Magnetismo

Vers. 1.0 2016/04/20
Biofísica
P8: Campo Magnético
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1. Objectivos
•
Observação de linhas de campos magnéticos gerados por materiais magnéticos
•
Identificação de materiais diamagnéticos e paramagnéticos
•
Observação de linhas de campos magnéticos gerados por correntes elétricas
2. Introdução
A direção e sentido de um campo magnético num ponto do espaço é definida pela
direção e sentido em que se orienta uma bússola sob a ação desse campo.
A intensidade do campo magnético nesse ponto é definida como o valor da força que
atua sobre uma carga unitária positiva que se move a uma velocidade de 1 m/s numa
direção perpendicular ao campo.
Uma substância que exibe um campos magnético intrínseco é designada de um íman.
Essa propriedade tem origem na própria estrutura da matéria.
Num átomo temos eletrões a circular a grande velocidade
em torno do núcleo. O
movimento organizado de partículas carregadas produz campos magnéticos.
Este fenómeno foi observado à escala macroscópica por Oersted em 1820. Quando
circula uma corrente elétrica num fio condutor recto a agulha de uma bússola orienta-se
segundo uma direção perpendicular ao fio.
No caso do átomo a intensidade da corrente de um eletrão será a carga do eletrão e a
dividir pelo período de rotação T em torno do núcleo:
i=
e
T
No mesmo ano de 1820 Biot e Savart conseguiram obter uma forma de calcular o campo
magnético em função da corrente elétrica que flui num fio com uma forma arbitrária. Em
particular no caso de um fio com forma circular de raio R (1 espira) o campo magnético B
gerado por uma intensidade elétrica i é dado por:
B=
µ 0i
2R
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em que µ é a constante diamagnética.
0
Com esta equação é possível estimar o campo magnético criado pelo movimento de um
eletrão em torno de um átomo. O valor é tipicamente da ordem de dezenas de Tesla!
Se tivermos em conta que o campo magnético terrestre é da ordem de 5x10-5 T, como é
que se explica que a maior parte das substâncias não apresentam um campo magnético
intrínseco macroscópico?
Na realidade a distribuição das direções de campo magnéticos presentes na matéria é
em geral aleatória de forma que a soma vetorial dos campos é muito pequena. No entanto,
essa soma pode tornar-se significativa se a substância estiver dentro de um campo
magnético. Os campos magnéticos atómicos orientam-se sob a ação de um campo
magnético externo. Se se orientam na mesma direção e sentido do campo externo diz-se
que exibem propriedades paramagnéticas e são atraídos pelo campo externo. No caso de
se orientarem na mesma direção mas no sentido contrario ao do campo externo diz-se que
exibem propriedades diamagnéticas são atuados por forças de repulsão.
3. Actividade experimental
3.1 Material necessário
1 fonte de tensão, pilhas 4,5 V, gerador de sinais, fios de ligação, crocodilos, multímetro,
placa de circuitos elétricos, ímanes, relé, bússolas, clipes, bobines, areia, limalha de ferro.
3.2 Procedimento experimental
3.2.1 Propriedades de matéria magnetizada permanentemente
- Aproxime dois ímanes e experimente interagir com os polos: Norte (N) e Sul (S). Registe
o tipo de força que experimentou: atrativa ou repulsiva.
- Identifique o polo Norte ou Sul de um íman elipsoide com a ajuda de uma bússola.
- Observe a direção das linhas de campo utilizando limalha de ferro. Há alguma
semelhança entre uma tira de limalha de ferro e uma bússula?
3.2.2 Propriedades de matéria magnetizada sob a ação de um campo
- Aproxime um clipe de um íman. Sente alguma força? É atrativa ou repulsiva? O clipe é
paramagnético ou diamagnético?
- Aproxime outro clipe do anterior e tente pendurar no anterior. O efeito é permanente?
- Apoie o cordão de clips sobre a bancada e observe a direção das linhas de campo
utilizando limalha de ferro. Como é que os clipes modificaram o campo?
- Tente repetir o procedimento anterior com um metal diferente do anterior (e.g. cobre). O
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que observa?
- Tente avaliar qualitativamente alguma força presente entre o novo metal e o íman.
Sempre que utilizar a limalha de ferro esboce as figuras das linhas de campo obtidas.
3.2.3 Bússolas
Coloque em sucessivas posições ao redor do íman várias bússolas e verifique a sua
orientação. Faça um esboço das orientações.
3.2.4 Produção de um campo magnético a partir de uma corrente elétrica
3.2.4.1 Fio condutor reto próximo de uma agulha
Pegue na bússola, aproxime um fio condutor e rode-a de modo a ficar alinhada com a
agulha. Faça uma ligação direta entre os dois polos da pilha de 4,5 V durante
aproximadamente 3 s (minimiza os efeitos destrutivos para a pilha ) e observe a agulha.
Registe a posição da agulha durante a passagem da corrente elétrica.
3.2.4.2 Fios condutores enrolados ao redor de uma bússola
Pegue na bússola com fios enrolados, rode-a de modo a ficar alinhada com a agulha.
Faça uma ligação direta entre os dois polos da pilha de 4,5 V durante aproximadamente 3
s e observe a agulha. Registe a posição da agulha durante a passagem da corrente
elétrica.
3.2.4.3 Bobine
Insira a bússola no interior da bobine e alinhe a agulha paralela à secção circular. Ligue
as pontas da bobine diretamente aos polos da pilha de 4,5 V durante aproximadamente 3
s e observe a orientação da agulha. Registe a posição da agulha durante a passagem da
corrente elétrica.
3.2.5 Funcionamento de uma relé
Com a ajuda do docente, faça passar uma corrente elétrica na bobine do relé. O que
acontece? Porquê? Como pode utilizar um relé? Descreva uma breve experiência em
biologia que possa envolver a utilização de um relé.
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