Mapeamento de Campo Magnético

Mapeamento de Campo Magnético
Objetivo
Mostrar as configurações e propriedades dos campos magnéticos.
Contexto
Determinados materiais apresentam propriedades magnéticas. Por propriedade magnética
se entende a capacidade que um objeto tem de atrair outros objetos. Na interação entre
dois objetos feitos de materiais magnéticos há também a possibilidade de repulsão entre
eles. Os materiais que naturalmente apresentam propriedades magnéticas são chamados
de ímãs. Convém notar que esses fenômenos de atração e repulsão podem também ser
observados em materiais não magnéticos. Por exemplo, entre dois objetos carregados
eletricamente. Porém, mesmo que carregados eletricamente, materiais não magnéticos
não interagem com materiais magnéticos.
Em geral, propriedades elétricas ou magnéticas estão associadas a classes de materiais
diferentes.
Uma outra forma de distinguir o tipo de fenômeno é conhecendo-se um dos materiais
envolvidos. Sabemos que um ímã natural possui propriedades magnéticas: então todos os
materiais que ele atrair ou repelir também terão propriedades magnéticas.
As propriedades básicas observadas em materiais magnéticos são explicadas pela
existência de dois polos diferentes no material. A esses polos se dão os nomes de polo
norte e sul. Polos de mesmo tipo se repelem e polos de tipos opostos se atraem. A esta
configuração de dois polos dá-se o nome de "dipolo magnético". O dipolo magnético é a
grandeza que determina quão forte é o ímã e sua orientação espacial pode ser
representada por uma flecha que aponta do polo sul para o polo norte.
As propriedades magnéticas dos materiais tem sua origem nos átomos, pois quase todos
os átomos são dipolos magnéticos naturais e podem ser considerados como pequenos
ímãs, com polos norte e sul. Isto é algo que decorre de uma somatória de dipolos
magnéticos naturais dos elementos básicos da matéria (o "spin") com o movimento orbital
dos elétrons ao redor do núcleo (pois este movimento cria um dipolo magnético próprio).
Para cada material, a interação entre seus átomos constituintes determina como os dipolos
magnéticos dos átomos estarão alinhados. Sabe-se que dois dipolos próximos e de igual
intensidade anulam seus efeitos se estiverem alinhados anti-paralelamente; somam seus
efeitos se estiverem alinhados paralelamente.
Assim, teremos os seguintes casos:

Se os dipolos, sob qualquer condição, permanecerem desalinhados, apontando em
direções aleatórias, há um cancelamento geral dos efeitos dos dipolos e o material não
apresenta nenhuma propriedade magnética macroscopicamente observável (material nãomagnético).


No caso dos dipolos estarem todos alinhados, temos um material chamado
ferromagnético permanente (ímã natural).
Se os dipolos somente se alinharem na presença de um outro ímã, temos três casos:
o material ferromagnético: o ímã externo, ao atrair um dos polos de cada um dos
átomos do material ferromagnético, termina por alinhar todos os dipolos
magnéticos deste. Com todos os seus dipolos magnéticos alinhados, o
ferromagnético, para todos os efeitos comporta-se como um ímã natural. O
resultado final é que o material ferromagnético é atraído pelo ímã natural. O ferro,
o níquel e o cobalto são alguns exemplos de materiais ferromagnéticos.
o material paramagnético: o alinhamento é similar ao caso ferromagnético, porém de
intensidade aproximadamente 1000 vezes menor. Por isso também não é de fácil
observação. O resultado final é que o material paramagnético é muito fracamente
atraído pelo ímã natural. O vidro, o alumínio e a platina são alguns exemplos de
materiais paramagnéticos.
o material diamagnético: além de causas diferentes, macroscopicamente é o caso
oposto do paramagnético. O resultado final é que o material diamagnético é muito
fracamente repelido pelo ímã natural. No fundo, todo material é diamagnético; só
que na maioria dos casos o ferromagnetismo (permanente ou não) ou o
paramagnetismo são mais fortes que o diamagnetismo. A água, a prata, o ouro, o
chumbo e o quartzo são alguns exemplos de materiais diamagnéticos.
Convém ressaltar que o alinhamento nunca é total, nem em número de dipolos e nem na
direção de cada um deles; trata-se de médias.
De acordo com um dos primeiros pesquisadores do magnetismo, Michael Faraday, o
campo magnético é a região do espaço na qual se realiza a interação magnética entre dois
objetos que apresentam propriedades magnéticas. E as linhas de campo são as linhas
imaginárias que mapeiam o sentido deste campo em torno dos objetos. Ou seja, elas
indicam a direção da atração ou repulsão magnética num ponto do espaço sob a influência
de objetos magnetizados. As linhas de campo apontam do polo norte para o polo sul.
A atração ou repulsão entre dois objetos magnetizados é intermediado pela ação do
campo magnético. Por outro lado, pode não haver atração ou repulsão entre dois objetos
magnetizados, mesmo havendo entre eles campo magnético. Isto ocorre porque o campo
magnético de um ímã enfraquece conforme aumenta a distância a ele. Então, dependendo
da distância que separam os ímãs, o campo magnético não é forte o suficiente para, por
exemplo, vencer o atrito que existe entre cada ímã e a superfície de uma mesa sobre a
qual eles estejam colocados.
Idéia do Experimento
Para verificarmos a existência e a configuração dos campos magnéticos, podemos estudar
suas Linhas de Campo, fazendo um experimento simples usando ímãs e limalha de ferro.
O ferro é um material ferromagnético e portanto seus dipolos magnéticos se alinham na
presença de um ímã (na presença de um campo magnético externo). Neste caso, a limalha
passa a se comportar como um ímã natural, enquanto estiver na presença de um campo.
Como a limalha de ferro tem pouca massa, ela não apenas alinha seus dipolos magnéticos
como também ajusta-se na direção do campo externo, "desenhando" assim sua
distribuição e direção em torno do ímã. Isto ocorre pois o campo magnético é mais forte
em alguns pontos do que em outros e uma ponta da limalha é puxada com mais força do
que a outra, acabando por alinhá-la com o campo. Além disso, a "cauda" de uma limalha
tende a se grudar com a "cabeça" de outra, como dois ímãs normais.
O campo magnético de um ímã pode atravessar alguns materiais, como o papel, o plástico
e até mesmo uma tábua de madeira não muito espessa.
Por isso, se colocarmos um ímã sobre um pedaço de papel e sobre ele pulverizarmos
limalha de ferro, estas se alinharão com o campo magnético deste, revelando assim o
desenho das linhas de campo. Isso também ocorrerá se o ímã estiver sob o papel.
É interessante que se faça o mapeamento de campo magnético de ímãs com formatos
diferentes, para que se possa entender que a distribuição espacial do campo magnético
depende entre outras coisas do formato do ímã.
Nós usamos um íma em formato de barra ou cilindro com o campo longitudinal para
podermos visualizar uma distribuição de campo magnético do mesmo tipo do da figura
acima.
Tabela do Material.
Item
Ímã
Limalha
de Ferro
Papel
Observações
Ímãs são encontrados em alto falantes, ferro velho, lojas de materiais elétricos, em
alguns brinquedos, em objetos de decoração como os ímãs de geladeira, etc.
Limalha de ferro pode ser conseguida em ferro velho, serralherias, ou na terra
(aquele rastro cinza que se observa geralmente depois de uma chuva em alguns
terrenos, é limalha de ferro da própria terra e pode ser recolhida com o auxílio de
um ímã). Caso não seja encontrado nestes lugares, pode-se fabricar limalha de
ferro limando um pedaço de ferro ou prego.
Uma folha de papel, de preferência da cor branca, ou a mais clara possível, pois
isso ajuda na visualização das linhas. O papel também é útil para o recolhimento da
limalha depois de ter feito o experimento. Pode ser uma folha de caderno, uma
folha de papel sulfite ou cartolina, etc.
Montagem


Coloque um ímã sobre ou sob uma folha de papel.
Pulverize limalha de ferro levemente sobre o ímã e em torno dele.

Observe a configuração das linhas de campo. Repita o experimento para outros formatos
de ímãs que você tenha conseguido e para mais de um ímã sobre o papel ao mesmo
tempo.
Comentários

Ao pulverizar a limalha de ferro sobre o ímã ou sobre o papel, dê pequenos "petelecos" na
folha. Isto faz com que as limalhas se desprendam da folha e se alinhem com o campo,
dando melhores resultados. Pode também ser usado um pincel, passando-o levemente
sobre as limalhas para que elas se desprendam do papel.
Esquema Geral de Montagem
Figuras ilustrativas das Linhas de Campo. Fonte: artigo de Michael Faraday (1791 - 1867), em
"Experimental Researches in Eletricity", London: Dent, New York: Dutton [1922, 1914], onde:
Fig. 1 e Fig. 4 - representam as Linhas de Campo de um ímã em barra, semelhantes ao que usamos neste
experimento.
Fig. 2 - representa as Linhas de Campo de um ímã cilíndrico com eixo N-S na direção longitudinal
posicionado perpendicularmente à folha de papel.
Fig. 3 - representam as Linhas de Campo de dois ímãs cilíndricos com eixos N-S na direção longitudinal
posicionados perpendicularmente à folha de papel.
Fig. 5 - representa as Linhas de Campo de um ímã cilíndrico com eixos N-S numa direção transversal
posicionado perpendicularmente à folha de papel.
Fig. 6 - representam as Linhas de Campo de dois ímãs em barra com polos opostos unidos.
Fig. 7 - representam as Linhas de Campo de dois ímãs em barra com polos opostos separados.
Fig. 8 - representam as Linhas de Campo de uma montagem em forma de "L" de dois ímãs em barra, com
polos iguais próximos.