Apostila 03 - oficina da pesquisa

FACULDADE PITÁGORAS
MAGNETISMO E ELETROMAGNETISMO
Prof. Ms. Carlos José Giudice dos Santos
[email protected]
www.oficinadapesquisa.com.br
UNIDADE III
•
•
•
•
•
•
Magnetismo
Características dos imãs (polos)
Campo magnético terrestre
Eletromagnetismo
Campo magnético
Movimento de cargas elétricas em um campo
magnético
• Campo magnético em um condutor
• Lei de Biot-Savart, Lei de Lenz e Lei de
Faraday
• Princípios de máquinas elétricas
MAGNETISMO
A existência do magnetismo é conhecida há séculos.
As primeiras evidências práticas do magnetismo
ocorreram na Grécia antiga, em um local onde foram
encontrados fragmentos de um minério (pedras) que
possuíam a capacidade de atrair objetos de ferro.
Sabe-se hoje que estas pedras são constituídas por
um tipo especial de óxido de ferro e são os chamados
imãs naturais ou permanentes. Por terem sido
encontradas em uma região da Grécia antiga chamada
de Magnésia, o minério desses imãs naturais é
chamado de magnetita.
Características dos Imãs [1]
O uso prático do magnetismo é conhecido pelos chineses
desde o século XI. O mundo ocidental começou a utilizar o
magnetismo de modo prático no início das grandes
navegações e no século XVI, todos já tinham como certo
que a Terra era um grande imã.
Verificou-se que pedaços de ferro eram atraídos com
mais intensidade em certas partes do imã, que foram
denominadas de polos. Quando suspendemos um imã em
forma de barra pelo seu centro, de modo que esse imã
possa girar livremente, observa-se que esse imã sempre se
alinha ao longo de uma mesma direção que, hoje sabemos,
coincide com o campo magnético terrestre.
Características dos Imãs [2]
Ilustração do campo magnético terrestre mostrando que o polo norte de uma bússola sempre
aponta para o norte da Terra, onde se localiza o polo sul magnético.
Características dos Imãs [3]
Ilustração elaborada pela NASA da proteção do campo magnético terrestre (magnetosfera)
contra o vento solar (partículas carregadas eletricamente por ação do campo magnético do sol)
Características dos Imãs [4]
Todo imã tem características que devemos saber:
• Os polos de um imã recebem a denominação de polo
norte magnético e polo sul magnético.
• O polo norte de um imã é aquela extremidade que,
quando o imã pode girar livremente, aponta para o
norte geográfico da Terra.
• O polo norte geográfico da Terra coincide com o polo
sul magnético da Terra.
• Assim, no caso de imãs, polos contrários se atraem (NS ou S-N), e polos iguais se repelem (N-N ou S-S).
• Os polos de um imã são inseparáveis.
Características dos Imãs [5]
O princípio da inseparabilidade dos polos nos diz que é
impossível experimentalmente se obter um polo magnético
isolado. Se quebramos a barra de um imã em duas, dois polos
vão aparecer em cada uma das duas barras. Se continuarmos
com esse processo, sempre vamos ter uma partícula
portadora de dois polos.
Assim, não existe um monopolo magnético, embora eles
tenham sido previstos pelos físicos teóricos. A busca de um
monopolo magnético em experiências com aceleradores de
partículas, em sedimentos retirados do fundo dos oceanos e
com rochas lunares até hoje de mostrou infrutífera. Em
outras palavras, os polos magnéticos são inseparáveis na
prática.
Características dos Imãs [6]
Conforme vimos em ilustrações anteriores, a Terra funciona
como um grande imã, e o campo magnético da Terra,
denominado de magnetosfera, protege o nosso planeta contra a
radiação de partículas carregadas eletricamente e que são
provenientes do sol (vento solar).
A intensidade destas partículas que vem do sol varia a cada 11
anos terrestres, e sem essa proteção do campo magnético
terrestre, a vida na Terra correria um grande risco.
Sem a proteção do campo magnético terrestre, todos os
aparelhos eletrônicos queimariam. A magnetosfera se estende
como um manto protetor a até 64.000 Km da Terra, e o
fenômeno conhecido como aurora boreal corresponde ao
choque do vento solar com essa magnetosfera.
Características dos Imãs [6]
Os imãs naturais são corpos de materiais
ferromagnéticos. É importante destacar que, a rigor,
não existe material magnético. A classificação a seguir
mostra os diferentes tipos de material magnético:
• Materiais ferromagnéticos: são materiais que
comumente são chamados de magnéticos, pelo fato
de serem atraídos por imãs (ferro, níquel, cobalto e
suas ligas).
• Materiais paramagnéticos: são aqueles atraídos por
imã de maneira muito fraca (paládio, platina, sódio,
potássio e algumas ligas raras do ferro).
Características dos Imãs [7]
•
Materiais diamagnéticos: são materiais que são repelidos
pelos imãs, qualquer que seja o polo aproximado do material.
É um efeito muito fraco e confundido erroneamente com
material não magnético, sendo característico de todo o tipo
de matéria que não se encaixe nas outras categorias, mas
de forma praticamente imperceptível. Os metais
diamagnéticos mais comuns são a prata e o bismuto.
•
Materiais ferrimagnéticos: são aqueles que permitem
receber uma forma especial de magnetização, projetada
para a constituição de aparelhos eletrônicos específicos. É
o caso do manganês e da ferrita (substância criada a partir
de óxido de níquel, cobalto e de zinco). Esses materiais são
também conhecidos antiferromagnéticos.
Eletromagnetismo [1]
O estudo do magnetismo se desenvolveu totalmente
separado do estudo da eletricidade até o início do século
XIX, ou seja, até essa época o magnetismo e a eletricidade
eram dois fenômenos isolados estudados pela Física.
Entretanto, algo notável aconteceu no início do século XIX,
e esse fato foi observado por um físico dinamarquês
chamado Hans Christian Oersted. Durante uma de suas
aulas, Oersted descobriu que uma agulha magnética (de uma
bússola) é desviada quando colocada nas proximidades de um
fio que conduz uma corrente elétrica. Desde então, o
magnetismo e a eletricidade passaram a ser estudados como
dois fenômenos relacionados entre si.
Eletromagnetismo [2]
Como resultado do fenômeno observado por Oersted,
ficou estabelecido o princípio básico de todos os
fenômenos magnéticos, assim enunciado:
“Quando duas cargas elétricas estão em movimento,
aparece entre elas, além da força eletrostática, uma outra
força, denominada força magnética”. Isso significa dizer
que se as cargas estiverem em repouso, entre elas haverá
apenas a força eletrostática.
Assim, se tivermos um fio conduzindo corrente elétrica, e
aproximarmos uma bússola deste fio, a agulha será
desviada, apontando para o fio que conduz a corrente
elétrica.
Eletromagnetismo [3]
Experiência de Oersted demonstrando como cargas elétricas em movimento ao longo de um fio
produzem um campo magnético que altera a posição de uma agulha imantada.
Campo Magnético [1]
Campo Magnético [2]
Imagens de campos magnéticos criados por imãs (à esquerda) e por uma corrente elétrica (à direita).
Campo Magnético [3]
Imagens de campos magnéticos criados por fios retos (à esquerda) e espiras (à direita)
Campo Magnético [4]
Campo Magnético [5]
Campo Magnético [6]
Exercício de Fixação [1]
Exercício de Fixação [2]
Campo magnético em um condutor retilíneo [1]
Se considerarmos um condutor retilíneo bem comprido,
percorrido por uma corrente elétrica, em torno deste condutor
será criado um campo magnético circular (conforme figura 1
abaixo). O sentido desse campo magnético pode ser
determinado pela regra de Ampère (conforme figura 2).
Figura 1: Campo magnético em
torno de um fio condutor.
Figura 2: Regra de Ampère para descobrir o sentido
do campo magnético em função da direção da corrente
elétrica que percorre um fio condutor.
Campo magnético em um condutor retilíneo [2]
A partir de experiências realizadas por físicos, verificou-se
que quando temos um condutor retilíneo por onde passa uma
corrente em um campo magnético, sobre esse condutor será
exercido uma força. Considere o circuito elétrico simples
mostrado abaixo:
Lembrando da regra do tapa com a mão direita, o polegar
representa o sentido da corrente elétrica nesse circuito, os
quatro dedos representam o sentido do campo magnético e a
palma da mão nos dá o sentido da força exercida sobre o fio.
Campo magnético em um condutor retilíneo [3]
Para podermos entender, considere o desenho seguinte:
Na figura, os “x” representam
as linhas do campo magnético
entrando nessa superfície.
Então colocamos um condutor
retilíneo com uma corrente
elétrica i no sentido mostrado na figura. Sobre esse condutor,
será exercida uma força F. Qual a direção e o sentido dessa
força? Usando a regra do tapa com a mão direita, veremos que
sobre esse condutor será exercida uma força no sentido
horizontal, na direção esquerda.
Exercício de fixação 1
A partir da imagem abaixo, mostre a direção e o sentido da
força exercida sobre o fio condutor.
Exercício de fixação 2
A partir da imagem abaixo, mostre a direção e o sentido da
força exercida sobre o fio condutor. Considere os pontos
como linhas de indução magnética saindo da superfície.
Exercício de fixação 3
A partir da imagem abaixo, mostre a direção e o sentido da
força exercida sobre o fio condutor. Considere o ponto no
círculo como o sentido da corrente na seção do fio condutor.
Cálculo da força sobre o condutor
Os exemplos anteriores mostram o fio condutor em uma
posição perpendicular ao campo magnético. Caso o campo
magnético faça um ângulo com o fio condutor, a força
exercida sobre o fio será:
= . . . Onde:
F = força, medida em N
B = vetor campo magnético, medido em T
i = intensidade da corrente elétrica, em A
L = comprimento do fio, em metros
= ângulo entre campo e corrente
Exercício de fixação 4
A partir da imagem abaixo, calcule o módulo, direção e
sentido da força exercida sobre o fio condutor. Considere:
B=1T
i=1A
L = 0,5 m
= 45º
sen = 2/2
Aplicações desse princípio
A principal aplicação da força magnética induzida em um fio
condutor decorrente da interação entre a corrente elétrica
que percorre o fio e do campo magnético que atua sobre o
fio são os motores elétricos, em especial, os motores de
corrente contínua.
Aplicações desse princípio