e de uma constante denominada permeabilidade magnética do vácuo ou do ar, 0 que tem o seguinte valor no SI: 0 = 4 x 10 -7 T. m/A

Campo Magnético no interior de um solenoide. Denomina-se solenoide um fio condutor, longo, enrolado, que forma uma bobina em espiral.

CAMPO MAGNÉTICO DE UMA ESPIRA CIRCULAR Considere-se um fio condutor em forma circular (espira circular), de centro O e raio R, contido no plano a, percorrido por uma corrente i. β i. R a O i O vetor campo magnético β, no centro O, terá: 1. direção: perpendicular ao plano a; 2. sentido: dado pela regra da mão direita; 3. intensidade: calculada pela Lei de Biot-Savart.

LEI DE BIOT-SAVART β= . i 2 R Observação: a intensidade do vetor indução magnética de uma bobina chata (n espiras iguais justapostas) é dada por: β= n. . i 2 R

1. Uma espira circular, de raio 10 cm, é percorrida por uma corrente elétrica de intensidade i = 5 A. Qual a intensidade do vetor indução magnética no centro da espira? A espira encontra-se no vácuo. Dado: 0 = 4 x 10 -7 T. m/A. Solução: R = 10 cm R = 0, 1 m R = 1. 10 -1 β=? β= β= . i 2 R 4. . 10 -7. 5 2. 1. 10 -1 β = 10 . 10 -6 β = 10 -5 T

2. Duas espiras circulares, concêntricas e coplanares, de raios 4 m e 5 m, são percorridas por correntes de intensidades 2 A e 5 A, conforme a figura. Calcule a intensidade do vetor indução magnética no centro das espiras, sendo = 4 x 10 -7 T. m/A. Solução: i 2 = 5 A R 1 = 4 m i 1 = 2 A R 2 = 5 m i 2 = 5 A i 1 = 2 A R 2 R 1 β=? Continua

Solução: Aplicando-se a regra da mão direita, vê-se que a corrente i cria no centro das espiras um vetor indução magnética perpendicular ao plano da espira, com o sentido do plano para o observador, de intensidade: β=? R 1 = 4 m i 1 = 2 A R 2 = 5 m i 2 = 5 A β= β 1 i 1 = 2 A β 1 = . i 2 R 4. . 10 -7. 2 2. 4 β 1 = 1. 10 -7 T Continua

Solução: R 1 = 4 m i 1 = 2 A β=? R 2 = 5 m i 2 = 5 A A segunda espira cria, no centro das espiras, um vetor indução magnética perpendicular ao plano da espira com o sentido do observador para o plano, de intensidade: β= i 2 = 5 A β 2 . i 2 R 4. . 10 -7. 5 β 2 = 2. 10 -7 T Continua

Solução: O vetor indução magnética resultante, no centro, será perpendicular ao plano das espiras, "entrando" no plano (do observador para o plano), pois a intensidade de β 2 é maior que a de β 1. β=? β = β 1 + β 2 ou β = β 2 - β 1 β = 2. 10 -7 T - 1. 10 -7 T β = 1. 10 -7 T

3. Um campo magnético é gerado: a) por eletrização: o polo norte magnético é positivo e o polo sul magnético é negativo. b) por cargas elétricas em repouso. c) por cargas elétricas necessariamente em movimento circular. d) por cargas elétricas necessariamente em movimento retilíneo. e) por cargas elétricas em movimento, não importando o X formato da trajetória. • É importante alertar o estudante de que polos magnéticos nada têm que ver com regiões eletrizadas. • O campo magnético é gerado por correntes elétricas em movimento. Não importa o tipo desse movimento.

4. Um fio retilíneo muito longo, situado num meio de permeabilidade absoluta 0 = 4 x 10 -7 T. m/A, é percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i = 5, 0 A. Considerando o fio no plano do papel, caracterize o vetor indução magnética no ponto P, situado nesse plano. Solução: i=5 A R = r = 0, 2 m A direção do vetor indução magnética no ponto P é perpendicular ao plano definido pelo ponto e pelo condutor, ou seja, é perpendicular ao plano do papel. O sentido desse vetor, dado pela regra da mão direita envolvente, é entrando no plano do papel e seu módulo é dado por: . i β= 2 R Continua

Solução: i=5 A R = r = 0, 2 m β= . i 2 R 4. . 10 -7. 5 β 2 = 2. 0, 2 β 2 = 5. 10 -6 T

5. Uma bobina chata, constituída de 100 espiras circulares de raio 2 cm, é percorrida por uma corrente de 20 A de intensidade. Calcule a intensidade do campo magnético no centro da bobina, devido a essa corrente. Dado: 0 = 4 x 10 -7 T. m/A. Solução: β=? 100. 4 . 10 -7. 20 β= 2. 0, 02 8. 103. . 10 -7 β= 0, 04 8. 10 -4. β= 4. 10 -2 β = 2. 10 -2 T

6. Um fio conduzindo corrente contínua acha-se sob o piso de uma residência, ligeiramenterrado. Indique a alternativa em que aparece um aparelho capaz de detectar sua posição. a) alto-falante; b) transformador; c) bússola; X d) galvanômetro; e) eletroímã

7. Corrente elétrica é fonte de campo magnético. Esse fato tem aplicação a) nos capacitores. b) nos reostatos. c) nas campainhas elétricas. X d) nos ferros elétricos de engomar. e) nos pêndulos elétricos.

8. O prego de ferro AB, inicialmente não-imantado, é aproximado do polo norte N de um ímã, como mostra a figura ao lado A respeito dessa situação, são feitas três afirmações: I. O campo magnético do ímã magnetiza o prego. II. Em A forma-se um polo norte e em B, um polo sul. III. O ímã atrai o prego. Quais são as afirmações corretas? a) Somente a afirmativa I. b) Somente a afirmativa II. c) Somente a afirmativa III. d) Todas as afirmativas estão corretas. X e) Nenhuma afirmativa está correta.