ELETROMAGNETISMO ONDAS ELETROMAGNÉTICAS ELEMENTOS DE FÍSCA QUÂNTICA I – ELETROMAGNETISMO 1. INTRODUÇÃO O eletromagnetismo é o ramo da física que estuda os fenômenos relacionados à atração de metais e imãs e a relação entre esses fenômenos e a eletricidade. A palavra magnetismo tem sua origem na Grécia Antiga, porque foi em Magnésia, antiga cidade grega, que se observou um minério com a propriedade de atrair objetos de ferro. Tal minério ficou conhecido por magnetita (Fe3O4) que é considerado ímã natural. Um imã natural pode se desmagnetizar por vibrações (marteladas) ou por aquecimento. A temperatura em que o imã se desmagnetiza é denominado ponto curie e vale cerca de 585ºC.Atualmente se sabe que eletricidade e magnetismo são aspectos do mesmo fenômeno, o eletromagnetismo, no qual estudamos os fenômenos magnéticos originados por correntes elétricas e as suas conseqüências. 2- ÍMÃS OU MAGNETOS São corpos que atraem Ferro, Níquel, Cobalto e outros materiais ferromagnéticos. Podem se apresentar em diversas formas tais como barras cilíndricas, barras prismáticas, ferraduras, anel circular, etc. pode-se chegar em escala atômica. Uma explicação desse fenômeno foi proposta pelo cientista André-Marie Ampère (1775-1836). Ele supôs cada ímã constituído de pequenos ímãs elementares; a soma dos efeitos de todos esses ímãs elementares é que resultaria no ímã completo. Na teoria atual, dos domínios magnéticos – grupos de átomos – cada átomo de um corpo, é um pequeno ímã, que recebe o nome de dipolos magnéticos. 3- CAMPO MAGNÉTICO Campo magnético é a região em volta de um ímã ou de um condutor percorrido por corrente. O campo magnético é caracterizado em cada ponto pelo vetor indução magnética B , tangente as linhas de indução, e detectado por BÚSSOLAS. 2.1 – Propriedades dos Ímãs a) Tem propriedades de atrair ferro, cobalto, níquel e materiais ferromagnéticos. Limalhas de ferro aderem às regiões extremas de um ímã, denominadas pólos, que só existem aos pares. Linhas de indução do campo magnético São linhas imaginárias fechadas, tangentes ao vetor campo magnético B e orientadas em seu sentido, que saem do pólo Norte e entram no pólo Sul. Dão, portanto, a direção e o sentido do vetor campo B em cada ponto. b) Quando suspensos pelo centro de gravidade, orientamse, aproximadamente, na direção norte-sul geográfica do lugar. A região do imã que se volta para o pólo norte geográfico é denominada pólo norte (N) e a outra região, pólo sul (S). c) Exercem entre si forças de atração ou de repulsão, conforme a posição em que são postos em presença. A experiência mostra que: “pólos de mesmo nome se repelem e de nomes contrários se atraem”. (Princípio da Atração e da Repulsão). Na região interna de um ímã em forma de U temos um campo de indução magnética uniforme, ou seja, o vetor B é constante em todos os pontos do mesmo. 3.1 - INDUÇÃO MAGNÉTICA É o fenômeno da imantação de um corpo por meio de um ímã. Um corpo não imantado quando é colocado na presença de um ímã, o vetor indução magnético do campo por ele criado orienta os ímãs elementares ou os domínios magnéticos , imantando-o. Este corpo passará a apresentar propriedades magnéticas porque nele há uma predominância de ímãs elementares sobre os demais. Corpo não imantado (domínios não orientados) Corpo imantado (domínios orientados) 3.2 - Ímãs permanentes e ímãs transitórios d) É impossível separa os pólos de um ímã - Princípio da inseparabilidade dos pólos de um ímã. Se secionarmos ao meio um ímã em forma de barra, surgirão novos pólos norte e sul em cada um de seus pedaços, constituindo cada um deles um novo ímã. Prosseguindo a divisão, a) ÍMÃS PERMANENTES – são aqueles que, depois de imantados, conservam suas propriedades magnéticas por longo tempo mesmo na ausência de um campo magnético. Exemplo: materiais de aço. b) ÍMÃS TRANSITÓRIOS – são aquele que deixam de funcionar como ímãs, quando não estão sob a ação de um campo magnético; eles perdem a orientação de seus ímãs elementares. Exemplo: materiais de ferro doce (aquele que contém o mínimo de impurezas) e aço não- temperado. NOTAS: 1ª) ÍMÃS ARTIFICIAIS, são mais fortes que os ímãs naturais; são usados para movimentação de cargas pesadas. 2ª) Em geral, o simples contato de um corpo com um ímã não é suficiente para magnetizá-lo; torna-se necessário, então, atritá-los várias vezes e sempre no mesmo sentido, abrangendo toda a superfície do corpo a ser imantado. 3ª) Como basicamente a magnetização da matéria ocorre sempre que conseguimos orientar seus ímãs elementares, outros métodos de imantação de menor importância podem ser sugeridos, como, por exemplo, o martelamento de um corpo de substância magnética que esteja alinhado com o eixo magnético da Terra. Este martelamento pode também ser substituído por um leve aquecimento do corpo com idêntico resultado. 4ª) Inversamente, se desalinharmos os ímãs elementares de um material magnético, ele perderá grande parte de sua imantação. Assim, os materiais magnéticos não devem ser aquecidos acima de determinada temperatura (denominada ponto de Curie), sob pena de perderem suas propriedades magnéticas. O ponto de Curie é diferente para cada substância magnética: o ferro se desmagnetiza a 770 ºC, o níquel a 358 ºC, a magnetita a 585 ºC e o cobalto a 1140 ºC. 3.3 - Campo Magnético da Terra A Terra se comporta como um enorme dipolo magnético. Tudo se passa como se no interior da Terra houvesse um gigantesco ímã em forma de barra com uma pequena inclinação em relação ao eixo de rotação da Terra. Este magnetismo se deve em parte aos materiais magnéticos que constituem o solo terrestre, e em parte às características da ionosfera que, por ser eletrizada, ao acompanhar a rotação da Terra, gera um campo magnético. Os pólos magnéticos terrestres não são fixos; nos últimos 2000 anos o pólo sul magnético descreveu uma espécie de “8” entre o pólo Norte Geográfico e o Canadá. Assim, por exemplo, em 1894, numa medição feita em Londres, o ângulo Φ mostrado na figura abaixo era de 17º; atualmente é cerca de 11º. Quanto a facilidade de imantação as substâncias podem ser classificadas em: Ferromagnéticas – são aqueles cujos ímãs elementares se orientam facilmente quando submetidas à ação de um campo magnético. Possuem poderes de imantação. Exemplo: ferro, níquel, cobalto e algumas ligas metálicas. Paramagnéticas – são aquelas cujos ímãs elementares não se orientam facilmente sob a ação de um campo magnético. Possuem fraco poder de imantação. Exemplo: madeira, plástico, óleo, ar, oxigênio líquido e metais como alumínio, cromo, manganês, paládio, platina, etc. Diamagnéticas – são aquelas cujos ímãs elementares se orientam em sentido contrário ao vetor indução magnética. Não possuem propriedades magnéticas, não podem ser imantadas e são repelidas por ímãs. Exemplos: ouro, prata, chumbo, mercúrio, zinco, bismuto, antimônio, água etc. 3.5 - EXPERIÊNCIA DE OERSTED - Campo Magnético criado por corrente Até o começo do século XIX, não se conhecia uma relação entre a Eletricidade e o Magnetismo. Através de experiências, verificou-se que cargas elétricas fixas não interagem de modo algum com os ímãs. Porém, com cargas em movimento – corrente elétrica – ocorrem várias interações elétricas. Uma corrente elétrica (cargas em movimento) cria ao seu redor um campo magnético. Conclusão obtida a partir das experiências realizadas pelo físico dinamarquês Hans Christian Oersted –1820. O maior mérito da descoberta de Oersted foi a demonstração de que os fenômenos elétricos e os magnéticos estão intimamente relacionados. Na figura abaixo, tem-se um condutor percorrido por corrente gerando um campo magnético em torno de si, que faz desviar agulhas magnéticas colocadas na sua vizinhança. 3.6 - VETOR INDUÇÃO MAGNÉTICA A fim de se caracterizar a ação de um imã, em cada ponto do campo magnético associa-se um vetor, denominado vetor indução magnética B , que atende às seguintes características. a) b) c) 3.4CLASSIFICAÇÃO MAGNÉTICAS DAS SUBSTÂNCIAS Sua direção é tangente à linha de indução que passa pelo ponto considerado. Seu sentido concorda com o sentido da linha de indução, na convenção dada. Seu módulo assume valor que, em geral, depende da posição do ponto. Unidade do vetor indução magnética No SI, a unidade [B] = tesla(T) Outra unidade [B] = gauss (G) 4 1 T = 10 G CONVENÇÕES No estudo do eletromagnetismo, usam-se as seguintes convenções para as representações de vetores: (Visão por trás) ⊗ ⊗: ⊙ (visão pela frente) denominada permeabilidade magnética do meio (). Para o vácuo essa grandeza tem valor: -7 μ0 = 4π. 10 T.m/A B: intensidade do campo em tesla (T), i: corrente elétrica em ampère (A), r: distância do ponto P ao condutor (m) Direção: tangente à linha de indução; Sentido: regra da mão direita nº 01 ENTRANDO - representa um fio, uma linha ou um vetor ( Fm , B , v ) perpendicular ao da figura (ou do papel), em posição de ENTRADA (afastando-se do observador). ⊙: SAÍNDO – representa um fio, uma linha ou um vetor perpendicular ao plano da figura, em posição de SAÍDA (aproximando-se do observador). Campo magnético uniforme É aquele cujo vetor indução B é constante, isto é, em todos os pontos B tem mesma direção, mesmo sentido e mesmo módulo. As linhas de indução de um campo magnético uniforme são retas paralelas e igualmente distribuídas. Regra da mão direita nº 01: Colocando-se o polegar da mão direita sobre o fio, no sentido convencional da corrente elétrica, o sentido das linhas de indução será o mesmo do movimento dos dedos ao envolver o fio. 4.2- Campo magnético numa espira circular (centro) 4- CAMPOS MAGNÉTICOS DE CORRENTES ELÉTRICAS 4.1- Campo magnético de fio retilíneo longo. Quando o fio é atravessado pela corrente elétrica surge no espaço em torno dele um campo magnético capaz de agir sobre uma agulha magnética. As linhas de campo magnético criadas por um condutor retilíneo percorrido por uma corrente i são círculos concêntricos e perpendiculares a ele. A orientação dessas linhas é dada pela “regra da mão direita” As linhas de campo entram por um lado e saem pelo outro. O lado onde entram as linhas associa-se o pólo SUL e o que sai ao NORTE. Características do vetor campo magnético no centro da espira: μ .i B 0 Módulo: (tesla, T) 2.R Onde: μ 0 = permeabilidade magnético do meio interno à espira i = intensidade da corrente R = raio da espira (anel circular) Características do Vetor Campo Magnético B , em P Módulo: B μ 0 .i (Lei de Biot e Savart) 2π.R Constata-se experimentalmente que o módulo do vetor indução magnética B depende da intensidade da corrente i no condutor, da distância R do ponto P ao condutor, e do meio que envolve. O meio é caracterizado magneticamente por uma grandeza física escalar Direção: perpendicular ao plano da espira Sentido: regra da mão direita Nº 01 O sentido das linhas de indução pode ser determinado, também, pela regra do parafuso ou, sendo mais conveniente escrever uma letra N (Norte) ou S (Sul) acompanhando o sentido da corrente. Bobina Chata com n espiras: B μ 0 .N.i (centro) 2.R Quando uma carga elétrica q positiva, lançada em um campo magnético uniforme de intensidade B, com velocidade v , formando um ângulo θ com o vetor indução magnética, fica submetida a uma força magnética com as seguintes características: Sendo: N = número de espiras; i = intensidade de corrente; R = raio. Módulo: Fm = q.v.B.senθ q = módulo da carga lançada; v = módulo da velocidade da carga 4.3 - Campo de um solenóide reto (centro) θ = ângulo entre v e B B = módulo do campo magnético. Chama-se solenóide ou bobina longa a um fio condutor enrolado em forma de espiras não justapostas. São aparelhos de larga aplicação industrial, comportam-se como ímãs quando percorridos por correntes. O campo magnético produzido por um solenóide é semelhante ao campo de um ímã em forma de barra. No interior do solenóide, o vetor indução magnética B é uniforme e tem as seguintes características: Módulo: B μ 0 .N.i (tesla, T) L N = número de espiras no comprimento L ℓ = comprimento em metro (m), i = corrente em ampère (A) Direção: Fm perpendicular a B e a v Sentido: regra da esquerda direita nº2 (regra do tapa) ou regra da mão esquerda, de Fleming. Regra da mão esquerda, com q > 0: * Polegar: indica o sentido de Fm * Indicador: indica o campo magnético B * Médio: indica a velocidade v Se a carga elétrica q é negativa, o sentido da Fm é o oposto àquele fornecido pela regra da mão esquerda. Direção: paralela ao eixo do solenóide. Sentido: do sul para o norte, determinada pela regra da mão direita Nº 01, Envolva o solenóide com a mão direita de modo que a ponta dos dedos indique o sentido da corrente e o 5.2- CARGA “Q” LANÇADA NO INTERIOR DE UM CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME polegar indique o sentido de B . Também podemos dispor o polegar no sentido da corrente e os demais dedos, por dentro do solenóide, indicando as linhas de indução saindo ou entrando na extremidade considerada. 5- FORÇA MAGNÉTICA DE LORENTZ Mostra a experiência que o campo magnético é capaz de atuar sobre a carga em movimento, exercendo nela uma força de campo denominada força magnética de Lorentz, que desvia a carga de sua trajetória original. A força magnética resulta da interação dos campos da carga em movimento e do meio. 5.1. FORÇA SOBRE CARGAS MÓVEIS Sabemos que quando uma carga elétrica (q) se movimenta num campo magnético, ela pode ficar sujeita à ação da força magnética de Lorentz. Essa força Fm , quando existe, é sempre perpendicular ao vetor indução magnética B e ao vetor velocidade V . Concluímos, então, que a força magnética é uma () resultante centrípeta (pois Fm V ) e, portanto, altera a direção do vetor velocidade V , mas não altera seu módulo. Decorre, portanto, que o movimento de uma carga elétrica, sob a ação exclusiva de um campo magnético, é uniforme. O movimento particular que uma carga elétrica passa a executar quando penetra numa região onde reina um campo magnético uniforme depende do modo pelo qual ela penetra no campo. Analisaremos, a seguir, três casos distintos. Movimentos adquiridos pela carga: MRU, MCU e MHU. 1º Caso: Lançamento paralelo ao campo (θ=0º ou θ=180º). Uma carga elétrica lançada na direção das linhas de indução de um campo magnético uniforme realiza um movimento retilíneo e uniforme. Temos Fm = 0 ⇒ M.R.U A análise desse movimento fica simples quando se decompõe a velocidade v em duas componentes perpendiculares, uma na direção de B e outra na direção perpendicular a B. ( ) Nota: Temos, também, Fm = 0 (força nula) se a carga for abandonada em repouso no campo magnético. a) A componente na direção de B v 1 permanece constante e, ao longo dessa direção, a partícula descreve MRU (1° caso). 2º Caso: Lançamento perpendicular ao campo magnético b) A componente perpendicular à B V2 , de acordo com o 2° caso, determina que a partícula execute MCU. ( ) A superposição desses dois movimentos é um movimento helicoidal e uniforme. A trajetória é uma hélice de eixo paralelo às linhas de indução do campo. 5.3 – FORÇA SOBRE FIO CONDUTOR Nessas condições, da Dinâmica, concluímos que a carga elétrica realiza movimento circular uniforme. Temos θ = 90º ⇒ Fm = Fcp = q.v.B ⇒ MCU Considere um condutor metálico retilíneo, de comprimento (), percorrido por corrente elétrica de intensidade constante i, colocado num campo magnético uniforme, formando com o vetor indução B um ângulo . CÁLCULO DO RAIO DA CIRCUNFERÊNCIA Como a força magnética ( Fm ) é uma resultante centrípeta ( Fcp ), resultante: Fm = Fcp ⇒ |q|.v.B = R= m.v q.B m.v 2 Portanto: R Raio da trajetória CÁLCULO DO PERÍODO Sendo o movimento uniforme, podemos escrever: s = v.t. Numa volta completa tem-se: s = 2 R e t = T. Logo: 2 . R = Vt ⇒ 2. m.v |q|B 2π.m T= q.B A força magnética Fm que surge no condutor é a resultante de um conjunto de forças de Lorentz que atuam sobre cada carga elétrica q constituinte da corrente elétrica. Seja n o número de cargas q que atravessa uma secção do condutor em um intervalo de tempo t e estão contidas no comprimento . Temos em cada carga q: = v.T Período do MCU Fm = |q|. V .B sen A força magnética resultante será: Fm = n . fm ⇒ Fm = n.|q|. Observação Nem o período e nem a freqüência do movimento dependem da velocidade de lançamento. m = massa (kg); B = campo magnético (tela, T) v = velocidade( m/s) q =carga elétrica (coulomb, C) 3ºCaso: Carga elétrica lançada obliquamente às linhas de indução. A partícula realiza Movimento Helicoidal Uniforme. Temos: Fm = q.v.B.senθ ⇒ MHU Mas Δt . B sen n|q| i Então: Fm = i B sen ou Δt Fm = B.i. sen Assim, a força magnética Fm características: * Módulo: tem as seguintes Fm = B.i. sen * Direção – é perpendicular ao condutor e ao vetor indução. * Sentido - o sentido da força magnética é obtido pela regra da mão esquerda. O dedo indicador no sentido do campo e o médio no sentido convencional da corrente elétrica, o polegar dará o sentido da força que age sobre o condutor. uma grandeza chamada fluxo magnético e que mede o número de linhas de indução que atravessam a superfície da espira imersa num campo magnético. No SI, a unidade usual de fluxo magnético (Φ, fi) é o weber (Wb). Consideremos uma espira de área A colocada dentro de um campo magnético B de tal forma que a normal n à superfície da espira faça ângulo θ com as linhas de indução. 5.4 – FORÇA EM FIOS PARALELOS Quando dois fios condutores são dispostos paralelamente um ao outro, podemos perceber que entre eles passa a ocorrer uma força que pode ser de atração ou de repulsão entre os fios. Analisando as figuras abaixo podemos mostrar o que ocorre quando um fio é colocado próximo do outro. Φ= B.A.cos θ Φ= B.A Φ= 0 Φ= - B.A Define-se fluxo do vetor indução B , através da espira, como sendo a grandeza escalar dada por: = B . A . cosθ B: indução magnética, em tesla (T) A: área da espira, em m²; Φ: fluxo magnético, em weber(Wb), Correntes no mesmo sentido atração Correntes em sentidos contrários repulsão A figura acima representa as situações em que os fios são percorridos por correntes de mesmo sentido, ocorrendo forças atrativas entre eles, e quando são percorridos por correntes de sentidos opostos, aparecendo forças repulsivas. A intensidade da força magnética entre os fios pode ser determinada pela expressão: Fm μ 0 Onde: Da definição de fluxo magnético resulta: Wb 2 1 Wb = 1 T . 1 m T = 2 m Temos variação de fluxo de indução magnética (∆Φ) quando: a) O campo(B) do ímã na espira varia. i 1. .i 2 .L 2π.d μ (mi) = permeabilidade magnética do meio d = distância entre os fios L = comprimento dos fios condutores i1 e i2 = intensidade das correntes nos fios. b) A área “A” da espira varia. 6. INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA Descoberta por Michael Faraday, 1791 -1867, cientista inglês, é o fenômeno do aparecimento de uma f.e.m (e) ou de uma corrente elétrica induzida (i) quando um condutor corta as linhas de um campo magnético. Explica o funcionamento dos geradores. Consta-se, experimentalmente, que, quando a intensidade do fluxo magnético se altera com o decurso do tempo, através de um circuito fechado, surge neste uma femi média em (força eletromotriz induzida média). c) O ângulo θ varia. Variação do fluxo magnético (∆Φ) ⇒ produz f.e.m. e corrente induzida O ângulo θ está variando, o que faz variar o fluxo ∆Φ em circuito fechado (espira) ⇒produz “f.e.m.” e “i”. ∆Φ em circuito aberto ⇒ produz f.e.m. 6.1- FLUXO MAGNÉTICO Para a abordagem conveniente do fenômeno da indução eletromagnética, Faraday sugeriu a introdução de 6.2. LEI DE LENZ Heinrich F. E. Lenz (1804-1865), físico russo que enunciou a lei que permite determinar o sentido das correntes induzidas. Estudou, também, a dependência da resistência elétrica com a temperatura. LEI DE LENZ ”Os efeitos da corrente induzida sempre se opõem às causas do seu aparecimento”. e = fem induzida, na espira, em volts; B = módulo do campo magnético, em teslas; ℓ = comprimento do lado móvel, em metros; v = velocidade constante do lado móvel (DC), em m/s. 7 .TRANSFORMADORES Aproximando o ímã com um SUL, aparecerá um SUL na espira. Aproximando com um NORTE, aparecerá um NORTE. Afastando o ímã com um NORTE, aparecerá um SUL na espira Uma aplicação importante do fenômeno da indução eletromagnética está nos dispositivos denominados transformadores elétricos. Transformador de tensão é um dispositivo capaz de elevar ou rebaixar uma ddp. É constituído, basicamente, de um núcleo de substância facilmente imantável (ferro puro) e duas bobinas (primário e secundário). Por exemplo, a aproximação de um ímã em relação a uma espira causa a variação de fluxo magnético através da espira, originando uma fem i e a conseqüentemente uma corrente induzida. Esta corrente irá, então, produzir um fluxo magnético induzido que se oporá à variação do fluxo magnético indutor. 6.3 – LEI DE FARADAY- NEUMANN A variação do fluxo de indução através da área de uma espira induz nela uma F.E.M., provocando o aparecimento de uma corrente elétrica (ou “ A f.e.m. induzida num circuito é igual ao quociente da variação do fluxo magnético pelo intervalo de tempo decorrido. em _ - 1 volt(V) _ 2 t t 2 t1 O sinal negativo deve-se a lei de LENZ. Naturalmente, quando se considerar um intervalo de tempo tendendo a zero (Δt → 0), será obtida a femi instantânea (e) 6.4 - Obtenção de uma f.e.m. induzida constante Imaginemos um condutor retilíneo de comprimento L, atravessando uma região com velocidade v, onde atua um campo magnético B, orientado para dentro da folha conforme a figura abaixo. Como se trata de um condutor metálico, ele possui elétrons livres, os quais se deslocam com a mesma velocidade do condutor. Esses elétrons ficam submetidos a uma força magnética que provoca o acúmulo de cargas negativas em uma das extremidades do condutor e falta de cargas negativas na outra extremidade. À medida que as cargas elétricas vão se separando no interior do condutor vai se estabelecendo um campo elétrico, até que os elétrons ficam em equilíbrio, quando as forças elétricas e magnéticas assumem o mesmo módulo. Como resultada da separação surge entre os extremos do condutor uma tensão e, chamada fem induzida (femi). A f.e.m. induzida entre os terminais de um condutor que se desloca num campo e dada por: U1 = tensão alternada gerada pela fonte (gerador) e recebida pelo consumidor que deseja transforma-la. U2 = tensão alternada obtida e que será utilizada pelo consumidor. A corrente alternada que alimenta o primário produz no núcleo do transformador um fluxo magnético alternado. Grande parte deste fluxo (há pequena perda) atravessa o enrolamento secundário, induzindo aí a tensão alternada U2. Chamando de N1 e N2 o número de espiras dos enrolamentos primário e secundário e admitindo que não há perdas, transformador ideal, as tensões de entrada e de saída são proporcionais ao número de espiras de cada uma das bobinas, ou seja: N1 U1 i2 = = N2 U2 i1 Isto decorre porque, num transformador ideal, a potência no primário é igual à potência no secundário (P1 = P2). 8. CORRENTES DE FOUCAULT Circulam em condutores maciços, uma vez que nestes existem muitos percursos fechados e forças eletromotrizes induzidas fazem circular, no interior dos mesmos correntes induzidas, produzindo aquecimento.; são nocivas, pois provocam gastos de energia na forma de calor. Os núcleos dos transformadores são formados de percas laminadas justapostas para evitar formação dessas correntes. As correntes de Foucault são utilizadas na a construção de fornos de indução, para fundir peças metálicas, e nos velocímetros de carros.