Eletromagnetismo: imãs, bobinas e campo magnético

Eletromagnetismo: imãs, bobinas e campo magnético
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Eletromagn etismo: imãs, bobinas e cam po m agn ético
Linhas do campo magnético
O mapeamento do campo magnético produzido
por um imã, pode ser feito com o auxílio de uma bússola.
Desenhando as diversas orientações que a bússola adquire
ao redor de um imã em barra, você consegue montar uma
espécie de ―mapa‖.
Esse ―mapa‖ consiste em uma série de linhas
imaginárias ao redor do imã, denominadas linhas do campo
magnético, as quais permitem “visualizar” o comportamento do campo do imã. As linhas do campo magnético são
orientadas: elas ―nascem‖ (emergem) no pólo norte magnético do imã, e ―morrem‖ (convergem) no pólo sul magnético do imã. Assim, em cada ponto ao redor do imã, a direção
e sentido do campo magnético (e a orientação de uma bússola colocada ali) são determinados pela linha de campo
magnético que passa por esse ponto.
No entanto, não são apenas imãs que criam um
campo magnético ao seu redor. Um fio metálico com corrente elétrica também cria ao seu redor um campo magnético. Quando o fio é enrolado em torno de um núcleo qualquer (as vezes não precisa do núcleo), constitui o que chamamos de bobina. Existindo corrente elétrica na bobina,
esta gera um campo magnético que tem um mapeamento
semelhante ao de um imã em forma de barra.
A descoberta do eletromagnetismo
Foi o cientista dinamarquês Hans
Christian Oersted (1777-1851) quem primeiro
comprovou experimentalmente o efeito magnético produzido por uma corrente elétrica. Em um
experimento realizado em 1820, Oersted verificou que a posição da agulha de uma bússola
podia ser alterada quando colocada próximo a
um fio condutor, percorrido por uma corrente
elétrica. Posicionando o fio paralelamente à
agulha da bússola, Oersted verificou que a agulha mantinha sua orientação natural quando o
fio não era atravessado por uma corrente elétrica. Ao fechar o circuito (e permitir a passagem
de corrente elétrica), a agulha girava até ficar
praticamente perpendicular ao fio. In vertendo o
sentido da corrente elétrica no fio, a orientação
da agulha também se invertia, mantendo-se
ainda perpendicular ao fio. Como a agulha da
bússola funciona como um “detector” de campos magnéticos, o movimento da agulha indicava a presença de um outro campo magnético na
região, mais forte que o campo magnético da
Terra (responsável pela orientação natural da
bússola).
O fenômeno observado por Oersted
permitiu estabelecer uma relação entre a eletricidade (a corrente elétrica no interior do fio) e o
magnetismo (o campo magnético criado ao redor do fio). Este trabalho deu impulso a inúmeros outros. Um deles foi realizado pelo físico
francês Dominique Arago (1786-1853), que tornou possível a construção do eletro-imã. Arago
demonstrou que um fio enrolado em um pedaço
de ferro tornava-se um imã quando era atravessado por uma corrente elétrica. O efeito existe
apenas enquanto houver corrente elétrica no fio.
Desse modo, o imã poderia ser “ligado” e
“desligado”. O eletro-imã é ainda hoje muito
utilizado em vários instrumentos de pesquisa e
tecnologia, em diversos ramos da ciência.
A origem do magnetismo dos imãs
Se no caso de fios e bobinas está claro que a origem do campo magnético é atribuída à corrente elétrica,
como se explica a origem do campo magnético nos imãs?
Na verdade, o campo magnético criado pelos imãs, ainda
que possa parecer estranho, também deve-se às correntes
elétricas, só que à nível atômico. Essas correntes são associadas aos movimentos dos elétrons no interior dos átomos,
Observe que na região lateral externa do imã (ou e principalmente a uma propriedade exótica dos elétrons,
bobina), as linhas de campo (e a agulha da bússola) apon- conhecida como spin. Trata-se de uma espécie de “ giro” do
tam para o pólo sul magnético. Por outro lado, colocando elétron, e este movimento cria um campo magnético intrínuma bússola no interior da bobina, vemos que a agulha da seco.
bússola aponta para o pólo norte magnético da bobina. Isto
Na maioria dos materiais os spins dos elétrons se
acontece porque a agulha da bússola indica o sentido das distribuem aleatoriamente, de modo que o efeito magnético
linhas do campo magnético, e uma característica dessas global se anula. Por outro lado, nos materiais magnetizados
linhas, é que elas descrevem trajetórias fechadas. Na parte (imãs naturais ou artificiais) ocorre o alinhamento
dos
externa da bobina ou do imã elas se orientam do norte para spins dos elétrons, de modo que seus campos magnéticos se
o sul magnético, e no interior se orientam no sentido opos- somam, e o material como um todo apresenta um campo
to, isto é, do sul para o norte magnético.
magnético resultante não nulo.
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Eletromagnetismo: forças magnéticas
R=
m⋅v
q⋅B
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Eletromagnetismo: forças magnéticas
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Exercícios
1.
Determine a força magnética que age sobre uma pequena esfera eletrizada com carga elétrica de 3 C e velocidade de 1.104 m/s, que penetra perpendicularmente em
um campo magnético de intensidade igual a 3.10-5 teslas.
2.
Para que a esfera do problema 1 descreve uma trajetória
circular de raio 50 cm, qual deve ser a intensidade do
campo magnético?
3.
Calcule a força magnética que age sobre um fio de 50 cm
de comprimento, que se encontra em um campo magnético com intensidade de 5.10-3 teslas, sabendo que o fio é
perpendicular ao campo, e é atravessado por uma corrente elétrica de 0,2 ampères.
4.
Em um fio condutor de 2,5 m de comprimento há uma
corrente elétrica de 1,5 amperès, e atua uma força magnética de 2.10-5 N. Supondo que o fio é perpendicular ao
campo, determine a intensidade deste campo.
5.
Qual o valor da corrente elétrica que existe em um fio de
1,5 m de comprimento que atravessa obliquamente um
campo magnético de 1.10-3 teslas, formando um ângulo
de 30° e sofrendo a ação de uma força de 1.10-2 N.
6.
(UFC-CE) Uma carga
positiva percorre uma
trajetória circular no
sentido anti-horário,
sob a ação de um
campo magné tico
uniforme (figura ao
lado).
A direção do campo magnético:
A) Tangencia a trajetória, no sentido horário.
B) Tangencia a trajetória no sentido anti-horário.
C) É radial, apontando para o ponto O.
D) É perpendicular ao plano da página, e aponta para fora
dela.
E) É perpendicular ao plano da página,e aponta para dentro
dela.
7.
No problema 6, se a intensidade do campo magnético
duplicar, o raio da trajetória:
A) vai duplicar;
B) vai quadruplicar;
C) se reduz á metade;
D) fica quatro vezes menor;
8.
No problema 6, se intensidade do campo duplicar e valor
da carga também, o raio da trajetória:
A) vai duplicar;
B) vai quadruplicar;
C) se reduz á metade D) fica quatro vezes menor;
9.
Unidade de medida do campo magnético
O intensidade do campo magnético (símbolo B) depende da forma
do condutor (fio, espira ou bobina) percorrido pela corrente elétrica.
A unidade de medida do campo magnético (no S.I) chama-se tesla,
em homenagem ao físico croata Nikola Tesla (1857-1943).
A)
B)
C)
D)
E)
Agora considere que na situação do problema 6, a intensidade do campo duplica, e a velocidade da carga também (mas o valor da carga elétrica permanece o mesmo). Nesse caso o raio da trajetória:
vai duplicar;
vai quadruplicar;
se reduz à metade;
fica quatro vezes menor;
permanece inalterado;
Eletromagnetismo: geração de energia elétrica
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Eletromagnetismo: geração de energia elétrica
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