corrente elétrica, esta girava, tendendo a se orientar em uma direção perpendicular ao fio, conforme ilustrado na figura 3.

Transcrição

1 ÍMAS, BÚSSOLAS E FIOS PARTE 1 CONTEÚDOS Magnetismo Linhas de indução magnética Campo magnético Força magnética AMPLIANDO SEUS CONHECIMENTOS Até 1820 pensava-se que fenômenos elétricos e fenômenos magnéticos não possuíam nenhuma relação. Os experimentos do físico e químico dinamarquês Hans Christian Oersted mostraram que a eletricidade e o magnetismo são aspectos diferentes de um mesmo fenômemo, denominado Eletromagnetismo. Segundo os historiadores da Ciência, Oersted percebeu que, ao se colocar uma Figura 1 Hans Christian Oersted bússola perto de um fio que conduzia uma Fonte: Nicku/Shutterstock.com corrente elétrica, esta girava, tendendo a se orientar em uma direção perpendicular ao fio, conforme ilustrado na figura 3. Figura 2 Bússola próxima a um circuito elétrico aberto (sem a presença da corrente elétrica) Fonte: Fundação Bradesco Figura 3 Bússola próxima a um circuito elétrico fechado (com a presença da corrente elétrica) Fonte: Fundação Bradesco Conhecemos em capítulos anteriores deste material didático, os campos gravitacional e elétrico. Com a utilização da bússola, descobriu-se que ela se alinhava na direção

2 norte-sul porque nosso planeta possui as propriedades de um imã. Isso indicava que a Terra possuiria, ao seu redor, campo magnético. Todos aqueles que já tiveram a oportunidade de aproximar dois ímãs, um do outro, perceberam que dependendo dos dois lados que são aproximados, ocorre uma atração ou repulsão entre estes. Ou seja, quando aproximados um ímã do outro, eles podem tanto atraírem-se quanto repelirem-se. ATRAÇÃO REPULSÃO Figura 4 Dois ímãs podem ser atrair ou se repelir Fonte: Fundação Bradesco Esse fato de os ímãs se atraírem ou se repelirem indica a existência de polos magnéticos denominados polo norte e polo sul. A atração ocorre quando se aproximam os polos diferentes e a repulsão ocorre na aproximação de dois polos iguais. ATRAÇÃO N S N S REPULSÃO N S S N Figura 5 Nos ímãs, os polos opostos se atraem e os polos iguais se repelem Fonte: Fundação Bradesco

3 Pesquisa Já que estamos falando em Magnetismo, você sabe por que alguns materiais são atraídos pelos imãs e outros não? A explicação tem a ver com os chamados domínios magnéticos. Dentro do átomo, os elétrons podem se orientar de diversas maneiras. Os domínios magnéticos são regiões localizadas no interior do átomo, onde um determinado número de elétrons se orienta num mesmo sentido. O planeta Terra é um grande ímã. Seria interessante que você pesquisasse sobre o campo magnético terrestre. Você, com esta pesquisa, vai descobrir as diferenças entre pólos norte e sul magnéticos e pólos norte e sul geográficos. Espalhando-se limalha de ferro ao redor de um imã, observa-se que nessa configuração as linhas formadas pela limalha de ferro obedecem à orientação do campo magnético (figura 5). Essas linhas são denominadas linhas de indução magnética (figura 6). N S N S Figura 6 Limalha de ferro espalhada ao redor de um ímã Fonte: Imagedb.com/Shutterstock.com Figura 7 Linhas de indução magnética ao redor de um ímã Fonte: Fundação Bradesco Na figura 6, observe que as linhas de indução magnética vão do polo norte para o polo sul. Mas será que assim como o campo gravitacional e o campo elétrico existe uma expressão que possibilite a medida do valor do campo magnético num determinado ponto ou região do espaço? Vimos em capítulos anteriores que para a determinação de grandezas associadas ao campo gravitacional e ao campo elétrico fizemos uso das expressões: P = m.g F = q.e

4 Vimos que por meio de suas experiências, Oersted descobriu que a corrente elétrica em um fio condutor está associada ao campo magnético existente ao redor desse fio, o que provocou o movimento giratório da agulha de uma bússola. Ou seja, uma corrente elétrica produz efeitos magnéticos. O que ocorre é que a corrente elétrica cria no espaço ao seu redor, uma região que foi denominada campo magnético. E nessa situação, assim como no caso do campo elétrico, podemos estudar a forma como este campo se distribui em torno do fio por meio da análise das linhas de indução magnética. Figura 8 Linhas de indução magnética ao redor de fio condutor Fonte: Fundação Bradesco Vimos também que, ao colocarmos um objeto de massa m a uma certa altura, ele será atraído para o centro da Terra porque existe uma força de atração denominada força de atração gravitacional. Estudamos ainda que ao colocarmos uma carga q numa região onde existe um campo elétrico, essa carga fica sob a ação de uma força denominada força elétrica. Da mesma maneira se uma carga q for lançada em uma região onde existe um campo magnético, ela vai sofrer a ação de uma força denominada força magnética. A força magnética (F), o campo magnético (B), a carga q e sua velocidade v podem ser relacionadas através da expressão: F = B.q.v.sen θ

5 O ângulo θ corresponde ao ângulo formado entre a direção de lançamento da carga, com a velocidade v e a direção do campo magnético B. E se quiséssemos B = F q. v. senθ determinar o valor do campo magnético, a expressão anterior pode ser escrita como na forma ao lado. Observe na expressão anterior, a relação entre o campo magnético, a força, carga elétrica e velocidade. Dessa maneira, a unidade de medida do campo magnético levará em consideração as unidades de medidas dessas outras grandezas: o newton (N), o coulomb (C) e o m/s. Utilizando estas unidades de medidas, o campo magnético será dado em N/C.m/s. (newton por coulomb vezes metro por segundo). Essa unidade de medida é denominada tesla (T) em homenagem ao físico e inventor Nikola Tesla que forneceu grandes contribuições ao estudar os Figura 9 Nikola Tesla Fonte: NoPainNoGain/Shutterstock.com fenômenos ligados ao Eletromagnetismo. Exercícios resolvidos 1. Uma carga elétrica de 3 µc é lançada com velocidade de 200 m/s em uma região onde há um campo magnético com intensidade de 2 T. Determine a intensidade da força que atua na carga, considerando que ela seja lançada de acordo com as situações indicadas a seguir. a) As direções da velocidade da carga e do campo magnético são perpendiculares entre si. b) A direção da velocidade da carga é paralela à direção do campo magnético. c) A direção da velocidade da carga forma um ângulo de 60 o com a direção do campo magnético. Adote: sen 0 o = 0 sen 60 o 0,87 sen 90 o = 1 1µ =

6 Resolução a) Utilizando a expressão F = B.q.v.sen θ onde: B = 2 T q = 3 µc = C v = 200 m/s θ = 90 o (a direção da velocidade é perpendicular à direção do campo magnético) Teremos: F = B.q.v.sen θ F = 2x x200xsen 90 o F = x200x1 F = 1.200x10 6 Escrevendo o valor em notação científica ficamos com 1, F = 1, F = 1, F = 1, F = 0,0012 N b) Utilizando a expressão F = B.q.v.sen θ onde, B = 2 T q = 3 µc = C v = 200 m/s θ = 0 o (a direção da velocidade é paralela à direção do campo magnético) Teremos: F = B.q.v.sen θ F = 2x x 200xsen 0 o F = x200x0 F = 0 Nessa situação nenhuma força atua sobre a carga. c) Utilizando a expressão F = B.q.v.sen θ onde, B = 2 T q = 3 µc = C v = 200 m/s θ = 60 o Teremos: F = B.q.v.sen θ F = 2x x200xsen 60 o

7 F = x200x0,87 F = x174 F = 6x F = Escrevendo o valor em notação científica ficamos com 1, F = 1, F = 1, F = 1, F = 0, N 2. Em uma região do espaço, um campo magnético influencia uma carga elétrica que cruza perpendicularmente este campo com velocidade igual à velocidade da luz m/s. A carga elétrica tem valão de 1, C e a força de atração que surge tem valor de 1 N. Com estas informações, determine a intensidade do campo magnético. Resolução Utilizando a expressão F = B.q.v.sen θ onde: F = 1 N q = 1, C v = m/s = m/s θ = 90º (a direção da velocidade é perpendicular ao campo magnético) Teremos para o campo magnético: F = B.q.v.sen θ 1 = B.1, sen 90 o Lembrando que sen 90 o = 1, ficamos com: 1 = B.1, = B.4, = B.4, B = 1 4, B 0, Expressando o valor 0,21 em notação científica ficamos com 2, B 2, B 2, B 2, T

8 E para finalizar essa parte do nosso estudo, precisamos lembrar dois pontos importantes: 1. Campo magnético nos ímãs (figura 9) O campo magnético criado pelos ímãs, ainda que possa parecer estranho, também se deve às correntes elétricas existentes no seu interior ao nível atômico. Elas estão associadas aos movimentos dos elétrons no interior dos átomos. Apesar de estarem presentes em todos os materiais, nos ímãs o efeito global dessas correntes atômicas não é zero e corresponde a uma corrente sobre a sua superfície (GREF, 1998, p.71). 2. Campo magnético e corrente elétrica (figura 10) Se há a interação entre campo magnético e partículas portadoras de carga elétrica, há a interação entre campo magnético e um condutor percorrido por corrente elétrica, pois a corrente é constituída pelo movimento de portadores de carga elétrica (GASPAR, 2000, p. 195). Corrente elétrica Figura 10 - Campo magnético ao redor de um ímã. Fonte: Sujono /Shutterstock.com Figura 11 - Campo magnético ao redor de fio condutor Fonte: Fundação Bradesco

9 ATIVIDADES 1. Um conjunto de pequenas bússolas foi posicionado ao redor de um ímã. A configuração do posicionamento de cada bússola, mostrando como se distribui o campo magnético em torno do ímã é demonstrado na ilustração a seguir. A partir da configuração dessas informações, indique no ímã qual é o seu polo norte e seu polo sul. 2. Considere que uma carga elétrica de 8 μc seja lançada em uma região onde existe um campo magnético uniforme de 4 T. Sendo de 30º o ângulo formado entre v e B, qual será o valor da força magnética que atua sobre a carga, considerado que sua velocidade é de m/s? a) F = 0,0016 N b) F = 1, N c) F = 0,0032 N d) F = 3, N e) F = 1, N

10 3. (PUC) Um elétron num tubo de raios catódicos está se movendo paralelamente ao eixo do tubo com velocidade 10 7 m/s. Aplicando-se um campo de indução magnética de 2T, paralelo ao eixo do tubo, a força magnética que atua sobre o elétron é a) 3, N. b) nula. c) 1, N. d) 1, N. e) 3, N. 4. A ilustração a seguir, representa o movimento de uma carga q de valor C em movimento numa região do espaço onde existe um campo magnético uniforme. A carga ao ser lançada nesse campo magnético com velocidade de m/s fica sob a ação de uma força de 1 N. De acordo com as informações fornecidas, é correto afirmar que a intensidade do campo magnético vale aproximadamente B =? (Adote: sen 40 o 0,64.) 40 o a) 5, T. b) 0,8 T. c) 2, T. d) 1,3 T. e) 2, T.

11 5. Em um campo magnético de intensidade 10 2 T, uma partícula com carga q foi lançada com velocidade m/s em uma direção que forma um ângulo de 30 com a direção do campo magnético. Ela ficou sob ação de uma força de N. Qual o valor da carga q? (Adote: sen 30 o = 0,5.) 6. Uma força de 14,2 N atua sobre uma carga elétrica de 0,0002 C quando ela está em uma região onde existe um campo magnético de 0,05 T. Determine a velocidade dessa carga, supondo que o ângulo formado entre v e B seja de 45º. (Adote sen 45 o = 0,71.) a) m/s b) m/s c) m/s d) m/s e) m/s LEITURA COMPLEMENTAR Até que ponto podemos dividir um ímã sem que ele perca suas propriedades magnéticas? Essa pergunta pode ser respondida pela teoria dos domínios magnéticos. De acordo com essa teoria, cada átomo de um corpo é um pequeno imã (representado pelo símbolo ). Esses pequenos imãs recebem o nome de dipolo magnético. Devido à presença de outros dipolos, cada dipolo fica cercado por um campo magnético e procura alinharse com os dipolos vizinhos, formando grupos. Cada Domínio magnético um desses grupos forma um domínio magnético.

12 Em geral, cada domínio magnético tem seus dipolos orientados numa direção. Assim, a soma total dos vetores do campo magnético é nula e o corpo não apresenta propriedades magnéticas exteriores. Contudo se, por qualquer processo de magnetização, os domínios de uma substância forem alinhados num único sentido, a soma dos vetores de todos os domínios produzirá o Conjunto de domínios magnéticos vetor campo magnético do corpo, que se transformará, assim, num ímã. Isso explica porque, por mais que se divida um imã, ele continua sempre com as mesmas propriedades: à medida que o imã vai sendo dividido, novos pólos vão se formando, devido ao alinhamento dos dipolos. N S N S N S Conjunto de domínios magnéticos no mesmo sentido

13 Substâncias magnéticas e não-magnéticas Experimente aproximar um imã de um prego e depois de um pedaço de plástico. O que acontece? O ímã atrai o prego, mas não atrai o plástico. Pelo que vimos no item anterior, (...) imantar um corpo, significa alinhar seus dipolos ou orientar seus domínios. Porém, nem todas as substâncias permitem a orientação de seus dipolos magnéticos. Por esse motivo, as substâncias podem ser classificadas em duas categorias: as magnéticas - que permitem essa orientação como o ferro, o níquel, o aço, o cobalto, e as não-magnéticas que não permitem orientação de seus dipolos - como o plástico, a madeira, o chumbo, o alumínio etc. Vamos deixar isso mais claro, analisando os quadros que seguem: Sem a presença do ímã Na presença do ímã Não há atração Há atração S N (I) (II) (I) (II) Os dois pregos de ferro não se atraem, pois seus domínios magnéticos não estão alinhados. Assim, seu efeito magnético externo é nulo. A presença do ímã orienta os domínios do prego I. Este passa a funcionar como um ímã, atraindo o prego II, que também orienta seus domínios. Isso mostra que o ferro é uma substância magnética. Quadro I Orientação dos domínios magnéticos de um imã próximo a um prego Sem a presença do ímã Na presença do ímã Plástico Prego Plástico Prego S N O plástico e o prego não se atraem. Seus dipolos estão desalinhados e seu efeito magnético externo é nulo. A presença do ímã não consegue orientar os dipolos do plástico. Este não se imanta e não consegue atrair o prego. Isso mostra que o plástico é uma substância nãomagnética. Quadro II Orientação dos domínios magnéticos de um imã próximo a um objeto de plástico

14 Dependendo do comportamento de seus dipolos magnéticos, as substâncias podem ser ainda divididas em três grupos: Substâncias cujos dipolos se orientam facilmente sob a ação de um campo magnético externo, como o ferro, o cobalto, o níquel e as ligas desses materiais são chamadas de ferromagnéticas. Substâncias cujos dipolos se orientam muito fracamente sob a ação de um campo magnético externo recebem o nome de paramagnéticas. A esta categoria pertence a grande maioria das substâncias. Como exemplos podemos citar o óleo, o potássio, a platina, a madeira etc. Algumas substâncias apresentam um comportamento diferente. Quando submetidas a um campo magnético externo, seus dipolos se orientam em sentido contrário ao do vetor desse campo magnético externo. Isso faz com que elas sejam repelidas por um ímã. Essas substâncias, muito raras, são chamadas diamagnéticas. Exemplo: o bismuto. MORETTO, V. Física Hoje vol. 3. São Paulo: Ática, INDICAÇÕES Assista ao filme O grande truque que retrata a feroz competição entre dois mágicos no final do século XIX. Eles realizam truques que têm por trás alguns fenômenos eletromagnéticos. Um dos grandes destaques do filme é o físico Nikola Tesla, procurado pelos mágicos para auxiliá-los no truque mais importante do filme. REFERÊNCIAS ALVARENGA, B. Curso de Física. São Paulo: Scipione, v. 3. GASPAR, A. Física volume 3. São Paulo: Ática, HEWITT, P. Física conceitual. Porto Alegre: Bookman, IMAGEDB.COM/SHUTTERSTOCK.COM. Limalha de ferro espalhada ao redor de um ímã. Disponível em: < Acesso em: 11 ago h07min.

15 NICKU/SHUTTERSTOCK.COM. Hans Christian Oersted. Disponível em: < Acesso em: 11 ago h11min. NOPAINNOGAIN/SHUTTERSTOCK.COM. Nikola Tesla. Disponível em: < Acesso em: 12 ago h57min. PIETROCOLA, M. Física em contextos: pessoal, social e histórico: volume 3. São Paulo: FTD, SUJONO /SHUTTERSTOCK.COM. Campo magnético ao redor de um ímã. Disponível em: < Acesso em: 12 ago h57min GABARITO 1. A ilustração mostra que as agulhas das bússolas estão orientadas de forma que as linhas de indução magnética vão do polo direito para o polo esquerdo. Dessa maneira o polo norte do ímã é o polo da direita e o polo sul é o polo da esquerda. S N 2. Alternativa B Utilizando a expressão F = B.q.v.sen θ B = 4 T q = 8 μc = C v = m/s? θ = 30 o Teremos: F = B.q.v.sen θ F = 4x sen30 o F = 32x x0,5

16 F = 32x0, F = F = 1, F = 1, F = 1, N 3. Alternativa B Foi informado que a direção do movimento da carga é paralela à direção do campo magnético. Dessa maneira, o ângulo formado é θ = 0. Lembrando que sen 0 = 0, na expressão da força magnética teremos: F = B.q.v.sen θ F = B.q.v.sen 0 F = B.q.v.0 F = 0 Ou seja, independentemente dos valores de B, q, e v se a direção da velocidade e a direção do campo magnético forem paralelas (θ = 0), a força será nula. 4. Alternativa D Utilizando a expressão F = B.q.v.sen θ F = 1 N q = C v = m/s? θ = 40 o Teremos: F = B.q.v.sen θ 1 = Bx x xsen40 o 1 = B.12x x0,64 1 = Bx7, B = 7, B = 0, B = 0,13x10 B = 1,3 T

17 5. Utilizando a expressão F = B.q.v.sen θ F = N B = 10 2 T v = m/s = m/s θ = 30 o Teremos: F = B.q.v.sen θ, = 10 2.q sen 30 o = q.0, = q q = q = q = q = q = C A carga elétrica possui um valor de C. 6. Alternativa B Utilizando a expressão F = B.q.v.sen θ F = 14,2 N B = 0,05 T = T q = 0,0002 C= C θ = 45 o Teremos: F = B.q.v.sen θ, 14,2 = v.sen 45 o 14,2 = v.0,71 14,2 = 7, v 14,2 v = 7, v = A velocidade da carga é de m/s.