FACULDADE PITÁGORAS MAGNETISMO E ELETROMAGNETISMO

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1 FACULDADE PITÁGORAS MAGNETISMO E ELETROMAGNETISMO Prof. Ms. Carlos José Giudice dos Santos carlos@oficinadapesquisa.com.br

2 UNIDADE III Magnetismo Características dos imãs (polos) Campo magnético terrestre Eletromagnetismo Campo magnético Movimento de cargas elétricas em um campo magnético Campo magnético em um condutor Lei de Biot-Savart, Lei de Lenz e Lei de Faraday Princípios de máquinas elétricas

3 MAGNETISMO A existência do magnetismo é conhecida há séculos. As primeiras evidências práticas do magnetismo ocorreram na Grécia antiga, em um local onde foram encontrados fragmentos de um minério (pedras) que possuíam a capacidade de atrair objetos de ferro. Sabe-se hoje que estas pedras são constituídas por um tipo especial de óxido de ferro e são os chamados imãs naturais ou permanentes. Por terem sido encontradas em uma região da Grécia antiga chamada de Magnésia, o minério desses imãs naturais é chamado de magnetita.

4 Características dos Imãs [1] O uso prático do magnetismo é conhecido pelos chineses desde o século XI. O mundo ocidental começou a utilizar o magnetismo de modo prático no início das grandes navegações e no século XVI, todos já tinham como certo que a Terra era um grande imã. Verificou-se que pedaços de ferro eram atraídos com mais intensidade em certas partes do imã, que foram denominadas de polos. Quando suspendemos um imã em forma de barra pelo seu centro, de modo que esse imã possa girar livremente, observa-se que esse imã sempre se alinha ao longo de uma mesma direção que, hoje sabemos, coincide com o campo magnético terrestre.

5 Características dos Imãs [2] Ilustração do campo magnético terrestre mostrando que o polo norte de uma bússola sempre aponta para o norte da Terra, onde se localiza o polo sul magnético.

6 Características dos Imãs [3] Ilustração elaborada pela NASA da proteção do campo magnético terrestre (magnetosfera) contra o vento solar (partículas carregadas eletricamente por ação do campo magnético do sol)

7 Características dos Imãs [4] Todo imã tem características que devemos saber: Os polos de um imã recebem a denominação de polo norte magnético e polo sul magnético. O polo norte de um imã é aquela extremidade que, quando o imã pode girar livremente, aponta para o norte geográfico da Terra. O polo norte geográfico da Terra coincide com o polo sul magnético da Terra. Assim, no caso de imãs, polos contrários se atraem (N- S ou S-N), e polos iguais se repelem (N-N ou S-S). Os polos de um imã são inseparáveis.

8 Características dos Imãs [5] O princípio da inseparabilidade dos polos nos diz que é impossível experimentalmente se obter um polo magnético isolado. Se quebramos a barra de um imã em duas, dois polos vão aparecer em cada uma das duas barras. Se continuarmos com esse processo, sempre vamos ter uma partícula portadora de dois polos. Assim, não existe um monopolo magnético, embora eles tenham sido previstos pelos físicos teóricos. A busca de um monopolo magnético em experiências com aceleradores de partículas, em sedimentos retirados do fundo dos oceanos e com rochas lunares até hoje de mostrou infrutífera. Em outras palavras, os polos magnéticos são inseparáveis na prática.

9 Características dos Imãs [6] Conforme vimos em ilustrações anteriores, a Terra funciona como um grande imã, e o campo magnético da Terra, denominado de magnetosfera, protege o nosso planeta contra a radiação de partículas carregadas eletricamente e que são provenientes do sol (vento solar). A intensidade destas partículas que vem do sol varia a cada 11 anos terrestres, e sem essa proteção do campo magnético terrestre, a vida na Terra correria um grande risco. Sem a proteção do campo magnético terrestre, todos os aparelhos eletrônicos queimariam. A magnetosfera se estende como um manto protetor a até Km da Terra, e o fenômeno conhecido como aurora boreal corresponde ao choque do vento solar com essa magnetosfera.

10 Características dos Imãs [6] Os imãs naturais são corpos de materiais ferromagnéticos. É importante destacar que, a rigor, não existe material magnético. A classificação a seguir mostra os diferentes tipos de material magnético: Materiais ferromagnéticos: são materiais que comumente são chamados de magnéticos, pelo fato de serem atraídos por imãs (ferro, níquel, cobalto e suas ligas). Materiais paramagnéticos: são aqueles atraídos por imã de maneira muito fraca (paládio, platina, sódio, potássio e algumas ligas raras do ferro).

11 Características dos Imãs [7] Materiais diamagnéticos: são materiais que são repelidos pelos imãs, qualquer que seja o polo aproximado do material. É um efeito muito fraco e confundido erroneamente com material não magnético, sendo característico de todo o tipo de matéria que não se encaixe nas outras categorias, mas de forma praticamente imperceptível. Os metais diamagnéticos mais comuns são a prata e o bismuto. Materiais ferrimagnéticos: são aqueles que permitem receber uma forma especial de magnetização, projetada para a constituição de aparelhos eletrônicos específicos. É o caso do manganês e da ferrita (substância criada a partir de óxido de níquel, cobalto e de zinco). Esses materiais são também conhecidos antiferromagnéticos.

12 Eletromagnetismo [1] O estudo do magnetismo se desenvolveu totalmente separado do estudo da eletricidade até o início do século XIX, ou seja, até essa época o magnetismo e a eletricidade eram dois fenômenos isolados estudados pela Física. Entretanto, algo notável aconteceu no início do século XIX, e esse fato foi observado por um físico dinamarquês chamado Hans Christian Oersted. Durante uma de suas aulas, Oersted descobriu que uma agulha magnética (de uma bússola) é desviada quando colocada nas proximidades de um fio que conduz uma corrente elétrica. Desde então, o magnetismo e a eletricidade passaram a ser estudados como dois fenômenos relacionados entre si.

13 Eletromagnetismo [2] Como resultado do fenômeno observado por Oersted, ficou estabelecido o princípio básico de todos os fenômenos magnéticos, assim enunciado: Quando duas cargas elétricas estão em movimento, aparece entre elas, além da força eletrostática, uma outra força, denominada força magnética. Isso significa dizer que se as cargas estiverem em repouso, entre elas haverá apenas a força eletrostática. Assim, se tivermos um fio conduzindo corrente elétrica, e aproximarmos uma bússola deste fio, a agulha será desviada, apontando para o fio que conduz a corrente elétrica.

14 Eletromagnetismo [3] Experiência de Oersted demonstrando como cargas elétricas em movimento ao longo de um fio produzem um campo magnético que altera a posição de uma agulha imantada.

15 Campo Magnético [1]

16 Campo Magnético [2] Imagens de campos magnéticos criados por imãs (à esquerda) e por uma corrente elétrica (à direita).

17 Campo Magnético [3] Imagens de campos magnéticos criados por fios retos (à esquerda) e espiras (à direita)

18 Campo Magnético [4]

19 Campo Magnético [5]

20 Campo Magnético [6]

21 Exercício de Fixação [1]

22 Exercício de Fixação [2]

23 Campo magnético em um condutor retilíneo [1] Se considerarmos um condutor retilíneo bem comprido, percorrido por uma corrente elétrica, em torno deste condutor será criado um campo magnético circular (conforme figura 1 abaixo). O sentido desse campo magnético pode ser determinado pela regra de Ampère (conforme figura 2). Figura 1: Campo magnético em torno de um fio condutor. Figura 2: Regra de Ampère para descobrir o sentido do campo magnético em função da direção da corrente elétrica que percorre um fio condutor.

24 Campo magnético em um condutor retilíneo [2] A partir de experiências realizadas por físicos, verificou-se que quando temos um condutor retilíneo por onde passa uma corrente em um campo magnético, sobre esse condutor será exercido uma força. Considere o circuito elétrico simples mostrado abaixo: Lembrando da regra do tapa com a mão direita, o polegar representa o sentido da corrente elétrica nesse circuito, os quatro dedos representam o sentido do campo magnético e a palma da mão nos dá o sentido da força exercida sobre o fio.

25 Campo magnético em um condutor retilíneo [3] Para podermos entender, considere o desenho seguinte: Na figura, os x representam as linhas do campo magnético entrando nessa superfície. Então colocamos um condutor retilíneo com uma corrente elétrica i no sentido mostrado na figura. Sobre esse condutor, será exercida uma força F. Qual a direção e o sentido dessa força? Usando a regra do tapa com a mão direita, veremos que sobre esse condutor será exercida uma força no sentido horizontal, na direção esquerda.

26 Exercício de fixação 1 A partir da imagem abaixo, mostre a direção e o sentido da força exercida sobre o fio condutor.

27 Exercício de fixação 2 A partir da imagem abaixo, mostre a direção e o sentido da força exercida sobre o fio condutor. Considere os pontos como linhas de indução magnética saindo da superfície.

28 Exercício de fixação 3 A partir da imagem abaixo, mostre a direção e o sentido da força exercida sobre o fio condutor. Considere o ponto no círculo como o sentido da corrente na seção do fio condutor.

29 Cálculo da força sobre o condutor Os exemplos anteriores mostram o fio condutor em uma posição perpendicular ao campo magnético. Caso o campo magnético faça um ângulo com o fio condutor, a força exercida sobre o fio será: =... Onde: F = força, medida em N B = vetor campo magnético, medido em T i = intensidade da corrente elétrica, em A L = comprimento do fio, em metros = ângulo entre campo e corrente

30 Exercício de fixação 4 A partir da imagem abaixo, calcule o módulo, direção e sentido da força exercida sobre o fio condutor. Considere: B = 1 T i = 1 A L = 0,5 m = 45º sen = 2/2

31 Aplicações desse princípio A principal aplicação da força magnética induzida em um fio condutor decorrente da interação entre a corrente elétrica que percorre o fio e do campo magnético que atua sobre o fio são os motores elétricos, em especial, os motores de corrente contínua.

32 Aplicações desse princípio