MAGNETISMO Magnetismo é a parte da física que estuda os ímãs

COLÉGIO TÉCNICO INDUSTRIAL Prof. MÁRIO ALQUATI
FÍSICA III - MAGNETISMO
Magnetismo é a parte da física que estuda os ímãs e os fenômenos produzidos pelos mesmos.
Denomina-se ímã ou magneto a qualquer corpo capaz de atrair FERRO, COBALTO, CERTAS LIGAS
METÁLICAS E ÓXIDO SALINO DE FERRO ( Fe3 O4 ) . O óxido salino de ferro é denominado MAGNETITA e é um
ímã natural. Os ímãs utilizados no dia a dia são obtidos artificialmente.
PÓLOS DE UM ÍMÃ
Linha Neutra
São as regiões onde as propriedades magnéticas têm o máximo de Pólo
intensidade. Um ímã tem, pelo menos, dois pólos, eventualmente pode ter
mais. Cada pólo corresponde a 1/12 do comprimento do ímã.
Pólo
L/12
LINHA NEUTRA
L/12
L
É a região entre os pólos onde não há propriedades magnéticas.
LEI QUALITATIVA QUE REGE A AÇÃO ENTRE OS PÓLOS MAGNÉTICOS
Da prática, observou-se que os pólos de um ímã são de dois tipos e que os mesmos seguem a seguinte lei
Sul
: “Pólos de mesma espécie se repelem e de espécies diferentes se atraem “.
Norte
Magnético
Geográfico
PÓLO NORTE E PÓLO SUL - O ÍMÃ TERRA
(Nordeste do Canadá)
A partir da atração ou repulsão de um ímã por outro,
S
pode--se entender por que as extremidades de uma agulha Equador Geográfico
imantada (bússola) apontam para as proximidades dos pólos
geográficos da Terra :
N
1) A Terra se comporta como um grande ímã.
Equador Magnético
2) O ponto da Terra que atrai o pólo norte da agulha
imantada é um pólo sul magnético e está situado próximo ao
Norte
Sul
norte geográfico ; consequentemente, o ponto da Terra que
Magnético
Geográfico (Costa da
atrai o pólo sul da agulha é um pólo norte magnético,
situado próximo ao sul geográfico.
Antártica)
TEORIA DOS ÍMÃS ELEMENTARES ( DE WEBER )
De acordo com esta teoria, as substâncias magnetizáveis seriam constituídas por um conjunto de ímãs
elementares. Normalmente, estes ímãs se encontrariam arrumados ao acaso, de modo que as ações mútuas
entre os pólos impediriam qualquer manifestação magnética externa. Imantar o corpo nada mais seria que
ordenar os seus ímãs elementares num mesmo sentido.
Fatos experimentais a favor desta teoria :
1) Não podemos separar os pólos de um
ímã ; se dividirmos um ímã ao meio, cada
parte se comporta como um novo ímã.
N
N S N S N S N S
N S N S N S N S
S
=
N
N S N S
N S N S
S
+
N
N S N S
N S N S
S
2) Não se consegue aumentar a imantação de um corpo além de um certo limite ( o máximo ocorre quando
todos os ímãs elementares estão alinhados ). Quando isto acontece dizemos que o ímã atingiu o PONTO DE
SATURAÇÃO.
3) Um ímã perde suas propriedades magnéticas quando submetido a ações capazes de provocar uma
desarrumação nos ímãs elementares, tais como vibrações e aquecimentos.
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NA MAGNETIZAÇÃO
Ao aquecermos um ímã, seus ímãs elementares, devido ao aumento da agitação molecular, começam a
sofrerem uma desordem perdendo completamente a magnetização ao atingirem uma temperatura que é
específica para cada substância, denominada PONTO CURIE. ( Ferro = 770 0C ; Níquel = 350 0C ;
Magnetita = 585 0C ; Cobalto = 1.140 0C )
PROCESSOS DE IMANTAÇÃO
Para imantar uma substância magnetizável, devemos ordenar os seus ímãs elementares, o que pode ser obtido
de três maneiras :
1) ATRITO - friccionando um pedaço de metal magnetizável com um ímã que é deslocado num único sentido,
consegue-se ordenar os ímãs elementares, criando um novo ímã. Pode-se utilizar os dois pólos,
atritando um deles num sentido e o outro em sentido contrário.
2) INDUÇÃO - a simples presença de um ímã pode magnetizar, por influência, um corpo situado nas
proximidades.
3) ATRAVÉS DE UMA C.C. - enrola-se em torno do corpo um fio condutor isolado e faz-se passar pelo fio uma
corrente contínua. A imantação adquirida depende da natureza do corpo, da
intensidade da corrente elétrica, do número de espiras do solenóide e do
comprimento do solenóide.
Obs. - Dá-se o nome de SOLENÓIDE a qualquer fio condutor isolado, enrolado em
i
i
forma de uma hélice cilíndrica. Quando a solenóide possui diversas camadas
superpostas, como se fosse um carretel, ela é chamada de BOBINA.
ÍMÃS PERMANENTES E TEMPORÁRIOS
Dependendo da constituição um corpo pode manter por mais menos tempo a imantação adquirida. Assim,
podemos ter:
1) ÍMÃS PERMANENTES - são aqueles que, depois de imantados, continuam com os ímãs elementares
orientados, mesmo que não estejam mais sujeitos a ação do campo magnético. Ex.:
objetos de AÇO ( liga de ferro com 0,5 a 2% de carbono).
2) ÍMÃS TEMPORÁRIOS - são aqueles que deixam de funcionar como ímãs quando não estão sob a ação de
um campo magnético, isto é, distantes de um ímã, eles perdem a orientação de
seus ímãs elementares. Ex. : objetos de ferro (ferro doce com 0 a 0,5% de
carbono).
ELETROÍMÃ
É o sistema constituído por um solenóide (ou bobina) com núcleo de ferro doce. Um eletroímã apresenta as
seguintes vantagens sobre os ímãs permanentes:
1) Só exerce ação magnética enquanto circula corrente elétrica.
2) Sua imantação pode ser aumentada ou diminuída facilmente; basta aumentar ou diminuir a intensidade da
corrente elétrica.
3) A sua polaridade pode ser invertida; basta inverter o sentido da corrente.
Aplicações: motores, geradores, telefones, campainhas, guindastes, trens que andam sobre colchão de ar, ..
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS QUANTO AS PROPRIEDADES MAGNÉTICAS
1) FERROMAGNÉTICAS - são substâncias que se imantam no mesmo sentido de um campo magnético, de
forma bastante intensa, portanto são fortemente atraídas pelos ímãs. Ex.: ferro, níquel, cobalto e certas ligas
como o aço.
2) PARAMAGNÉTICAS - são substâncias que se imantam de forma pouco intensa sob a ação de um campo
magnético, portanto sofrem uma fraca atração pelo ímãs. Ex.: alumínio, cromo, estanho, manganês, platina,
ar, oxigênio líquido.
3) DIAMAGNÉTICAS - são substâncias que enfraquecem um campo magnético no qual são colocadas, isto é,
que se imantam em sentido contrário ao campo magnético, portanto sofrem uma fraca repulsão pelo ímãs.
Ex.: bismuto, cobre, chumbo, ouro, prata, zinco, mercúrio e água.
CAMPO MAGNÉTICO
Da mesma forma que para as cargas elétricas, prefere-se considerar que a força exercida por um pólo
magnético sobre o outro é exercida, não pelo pólo em si, mas pelo campo magnético que ele cria. Podemos
dizer que existe um campo magnético em um ponto do espaço sempre que uma agulha imantada colocada
neste ponto fique solicitada por uma força de origem magnética. O campo magnético é uma grandeza
vetorial com as seguintes características :
1) MÓDULO - é a razão entre a força de origem magnética que age sobre uma massa
magnética isolada norte (por convenção) e a massa magnética.
H= F
m
2) DIREÇÃO E SENTIDO - serão os mesmos da força de origem magnética que atua sobre o pólo de prova
isolado.
H
H
S
N
H
Obs. - por convenção o
pólo de prova é
NORTE.
H
3) UNIDADE
u ( H )S.I. = A.e / m (Ampère espira por metro) ou simplesmente, A/m (Ampère por metro).
LINHA DE FORÇA DO CAMPO MAGNÉTICO
É a linha traçada de modo que em qualquer um de seus pontos seja tangente ao vetor intensidade de
campo magnético no ponto considerado. Também podemos considerar a linha de força do campo magnético
como sendo a trajetória que seguiria um pólo magnético NORTE, abandonado a ação do campo. Fazendo esta
consideração estamos atribuindo um sentido às linhas de força :
EXTERNAMENTE : sentido que vai do pólo norte para o sul.
INTERNAMENTE : sentido que vai do pólo sul para o norte.
Obs. - As linhas de campo magnético são linhas fechadas que externamente vão do pólo norte para o sul e
internamente do sul para o norte enquanto as linhas de força do campo elétrico são linhas abertas que
vão da carga positiva para a negativa.
CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME
Um campo elétrico é uniforme se as suas linhas de força são paralelas e igualmente espaçadas, isto é,
se tem o mesmo valor em todos os pontos. Um campo magnético é aproximadamente uniforme nos seguintes
casos:
1) Entre os pólos de um ímã em ferradura (nos ímãs em ferradura, o pólo norte fica em frente ao pólo sul).
2) Entre dois pólos diferentes.
3) No interior de um solenóide.
4) Numa pequena região do campo magnético terrestre.
INDUÇÃO MAGNÉTICA
O conceito de campo magnético só pode ser usado, com rigor para o vácuo. No caso de meios
materiais, ele se imantam e modificam a intensidade do campo. Por esta razão, preferiu-se definir uma nova
grandeza que recebeu o nome de INDUÇÃO MAGNÉTICA , para caracterizar o campo magnético.
Se colocarmos um material de permeabilidade magnética µ numa região do espaço, antes vazia, onde existia
um campo magnético de intensidade H, a indução magnética B será definida pela equação :
B=
µ. H
4π
µ ( permeabilidade magnética do meio )
µR ( permeabilidade relativa )
µ0 ( permeabilidade magnética do vácuo )
⇒
⇒
⇒
µ = µ0 . µR
µR vácuo = µR ar = 1,0
µ0 = 4 π.10 -7 T.m / A
u ( B )S.I. = T (Tesla)
LINHA DE INDUÇÃO
O conceito de linha de força de um campo magnético só se aplica ao vácuo. Quando tivermos um meio
material, o conceito de linha de força é substituído pelo conceito de linha de indução que é, em cada um dos
seus pontos, tangente ao vetor B. Na prática se utiliza o termo linha de força tanto para as linhas de força do
campo magnético como para as linhas de indução.
FLUXO DE INDUÇÃO MAGNÉTICA
B
O fluxo de indução magnética é definido como sendo o produto da indução
magnética pela área atravessada e o coseno do ângulo formado entre o
vetor indução magnética e a normal a superfície considerada.
φ = B . S . cos θ
u (φ )S.I. = T. m2 = Wb (Weber)
θ
Normal
S
* FLUXO MÁXIMO - quando o vetor B é perpendicular à superfície : θ = 00 e cos 00 = 1, então :
* FLUXO NULO - quando o vetor B é paralelo à superfície : θ = 900 e cos 900 = 0, então :
φ=B.S
φ=0
CAMPO MAGNÉTICO CRIADO POR UMA CORRENTE ELÉTRICA
Em 1819 o físico dinamarquês Hans Oersted verificou, experimentalmente, que as correntes elétricas
criam ao seu redor campos magnéticos, iniciando um novo ramo na Física, o ELETROMAGNETISMO.
EXPERIÊNCIA DE OERSTED
Oersted colocou um condutor horizontal paralelamente a uma bússola e fez passar uma corrente
elétrica contínua pelo condutor. Sempre que passava corrente a agulha imantada se desviava de sua posição
determinada pelo campo magnético terrestre e ficava perpendicular ao condutor.
REGRA DE AMPÈRE PARA PREVER O SENTIDO DE DESLOCAMENTO DA AGULHA IMANTADA
“Se um observador ficasse estendido ao longo do condutor, de modo a
receber a corrente elétrica pelos pés, ele veria o pólo norte da agulha
imantada se desviar para a esquerda”.
página 160 Dalton
Num corte transversal, a representação seria :
S
N
S
N
Obs. : o símbolo
representa um fio
perpendicular ao plano da folha,
conduzindo uma corrente “i” em
direção ao observador ; o símbolo
representa a corrente penetrando per
pendicularmente na folha, ou seja, se
afastando do observador.
CAMPO MAGNÉTICO CRIADO POR UMA CORRENTE ELÉTRICA RETILÍNEA
i
Considerando um fio condutor longo e retilíneo
percorrido por uma corrente elétrica de intensidade i
verifica-se, empiricamente, que em torno do mesmo surge
um campo magnético cujas linhas de campo são
circunferências concêntricas de centro no eixo do
condutor, situadas em planos perpendiculares ao fio.
B
i
B
Vista em perspectiva
Vista superior
Direção: é sempre tangente às linhas de campo magnético.
Sentido : é obtido pela “Regra do polegar da mão direita” : “Segurando o condutor com a mão direita, de
modo que o polegar aponte no sentido da
corrente, os demais dedos indicam o sentido
das linhas de campo magnético”.
Intensidade : calculada pela Lei de Biot-Savart aplicada ao condutor retilíneo:
B = µ. i
2πd
onde d é a distância do fio ao ponto considerado.
B
CAMPO MAGNÉTICO NO CENTRO DE UMA ESPIRA CIRCULAR
R
Considerando uma espira de forma circular, de raio R, percorrida por uma
corrente de intensidade i. O vetor campo magnético B, no centro da espira, terá:
Direção : perpendicular ao plano da espira.
i
i
Sentido : dado pela regra da mão direita.
Intensidade : calculada pela Lei de Biot-Savart aplicada a espira :
Observações :
1) No caso de uma bobina chata ( N espiras iguais justapostas ) :
2) O campo magnético gerado por uma espira
circular é análogo ao de um ímã, podendo se
atribuir um pólo norte e um pólo sul :
B = µ. i
2R
B = N . µ. i
2R
Linhas de campo magnético
Pólo
Sul
i
i
Pólo
Norte
CAMPO MAGNÉTICO NO INTERIOR DE UM SOLENÓIDE
Quando o solenóide é percorrido por uma corrente elétrica, surge em seu interior um campo magnético
praticamente uniforme, de direção coincidente com o eixo geométrico. Externamente, o campo magnético é
intenso somente junto às extremidades do solenóide.
A extremidade por onde saem as linhas de indução magnética é o pólo norte do solenóide; o pólo sul é a
outra extremidade, por onde entram as linhas de indução.
No interior do solenóide, o vetor indução magnética tem as características :
Direção : coincide com o eixo geométrico do solenóide.
Sentido : determinado através da regra da mão direita.
Intensidade : calculada pela fórmula de Hopkinson : B = N . µ. i
L
onde: L = comprimento do solenóide
n/L = densidade linear de espiras
CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE
* Nos últimos 150 anos a intensidade do campo caiu de 10% a 15%, se acelerando recentemente, levantando
a possibilidade de inversão da força magnética que envolve o planeta. Durante uma inversão, o campo
magnético principal se enfraquece, chegando quase a desaparecer, e então reaparece com polaridade
oposta. A última inversão magnética ocorreu há 780 mil anos. Mesmo que uma inversão total esteja em
curso, ela deverá demorar centenas ou milhares de anos para se completar.
* Em escala planetária o campo magnético terrestre forma um escudo que protege a Terra dos ventos solares
e suas partículas mortais.
* A chamada magnetosfera se estende por cerca de 60 mil quilômetros acima da superfície terrestre na direção
voltada para o Sol. A parte oposta é ainda mais longa, formando uma cauda semelhante a de um cometa.
* O colapso do campo magnético poderia enfraquecer esse escudo e deixar penetrar a radiação solar na
atmosfera terrestre. As tempestades solares golpeariam a atmosfera com radiação suficiente para destruir
quantidades significativas de ozônio que protege a Terra dos nocivos raios ultravioletas. A radiação
ultravioleta emitida pelo Sol pode destruir formas de vida, arrasar os campos de cultivo, aumentar as
incidências de câncer, principalmente de pele, e produzir cataratas em humanos e animais (ovelhas da
Patagônia). Altos níveis de radiação ultravioleta se espalhariam dos pólos até o equador.
* Outra conseqüência da inversão polar seria nas rotas migratórias de alguns animais como por exemplo as
tartarugas marinhas, salmões, baleias, abelhas, pombos e outras espécies migratórias que dependem da
constância do campo magnético para orientar os seus sistemas de navegação.
* O campo magnético se origina nas profundezas da Terra quando o núcleo líquido do planeta escoa
lentamente com correntes quentes de ferro derretido. Essa energia mecânica é transformada em
eletromagnetismo. O processo é conhecido como geodínamo e é o mesmo princípio que transforma
energia mecânica em elétrica, nos automóveis.
* Ninguém sabe exatamente por que o campo magnético se inverte periodicamente, mas há suspeitas que seja
pela mudanças que ocorrem no turbulento fluxo de ferro derretido (magma) , no interior da Terra.
* Estudando a lava encontrada no fundo dos oceanos, onde pequenas partículas de magnetita se orientaram de
acordo com o campo magnética na época que estavam no estado líquido, os cientistas concluíram que a
inversão do campo leva de 5 mil a 7 mil anos para se concretizar e ocorre a cerca de cada meio milhão de
anos, mas muito ao acaso e com padrões caóticos, pois durante a época dos dinossauros, ficou
aproximadamente 35 milhões de anos sem alterações.
* Um estudo feito pelo Geological Survey of Canada, através de cartas náuticas, mostra, a partir de 1600, a
mudança de posição do pólo Norte nos últimos 400 anos e projeta que para 2050, o pólo Norte poderá
estar localizado nas proximidades da costa da Rússia, tendo atravessado o pólo Norte Geográfico.