Volume 7 magnetismo. Capítulo 42 Magnetismo e Campos Magnéticos

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1 Volume 7 magnetismo Vídeo 42.1 Vídeo 42.2 Vídeo 42.3 Vídeo 42.4 Vídeo 42.5 Vídeo 42.6 Capítulo 42 Magnetismo e Campos Magnéticos Atração/repulsão magnéticas com dois bastões imantados. A magnetita é uma rocha composta de um mineral que possui magnetização natural. Aproximando um ímã da magnetita esta se comporta como se fosse outro ímã, mostrando atração entre polos diferentes e repulsão entre polos iguais. Sabemos que uma bússola aponta para o norte magnético. Mas o polo magnético, na verdade, está bem abaixo da superfície da Terra. É possível utilizar a bússola como sonda para determinar a orientação das linhas de campo magnético da Terra: Sonda magnética. (Inclui animação.) Visualização das linhas de campo magnético em barras imantadas colocadas sobre uma placa de vidro, com o auxílio de limalha de ferro: Campos magnéticos de barras imantadas. Ao se quebrar uma barra imantada, o que ocorre com respeito à magnetização das partes? Confira! Ímã partido. Pequenos ímãs flutuantes repelem-se uns aos outros e buscam uma configuração de equilíbrio de energia mínima. Confira, vendo o que ocorre em arranjos com 1, 2, 3, 4, 5 e 6 ímãs!

2 Vídeo 43.1 Vídeo 43.2 Vídeo 43.3 Vídeo 43.4 Vídeo 43.5 Vídeo 43.6 Vídeo 43.7 Vídeo 43.8 Capítulo 43 Campos Magnéticos de Correntes Um condutor percorrido por corrente contínua produz um campo magnético cujas linhas de fluxo são orientadas segundo a regra da mão direita, na qual o polegar indica o sentido da corrente. Um fio reto no qual circula corrente contínua dá origem a um campo magnético perpendicular ao fio. Este campo provoca um movimento angular de uma barra imantada colocada sobre um suporte giratório em torno do eixo de rotação: Agulha de Oersted. Visualização de campos magnéticos em torno de vários fios percorridos por correntes, em diferentes configurações, com auxílio de limalha de ferro. Um solenoide percorrido por corrente se comporta como ímã ao ser aproximado de uma barra imantada. Um núcleo de ferro colocado no solenoide reforça o efeito. Eletroímãs de grande porte são utilizados na movimentação de objetos metálicos pesados. Veja aqui o princípio de funcionamento. É possível construir um eletroímã capaz de suspender cargas razoáveis utilizando uma bobina imersa em uma armadura e uma tampa de ferro e alimentando a bobina com uma pilha comum: Eletroímã com pilha de 1,5 V. Confira! Note a importância da armadura! Fios percorridos por correntes se atraem ou se repelem de acordo com o sentido das correntes. Vejam os efeitos produzidos nessa demonstração com dois conjuntos de três condutores cada um. Uma espira percorrida por corrente produz um campo magnético resultante ao longo de um eixo perpendicular ao plano da espira, cuja orientação depende do sentido de percurso da corrente e cujo módulo é proporcional ao valor da corrente e inversamente proporcional à distância ao plano da espira: Lei de Biot-Savart. Essa lei é a base da magnetostática.

3 Vídeo 44.1 Vídeo 44.2 Vídeo 44.3 Vídeo 44.4 Vídeo 44.5 Vídeo 44.6 Vídeo 44.7 Vídeo 44.8 Vídeo 44.9 Vídeo Vídeo Capítulo 44 Propriedades Magnéticas da Matéria Magnetização por contato: Magnetização de um prego de ferro por atrito com a ponta de um ímã permanente esfregado no prego várias vezes, sempre na mesma direção. Modelo de domínios magnéticos do ferro e de outros materiais: Alinhamento/desalinhamento pela presença de um campo magnético externo. Magnetização de uma barra de ferro por meio de pulsos de corrente aplicados a uma bobina na qual a barra é mergulhada. Confira! Desmagnetização de uma barra de ferro ao ser submetida a choques mecânicos com um martelo. Efeito Barkhausen: Demonstração da existência de domínios magnéticos com auxílio de uma bobina enrolada em um núcleo de ferro doce e de uma barra imantada. (Inclui animação.) Alguns materiais são fortemente afetados por campos magnéticos. Será que esses materiais também afetam os campos magnéticos? Para investigar isso podemos usar um eletroímã e chapas de vários materiais (cobre, alumínio, ferro) colocados no espaço entre duas chapas de acrílico abaixo do eletroímã. Veja o que ocorre a pregos de ferro aproximados inicialmente da chapa de acrílico inferior quando se liga o eletroímã e se substituem as chapas: Blindagem magnética. Uma vareta metálica de Permalloy (tem esse nome devido à elevada permeabilidade a campos magnéticos). Quando a vareta está alinhada com o campo magnético da Terra uma plaquinha de ferro é atraída pela vareta. Girando a vareta de 90 graus a plaquinha cai. Veja na animação o que ocorre com as linhas de força magnética da Terra nas duas posições da vareta de Permalloy. Ao contrário do ferromagnetismo que é um efeito forte e que exerce forças elevadas, há dois outros tipos de magnetismo que produzem efeitos fracos e exercem forças pequenas: Paramagnetismo e diamagnetismo. Confira! As propriedades magnéticas de algumas substâncias se alteram consideravelmente em função de variações da temperatura. Um desses materiais é o disprósio (Dy), de número atômico 66, que se comporta como um ímã à temperatura do nitrogênio líquido e perde essa propriedade ao retornar à temperatura ambiente. Resfriado novamente em nitrogênio líquido recupera suas propriedades magnéticas: Disprósio em nitrogênio líquido. Moedas cunhadas em ligas de níquel e ferro, como a canadense mostrada nessa demonstração, têm propriedades magnéticas à temperatura ambiente. Aquecendo-as acima de sua temperatura crítica (temperatura de Curie), elas perdem suas propriedades magnéticas. Ao se resfriarem recuperam as propriedades magnéticas. Confira! Tostão de Curie. Nessa demonstração temos uma roda feita de uma liga de níquel e ferro inserida em um ímã em forma de ferradura. Ao aquecer a roda com o calor produzido por uma lâmpada incandescente, a roda se põe a girar quando a orientação do eixo da lâmpada é deslocada. Confira! Roda na temperatura de Curie.

4 Vídeo 45.1 Vídeo 45.2 Vídeo 45.3 Vídeo 45.4 Vídeo 45.5 Vídeo 45.6 Vídeo 45.7 Vídeo 45.8 Vídeo 45.9 Vídeo Capítulo 45 Forças Magnéticas em Correntes Um fio, no qual circula corrente ao ser imerso em um campo magnético, é submetido a uma força cujo sentido depende da orientação do campo magnético. Confira! Fio que salta. Uma moldura de alumínio com liberdade de girar livremente em torno de um eixo vertical é percorrida por corrente. Quando aproximamos um dos polos de um ímã, a moldura se desloca angularmente. O sentido de rotação depende de qual dos polos seja aproximado e do sentido da corrente na moldura móvel: Moldura de Ampère. Deflexão de feixe de elétrons em um tubo de raios catódicos sob a ação de um campo magnético produzido por um ímã em forma de ferradura. O sentido da deflexão, para cima, ou para baixo, depende da orientação dada ao ímã. Confira! Este tubo de vidro contém traços de gás hélio. Vamos lançar um feixe eletrônico a partir de um canhão de elétrons. Esse feixe aparecerá com um brilho azul devido à colisão com átomos de hélio. Podemos criar um campo magnético uniforme através do tubo com um par de bobinas em torno do feixe. A trajetória do feixe depende da orientação do tubo em relação ao campo magnético das bobinas e à intensidade do feixe de elétrons. Confira! Trajetória de um feixe de elétrons no interior de um tubo com traços de gás hélio. Quando a a borda inferior de um disco de alumínio, situado entre os polos de um ímã em forma de ferradura, entra em contato com um pequeno depósito de mercúrio, há uma interação entre a corrente no disco e o campo magnético do ímã produzindo o movimento angular do disco. O sentido de rotação depende do sentido da corrente: Roda de Barlow. Este prato de vidro contém uma solução de sulfato de cobre entre dois anéis de cobre. Um ímã no anel central cria um campo magnético que aponta para baixo. Passando uma corrente entre os anéis, a força magnética sobre os íons em movimento produz uma força lateral que gira a solução de sulfato de cobre, como evidenciado pelo deslocamento de partículas de cortiça flutuando na superfície. Invertendo o sentido da corrente, o movimento da solução se inverte. Invertendo o ímã, invertemos o giro. Retirando o ímã, o giro logo para: Motor iônico. (Inclui animação.) O filamento de uma lâmpada incandescente, pelo qual circula corrente, quando aproximado de um ímã permanente de intensidade conveniente é defletido segundo a orientação do ímã. Quando a corrente é alternada, o filamento oscila na frequência da fonte de alimentação: Força magnética em CA e em CC. Princípio de funcionamento de um galvanômetro de quadro móvel com bobina alimentada por uma bateria. Na ausência de corrente, uma mola espiral mantém o quadro móvel alinhado com o eixo das massas polares do ímã permanente. A deflexão angular é proporcional à corrente aplicada e o sentido de rotação depende da polaridade da pilha conectada em série ao circuito, por intermédio de um reostato: Medidor de d Arsonval (amperímetro analógico). Modelo ampliado de um motor de corrente contínua com ímãs permanentes: Motor CC. (Inclui animação.) Deflexão de elétrons no interior de uma chapa metálica na presença de um campo magnético. Um par de fios alimenta de corrente um pequeno paralelogramo segundo sua maior dimensão. Em um segundo par de fios ligado às superfícies relativas à menor dimensão obtém-se uma diferença de potencial produzida pela interação com o campo magnético de um ímã normal à superfície de maior dimensão: Sonda de efeito Hall. (Inclui animação.)

5 Vídeo 46.1 Vídeo 46.2 Vídeo 46.3 Vídeo 46.4 Vídeo 46.5 Vídeo 46.6 Vídeo 46.7 Vídeo 46.8 Vídeo 46.9 Vídeo Vídeo Vídeo Vídeo Capítulo 46 Indução Eletromagnética O movimento de um condutor no interior de um campo magnético produz uma corrente quando o circuito se completa. Veja o que ocorre com o sentido da corrente quando se inverte o sentido do movimento ou com a inversão do campo. Fio e ímã. Indução eletromagnética em bobinas com diferentes números de espiras (ou voltas) (40 espiras, 20 espiras, 10 espiras) e sob a ação de um campo magnético cuja orientação e velocidade de deslocamento se alteram. Observe o que ocorre quando se ligam as bobinas a um galvanômetro: Bobinas e ímã permanente. Corrente produzida pelo campo magnético da Terra em uma bobina ligada a um galvanômetro: Bobina e campo magnético terrestre. (Inclui animação.) Corrente produzida pelo campo magnético de um ímã permanente em um disco de alumínio que se desloca entre os polos do ímã em forma de ferradura: Disco de Faraday. Uma bobina que se movimenta em torno de um eixo vertical, quando mergulhada em um campo magnético e com seus terminais ligados a um galvanômetro, produz dois tipos de corrente dependendo da forma dos anéis que coletam a corrente. No caso de anéis contínuos, temos uma corrente alternada. Se, contudo, tivermos anéis seccionados, a corrente varia em intensidade, mas sempre no mesmo sentido: Gerador CA e CC. Duas espiras suspensas por braços de pêndulo e eletricamente interligadas em série se movem no entreferro de ímãs permanentes em forma de ferradura. Quando uma das espiras é posta em movimento, a outra também começa a oscilar. O sentido da oscilação depende da orientação das massas polares dos ímãs em ferradura. Quando a orientação do campo coincide, o sentido de oscilação é o mesmo. Invertendo um dos ímãs, a oscilação induzida ocorre no sentido oposto. Veja o que ocorre quando se provoca um curto-circuito nas extremidades das espiras! Pêndulos acoplados por corrente. Quando uma bobina oscila no entreferro de um ímã permanente em forma de ferradura, aparece em seus terminais uma tensão elétrica cuja magnitude depende da velocidade de oscilação. Se ligarmos esses terminais a uma lâmpada incandescente, o brilho da lâmpada será tanto maior quanto maior a velocidade de oscilação: Bobina imersa em um campo magnético e ligada à lâmpada incandescente. Considere uma bobina envolvendo um longo núcleo de ferro. Passando uma corrente alternada pela bobina é possível observar os efeitos dessa corrente sobre anéis metálicos colocados sobre o núcleo de ferro. Anéis inteiriços se deslocam para cima, enquanto anéis interrompidos não se movem. Se resfriarmos os anéis com nitrogênio líquido, o deslocamento é ainda maior, podendo até mesmo expulsar o anel: Anel voador de Thomson. Confira! Uma bobina, suspensa por um cordão, tem as extremidades das espiras curto-circuitadas. A bobina pode oscilar sob a influência de pequenas forças. Ao inserir um ímã em ferradura, a bobina se move no mesmo sentido da inserção. Se puxarmos a bobina para fora, o movimento da bobina se dá ainda no mesmo sentido da movimentação do ímã: Bobina de repulsão de Faraday. Duas bobinas não estão ligadas eletricamente, mas podemos usar a corrente de uma delas para induzir corrente na outra. Confira a importância de um núcleo de ferro! Duas bobinas isoladas eletricamente. (Este é o princípio de funcionamento dos transformadores de pulsos em sistemas de chaveamento.) A alta tensão do sistema de ignição de motores de combustão interna é produzida pela bobina de indução constituída de dois enrolamentos em um mesmo núcleo de ferro. A bobina primária contém poucas espiras de um fio relativamente grosso e a bobina secundária tem um número elevado de espiras que funciona como no transformador de pulsos descrito no Vídeo Confira! Bobina de indução. Uma bobina dotada de um núcleo de ferro que se estende para além da bobina pode ser alimentada por corrente alternada. Uma segunda bobina ligada a uma lâmpada incandescente ao ser baixada pelo núcleo acende e seu brilho é tanto maior quanto mais a segunda bobina se aproxima da primeira. Uma terceira bobina com um número menor de espiras ligada a uma lâmpada que precisa de uma corrente menor para acender. Abaixando essa terceira bobina a lâmpada se acende. Confira! Bobinas verticais. Considere duas bobinas enroladas em torno de um núcleo de ferro. Ligando os terminais de uma das bobinas (enrolamento primário) a uma fonte de alimentação de corrente alternada obtém-se uma tensão nos terminais da outra bobina (enrolamento secundário), cujo valor é proporcional à relação do número de espiras dos dois enrolamentos. Confira! Transformadores.

6 Vídeo 47.1 Vídeo 47.2 Vídeo 47.3 Capítulo 47 Correntes Parasitas O amortecimento da oscilação de um pêndulo depende da natureza e da temperatura do objeto na extremidade que passa pelo entreferro de um ímã permanente. Isso se deve, no caso de discos metálicos, à interação entre o campo induzido pelas correntes parasitas (correntes de Foucault) e o campo do ímã permanente. Confira os detalhes! Pêndulo com correntes parasitas. (Este é o princípio de sistemas de frenagem utilizados em diversas aplicações industriais.) Girando um disco de alumínio, um ímã permanente preso ao rolamento gira na mesma direção. Invertendo o sentido da rotação o ímã inverte também o sentido de sua rotação. Prendendo um elástico a uma das extremidades do ímã, o elástico é defletido proporcionalmente à rotação. Um método semelhante é utilizado em velocímetros automotivos. Confira! Disco de Arago. (Inclui animação.) Considere dois tubos cilíndricos de mesmo comprimento: um de vidro e um de alumínio. Considere agora dois cilindros metálicos de mesma massa: um pintado de branco e outro pintado de preto. O pintado de branco é um ímã poderoso, o outro não. Deixando cair simultaneamente o cilindro preto pelo tubo de alumínio e o cilindro branco pelo tubo de vidro, ambos chegarão embaixo ao mesmo tempo. Invertendo os cilindros de modo a fazer o cilindro branco cair pelo tubo de alumínio, as correntes de Foucault induzidas pelo movimento nas paredes do tubo de alumínio produzirão um campo magnético de frenagem reduzindo a aceleração de queda do ímã, fazendo com que este leve mais tempo para chegar ao final do tubo. Confira! Tubo com correntes parasitas. Vídeo 47.4 Você sabe como cortar uma lata de alumínio vazia em duas partes sem amassá-las? Veja nesta demonstração! Cortador de latas eletromagnético.

7 Vídeo 48.1 Capítulo 48 Histerese Visualização da curva de histerese (curva BxH) em circuitos magnéticos, com auxílio de um osciloscópio, usando como base de tempo um sinal senoidal: Curva de histerese. Vídeo 48.2 É possível ferver uma porção de água pelo calor produzido pelas perdas energéticas devidas à histerese. Confira! Geração de calor por efeito da histerese em circuitos magnéticos.