Apostila de Física - Magnetismo e Eletromagnetismo - liceu.net

ELETROMAGNETISMO1- INTRODUÇÃOO eletromagnetismo é o ramo da física que estudaos fenômenos relacionados à atração de metais e imãs e arelação entre esses fenômenos e a eletricidade.A palavra magnetismo tem sua origem na GréciaAntiga, porque foi em Magnésia, antiga cidade grega, quese observou um minério com a propriedade de atrairobjetos de ferro. Tal minério ficou conhecido pormagnetita (Fe 3 O 4 ) que é considerado ímã natural. Um ímãnatural pode se desmagnetizar por vibrações (marteladas)ou por aquecimento. A temperatura em que o imã sedesmagnetiza é denominado ponto curie e vale cerca de585ºC. Atualmente se sabe que eletricidade e magnetismosão aspectos do mesmo fenômeno, o eletromagnetismo, noqual estudamos os fenômenos magnéticos originados porcorrentes elétricas e as suas conseqüências.2- ÍMÃS OU MAGNETOSSão corpos que atraem Ferro, Níquel, Cobalto eoutros materiais ferromagnéticos. Podem se apresentar emdiversas formas tais como barras cilíndricas, barrasprismáticas, ferraduras, anel circular, etc.meio um ímã em forma de barra, surgirão novos pólosnorte e sul em cada um de seus pedaços, constituindo cadaum deles um novo ímã. Prosseguindo a divisão, pode-sechegar em escala atômica. Uma explicação dessefenômeno foi proposta pelo cientista André-Marie Ampère(1775-1836). Ele supôs cada ímã constituído de pequenosímãs elementares; a soma dos efeitos de todos esses ímãselementares é que resultaria no ímã completo.Na teoria atual, dos domínios magnéticos –grupos de átomos – cada átomo de um corpo, é umpequeno ímã, que recebe o nome de dipolos magnéticos.3- CAMPO MAGNÉTICOCampo magnético é a região em volta de um ímãou de um condutor percorrido por corrente. O campomagnético é caracterizado em cada ponto pelo vetorindução magnética B , tangente as linhas de indução, edetectado por BÚSSOLAS.2.1– Propriedades dos Ímãsa) Tem propriedades de atrair ferro, cobalto, níquel emateriais ferromagnéticos. Limalhas de ferro aderem àsregiões extremas de um ímã, denominadas polos, que sóexistem aos pares.b) Quando suspensos pelo centro de gravidade, orientamse,aproximadamente, na direção norte-sul geográfica dolugar. A região do imã que se volta para o pólo nortegeográfico 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. Aexperiência mostra que: “polos de mesmo nome serepelem e de nomes contrários se atraem”. (Princípio daAtração e da Repulsão).a) Linhas de indução do campo magnéticoSão linhas imaginárias fechadas, tangentes aovetor campo magnético B e orientadas em seu sentido, quesaem do pólo Norte e entram no pólo Sul. Dão, portanto, adireção e o sentido do vetor campo B em cada ponto.Na região interna de um ímã em forma de U temos umcampo de indução magnética uniforme, ou seja, o vetor B é constante em todos os pontos do mesmo.3.1- INDUÇÃO MAGNÉTICA OU IMANTAÇÃOÉ o fenômeno da imantação de um corpo por meiode um ímã. Um corpo não imantado quando é colocado napresença de um ímã, o vetor indução magnético do campopor ele criado orienta os ímãs elementares ou os domíniosmagnéticos, imantando-o. Este corpo passará a apresentarpropriedades magnéticas porque nele há uma predominânciade ímãs elementares sobre os demais.d) É impossível separa os polos de um ímã - Princípio dainseparabilidade dos pólos de um ímã. Se secionarmos ao3.2- Ímãs permanentes e ímãs transitórios

ÍMÃS PERMANENTES– são aqueles que, depois deimantados, conservam suas propriedades magnéticas porlongo tempo mesmo na ausência de um campo magnético.Exemplo: materiais de aço.ÍMÃS TRANSITÓRIOS– são aquele que deixam defuncionar como ímãs, quando não estão sob a ação de umcampo magnético; eles perdem a orientação de seus ímãselementares. Exemplo: materiais de ferro doce (aquele quecontém o mínimo de impurezas) e aço não- temperado.NOTAS:1ª) ÍMÃS ARTIFICIAIS, são mais fortes que os ímãsnaturais; são usados para movimentação de cargas pesadas.2ª) Em geral, o simples contato de um corpo com um ímãnão 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 ocorresempre que conseguimos orientar seus ímãs elementares,outros métodos de imantação de menor importância podemser sugeridos, como, por exemplo, o martelamento de umcorpo de substância magnética que esteja alinhado com oeixo magnético da Terra. Este martelamento pode tambémser substituído por um leve aquecimento do corpo comidêntico resultado.4ª) Inversamente, se desalinharmos os ímãs elementaresde um material magnético, ele perderá grande parte desua imantação. Assim, os materiais magnéticos nãodevem ser aquecidos acima de determinada temperatura(denominada ponto de Curie), sob pena de perderem suaspropriedades magnéticas. O ponto de Curie é diferentepara cada substância magnética: o ferro se desmagnetizaa 770 ºC, o níquel a 358 ºC, a magnetita a 585 ºC e ocobalto a 1140 ºC.3.3- Campo Magnético da TerraA Terra se comporta como um enorme dipolomagnético. Tudo se passa como se no interior da Terrahouvesse um gigantesco ímã em forma de barra com umapequena inclinação em relação ao eixo de rotação da Terra.Este magnetismo se deve em parte aos materiaismagnéticos que constituem o solo terrestre, e em parte àscaracterísticas da ionosfera que, por ser eletrizada, aoacompanhar a rotação da Terra, gera um campo magnético.Os pólos magnéticos terrestres não são fixos; nosúltimos 2000 anos o pólo sul magnético descreveu umaespécie de “8” entre o pólo Norte Geográfico e o Canadá.Assim, por exemplo, em 1894, numa medição feita emLondres, o ângulo Φ mostrado na figura adiante era de 17º;atualmente é cerca de 11º.3.4 - CLASSIFICAÇÃO DAS SUBSTÂNCIASMAGNÉTICASQuanto a facilidade de imantação as substânciaspodem ser classificadas em:a) Ferromagnéticas – são aqueles cujos ímãs elementaresse orientam facilmente quando submetidas à ação de umcampo magnético. Possuem poderes de imantação.Exemplo: ferro, níquel, cobalto e algumas ligas metálicas.b) Paramagnéticas – são aquelas cujos ímãs elementaresnão se orientam facilmente sob a ação de um campomagnético. Possuem fraco poder de imantação. Exemplo:madeira, plástico, óleo, ar, oxigênio líquido e metais comoalumínio, cromo, manganês, paládio, platina, etc.c) Diamagnéticas – são aquelas cujos ímãs elementares seorientam em sentido contrário ao vetor induçãomagnética. Não possuem propriedades magnéticas, nãopodem ser imantadas e são repelidas por ímãs. Exemplos:ouro, prata, chumbo, mercúrio, zinco, bismuto, antimônio,água etc.3.5 - EXPERIÊNCIA DE OERSTED - Campo Magnéticocriado por correnteAté o começo do século XIX, não se conheciauma relação entre a Eletricidade e o Magnetismo. Atravésde experiências, verificou-se que cargas elétricas fixas nãointeragem de modo algum com os ímãs. Porém, comcargas em movimento – corrente elétrica – ocorrem váriasinterações elétricas.Uma corrente elétrica (cargas em movimento) criaao seu redor um campo magnético. Conclusão obtida apartir das experiências realizadas pelo físico dinamarquêsHans Christian Oersted –1820. O maior mérito dadescoberta de Oersted foi a demonstração de que osfenômenos elétricos e os magnéticos estão intimamenterelacionados. Na figura abaixo, tem-se um condutorpercorrido por corrente gerando um campo magnético emtorno de si, que faz desviar agulhas magnéticas colocadasna sua vizinhança.

3.6 - VETOR INDUÇÃO MAGNÉTICAA fim de se caracterizar a ação de um imã, emcada ponto do campo magnético associa-se um vetor,denominado vetor indução magnética B , que atende àsseguintes características.Sua direção é tangente à linha de indução que passa peloponto considerado.Seu sentido concorda com o sentido da linha de indução,na convenção dada.Seu módulo assume valor que, em geral, depende daposição do ponto.a) Unidade do vetor indução magnéticaNo SI, a unidade [B] = tesla(T).Outra unidade [B] = gauss (G)1 T = 10 4 Gb) CONVENÇÕESNo estudo do eletromagnetismo, usam-se asseguintes convenções para as representações de vetores:(Visão por trás) ⊗⊙ (visão pela frente)⊗: ENTRANDO - representa um fio, uma linha ou umvetor ( F m , 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 vetorperpendicular ao plano da figura, em posição de SAÍDA(aproximando-se do observador).c) Campo magnético uniformeÉ aquele cujo vetor indução B é constante, isto é,em todos os pontos B tem mesma direção, mesmo sentido emesmo módulo. As linhas de indução de um campomagnético uniforme são retas paralelas e igualmentedistribuídas.a) Características do Vetor Campo Magnético B , em PMódulo:μ0.iB (Lei de Biot e Savart)2π.RConstata-se experimentalmente que o módulo dovetor indução magnética B depende da intensidade dacorrente i no condutor, da distância R do ponto P aocondutor, e do meio que envolve. O meio é caracterizadomagneticamente por uma grandeza física escalardenominada permeabilidade magnética do meio (). Para ovácuo essa grandeza tem valor: = 4π.10 - 7 T.m/Aμ 0B: intensidade do campo em tesla (T),i: corrente elétrica em ampère (A);r: distância do ponto P ao condutor (m);b) Direção: tangente à linha de indução;c) Sentido: regra da mão direita nº 01Regra da mão direita nº 01:Colocando-se o polegar da mão direita sobre ofio, no sentido convencional da corrente elétrica, o sentidodas linhas de indução será o mesmo do movimento dosdedos ao envolver o fio.4.2- Campo magnético de uma espira circular (centro)B 4- CAMPOS MAGNÉTICOS DE CORRENTESELÉTRICAS4.1 Campo magnético de fio retilíneo longo.Quando o fio é atravessado pela corrente elétricasurge no espaço em torno dele um campo magnético capazde agir sobre uma agulha magnética. As linhas de campomagnético criadas por um condutor retilíneo percorridopor uma corrente i são círculos concêntricos eperpendiculares a ele. A orientação dessas linhas é dadapela “regra da mão direita”.

N = número de espiras no comprimento Ll = comprimento em metro (m),i = corrente em ampère (A)Corrente vista por dois observadores(Espiras no plano do papel)As linhas de campo entram por um lado e saempelo outro. O lado onde entram as linhas associa-se o póloSUL e o que sai ao NORTE.a) Características do vetor campo magnético no centro daespira:Módulo:μ0.iB 2.ROnde:μ 0 = permeabilidade magnético do meio interno à espira; i= intensidade da corrente; R = raio da espira (anelcircular).c) Direção: paralela ao eixo do solenóide.d) Sentido: do sul para o norte, determinada pela regra damão direita Nº 01,Envolva o solenóide com a mão direita de modoque a ponta dos dedos indique o sentido da corrente e opolegar indique o sentido de B . Também podemos disporo polegar no sentido da corrente e os demais dedos, pordentro do solenóide, indicando as linhas de indução saindoou entrando na extremidade considerada.b) Direção: perpendicular ao plano da espirac) Sentido: regra da mão direita Nº 01O sentido das linhas de indução pode serdeterminado, também, pela regra do parafuso ou, sendomais conveniente escrever uma letra N (Norte) ou S (Sul)acompanhando o sentido da corrente.4.3- Bobina Chata com n espiras:μ0.N.iB (centro)2.RSendo: N = número de espiras; i = intensidade de correntee R = raio.4.4- Campo de um solenóide reto (centro)Chama-se solenóide ou bobina longa a um fiocondutor enrolado em forma de espiras não justapostas.São aparelhos de larga aplicação industrial, comportam-secomo ímãs quando percorridos por correntes.O campo magnético produzido por um solenóide ésemelhante ao campo de um ímã em forma de barra. Nointerior do solenóide, o vetor indução magnética B éuniforme e tem as seguintes características:a) Módulo:μ0.N.iB Lb) Unidade de Medida(tesla, T)Onde: