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