ALQUATI FÍSICA III - MAGNETISMO

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1 COLÉGIO TÉCICO IDUTRIAL Prof. MÁRIO ALQUATI FÍICA III - MAGETIMO Magnetsmo é a parte da físca que estuda os ímãs e os fenômenos produzdos pelos mesmos. Denomna-se ímã ou magneto a qualquer corpo capaz de atrar FERRO, COALTO, CERTA LIGA METÁLICA E ÓXIDO ALIO DE FERRO ( Fe 3 O 4 ). O óxdo salno de ferro é denomnado MAGETITA e é um ímã natural. Os ímãs utlzados no da a da são obtdos artfcalmente. PÓLO DE UM ÍMÃ ão as regões onde as propredades magnétcas têm o máxmo de ntensdade. Um ímã tem, pelo menos, dos pólos, eventualmente pode ter mas. Cada pólo corresponde a 1/12 do comprmento do ímã. Lnha eutra LIA EUTRA É a regão entre os pólos onde não há propredades magnétcas. L/12 L/12 L LEI QUALITATIVA QUE REGE A AÇÃO ETRE O PÓLO MAGÉTICO Da prátca, observou-se que os pólos de um ímã são de dos tpos e que os mesmos seguem a segunte le : s de mesma espéce se repelem e de espéces dferentes se atraem. ul orte Magnétco Geográfco PÓLO ORTE E PÓLO UL - O ÍMÃ TERRA (ordeste do Canadá) A partr da atração ou repulsão de um ímã por outro, pode--se entender por que as extremdades de uma agulha mantada (bússola) apontam para as proxmdades dos pólos geográfcos da Terra : 1) A Terra se comporta como um grande ímã. 2) O ponto da Terra que atra o pólo norte da agulha mantada é um pólo sul magnétco e está stuado próxmo ao norte geográfco ; consequentemente, o ponto da Terra que atra o pólo sul da agulha é um pólo norte magnétco, stuado próxmo ao sul geográfco. TEORIA DO ÍMÃ ELEMETARE ( DE WEER ) De acordo com esta teora, as substâncas magnetzáves seram consttuídas por um conjunto de ímãs elementares. ormalmente, estes ímãs se encontraram arrumados ao acaso, de modo que as ações mútuas entre os pólos mpedram qualquer manfestação magnétca externa. Imantar o corpo nada mas sera que ordenar os seus ímãs elementares num mesmo sentdo. Fatos expermentas a favor desta teora : 1) ão podemos separar os pólos de um ímã ; se dvdrmos um ímã ao meo, cada parte se comporta como um novo ímã. 2) ão se consegue aumentar a mantação de um corpo além de um certo lmte ( o máxmo ocorre quando todos os ímãs elementares estão alnhados ). Quando sto acontece dzemos que o ímã atngu o POTO DE ATURAÇÃO. 3) Um ímã perde suas propredades magnétcas quando submetdo a ações capazes de provocar uma desarrumação nos ímãs elementares, tas como vbrações e aquecmentos. IFLUÊCIA DA TEMPERATURA A MAGETIZAÇÃO Equador Geográfco Equador Magnétco Ao aquecermos um ímã, seus ímãs elementares, devdo ao aumento da agtação molecular, começam a sofrerem uma desordem perdendo completamente a magnetzação ao atngrem uma temperatura que é específca para cada substânca, denomnada POTO CURIE. ( Ferro = C ; íquel = C ; Magnetta = C ; Cobalto = C ) = orte ul Magnétco Geográfco (Costa da Antártca) +

2 PROCEO DE IMATAÇÃO Para mantar uma substânca magnetzável, devemos ordenar os seus ímãs elementares, o que pode ser obtdo de três maneras : 1) ATRITO - frcconando um pedaço de metal magnetzável com um ímã que é deslocado num únco sentdo, consegue-se ordenar os ímãs elementares, crando um novo ímã. Pode-se utlzar os dos pólos, atrtando um deles num sentdo e o outro em sentdo contráro. 2) IDUÇÃO - a smples presença de um ímã pode magnetzar, por nfluênca, um corpo stuado nas proxmdades. 3) ATRAVÉ DE UMA C.C. - enrola-se em torno do corpo um fo condutor solado e faz-se passar pelo fo uma corrente contínua. A mantação adqurda depende da natureza do corpo, da ntensdade da corrente elétrca, do número de espras do solenóde e do comprmento do solenóde. Obs. - Dá-se o nome de OLEÓIDE a qualquer fo condutor solado, enrolado em forma de uma hélce clíndrca. Quando a solenóde possu dversas camadas superpostas, como se fosse um carretel, ela é chamada de OIA. ÍMÃ PERMAETE E TEMPORÁRIO Dependendo da consttução um corpo pode manter por mas menos tempo a mantação adqurda. Assm, podemos ter: 1) ÍMÃ PERMAETE - são aqueles que, depos de mantados, contnuam com os ímãs elementares orentados, mesmo que não estejam mas sujetos a ação do campo magnétco. Ex.: objetos de AÇO ( lga de ferro com 0,5 a 2% de carbono). 2) ÍMÃ TEMPORÁRIO - são aqueles que dexam de funconar como ímãs quando não estão sob a ação de um campo magnétco, sto é, dstantes de um ímã, eles perdem a orentação de seus ímãs elementares. Ex. : objetos de ferro (ferro doce com 0 a 0,5% de carbono). ELETROÍMÃ É o sstema consttuído por um solenóde (ou bobna) com núcleo de ferro doce. Um eletroímã apresenta as seguntes vantagens sobre os ímãs permanentes: 1) ó exerce ação magnétca enquanto crcula corrente elétrca. 2) ua mantação pode ser aumentada ou dmnuída faclmente; basta aumentar ou dmnur a ntensdade da corrente elétrca. 3) A sua polardade pode ser nvertda; basta nverter o sentdo da corrente. Aplcações: motores, geradores, telefones, campanhas, gundastes, trens que andam sobre colchão de ar,.. CLAIFICAÇÃO DO MATERIAI QUATO A PROPRIEDADE MAGÉTICA 1) FERROMAGÉTICA - são substâncas que se mantam no mesmo sentdo de um campo magnétco, de forma bastante ntensa, portanto são fortemente atraídas pelos ímãs. Ex.: ferro, níquel, cobalto e certas lgas como o aço. 2) PARAMAGÉTICA - são substâncas que se mantam de forma pouco ntensa sob a ação de um campo magnétco, portanto sofrem uma fraca atração pelo ímãs. Ex.: alumíno, cromo, estanho, manganês, platna, ar, oxgêno líqudo. 3) DIAMAGÉTICA - são substâncas que enfraquecem um campo magnétco no qual são colocadas, sto é, que se mantam em sentdo contráro ao campo magnétco, portanto sofrem uma fraca repulsão pelo ímãs. Ex.: bsmuto, cobre, chumbo, ouro, prata, znco, mercúro e água.

3 CAMPO MAGÉTICO Da mesma forma que para as cargas elétrcas, prefere-se consderar que a força exercda por um pólo magnétco sobre o outro é exercda, não pelo pólo em s, mas pelo campo magnétco que ele cra. Podemos dzer que exste um campo magnétco em um ponto do espaço sempre que uma agulha mantada colocada neste ponto fque solctada por uma força de orgem magnétca. O campo magnétco é uma grandeza vetoral com as seguntes característcas : 1) MÓDULO - é a razão entre a força de orgem magnétca que age sobre uma massa = F magnétca solada norte (por convenção) e a massa magnétca. m 2) DIREÇÃO E ETIDO - serão os mesmos da força de orgem magnétca que atua sobre o pólo de prova solado. Obs. - por convenção o pólo de prova é ORTE. 3) UIDADE u ( ).I. = A.e / m (Ampère espra por metro) ou smplesmente, A/m (Ampère por metro). LIA DE FORÇA DO CAMPO MAGÉTICO É a lnha traçada de modo que em qualquer um de seus pontos seja tangente ao vetor ntensdade de campo magnétco no ponto consderado. Também podemos consderar a lnha de força do campo magnétco como sendo a trajetóra que segura um pólo magnétco ORTE, abandonado a ação do campo. Fazendo esta consderação estamos atrbundo um sentdo às lnhas de força : EXTERAMETE : sentdo que va do pólo norte para o sul. ITERAMETE : sentdo que va do pólo sul para o norte. Obs. - As lnhas de campo magnétco são lnhas fechadas que externamente vão do pólo norte para o sul e nternamente do sul para o norte enquanto as lnhas de força do campo elétrco são lnhas abertas que vão da carga postva para a negatva. CAMPO MAGÉTICO UIFORME Um campo elétrco é unforme se as suas lnhas de força são paralelas e gualmente espaçadas, sto é, se tem o mesmo valor em todos os pontos. Um campo magnétco é aproxmadamente unforme nos seguntes casos: 1) Entre os pólos de um ímã em ferradura (nos ímãs em ferradura, o pólo norte fca em frente ao pólo sul). 2) Entre dos pólos dferentes. 3) o nteror de um solenóde. 4) uma pequena regão do campo magnétco terrestre. IDUÇÃO MAGÉTICA O conceto de campo magnétco só pode ser usado, com rgor para o vácuo. o caso de meos materas, ele se mantam e modfcam a ntensdade do campo. Por esta razão, preferu-se defnr uma nova grandeza que recebeu o nome de IDUÇÃO MAGÉTICA, para caracterzar o campo magnétco. e colocarmos um materal de permeabldade magnétca µ numa regão do espaço, antes vaza, onde exsta um campo magnétco de ntensdade, a ndução magnétca será defnda pela equação :

4 = µ. 4 π µ ( permeabldade magnétca do meo ) µ = µ 0. µ R µ R ( permeabldade relatva ) µ R vácuo = µ R ar = 1,0 µ 0 ( permeabldade magnétca do vácuo ) µ 0 = 4 π.10-7 T.m / A u ( ).I. = T (Tesla) LIA DE IDUÇÃO O conceto de lnha de força de um campo magnétco só se aplca ao vácuo. Quando tvermos um meo materal, o conceto de lnha de força é substtuído pelo conceto de lnha de ndução que é, em cada um dos seus pontos, tangente ao vetor. a prátca se utlza o termo lnha de força tanto para as lnhas de força do campo magnétco como para as lnhas de ndução. FLUXO DE IDUÇÃO MAGÉTICA O fluxo de ndução magnétca é defndo como sendo o produto da ndução magnétca pela área atravessada e o coseno do ângulo formado entre o vetor ndução magnétca e a normal a superfíce consderada. φ =.. cos θ u (φ ).I. = T. m 2 = Wb (Weber) θ ormal * FLUXO MÁXIMO - quando o vetor é perpendcular à superfíce : θ = 0 0 e cos 0 0 = 1, então : φ =. * FLUXO ULO - quando o vetor é paralelo à superfíce : θ = 90 0 e cos 90 0 = 0, então : φ = 0 CAMPO MAGÉTICO CRIADO POR UMA CORRETE ELÉTRICA Em 1819 o físco dnamarquês ans Oersted verfcou, expermentalmente, que as correntes elétrcas cram ao seu redor campos magnétcos, ncando um novo ramo na Físca, o ELETROMAGETIMO. EXPERIÊCIA DE OERTED Oersted colocou um condutor horzontal paralelamente a uma bússola e fez passar uma corrente elétrca contínua pelo condutor. empre que passava corrente a agulha mantada se desvava de sua posção determnada pelo campo magnétco terrestre e fcava perpendcular ao condutor. REGRA DE AMPÈRE PARA PREVER O ETIDO DE DELOCAMETO DA AGULA IMATADA e um observador fcasse estenddo ao longo do condutor, de modo a receber a corrente elétrca pelos pés, ele vera o pólo norte da agulha mantada se desvar para a esquerda. págna 160 Dalton

5 um corte transversal, a representação sera : Obs. : o símbolo representa um fo perpendcular ao plano da folha, conduzndo uma corrente em dreção ao observador ; o símbolo representa a corrente penetrando per pendcularmente na folha, ou seja, se afastando do observador. CAMPO MAGÉTICO CRIADO POR UMA CORRETE ELÉTRICA RETILÍEA Consderando um fo condutor longo e retlíneo percorrdo por uma corrente elétrca de ntensdade verfca-se, emprcamente, que em torno do mesmo surge um campo magnétco cujas lnhas de campo são crcunferêncas concêntrcas de centro no exo do condutor, stuadas em planos perpendculares ao fo. Dreção: é sempre tangente às lnhas de campo magnétco. Vsta em perspectva entdo : é obtdo pela Regra do polegar da mão dreta : egurando o condutor com a mão dreta, de modo que o polegar aponte no sentdo da corrente, os demas dedos ndcam o sentdo das lnhas de campo magnétco. Intensdade : calculada pela Le de ot-avart aplcada ao condutor retlíneo: Vsta superor = µ. 2 π d onde d é a dstânca do fo ao ponto consderado. CAMPO MAGÉTICO O CETRO DE UMA EPIRA CIRCULAR Consderando uma espra de forma crcular, de rao R, percorrda por uma corrente de ntensdade. O vetor campo magnétco, no centro da espra, terá: Dreção : perpendcular ao plano da espra. entdo : dado pela regra da mão dreta. Intensdade : calculada pela Le de ot-avart aplcada a espra : Observações : 1) o caso de uma bobna chata ( espras guas justapostas ) : 2) O campo magnétco gerado por uma espra crcular é análogo ao de um ímã, podendo se atrbur um pólo norte e um pólo sul : Lnhas de campo magnétco = µ. 2 R =. µ. 2 R R CAMPO MAGÉTICO O ITERIOR DE UM OLEÓIDE Quando o solenóde é percorrdo por uma corrente elétrca, surge em seu nteror um campo magnétco pratcamente unforme, de dreção concdente com o exo geométrco. Externamente, o campo magnétco é ntenso somente junto às extremdades do solenóde. A extremdade por onde saem as lnhas de ndução magnétca é o pólo norte do solenóde; o pólo sul é a outra extremdade, por onde entram as lnhas de ndução. ul orte

6 o nteror do solenóde, o vetor ndução magnétca tem as característcas : Dreção : concde com o exo geométrco do solenóde. entdo : determnado através da regra da mão dreta. Intensdade : calculada pela fórmula de opknson : =. µ. L onde: L = comprmento do solenóde n/l = densdade lnear de espras CAMPO MAGÉTICO TERRETRE * os últmos 150 anos a ntensdade do campo cau de 10% a 15%, se acelerando recentemente, levantando a possbldade de nversão da força magnétca que envolve o planeta. Durante uma nversão, o campo magnétco prncpal se enfraquece, chegando quase a desaparecer, e então reaparece com polardade oposta. A últma nversão magnétca ocorreu há 780 ml anos. Mesmo que uma nversão total esteja em curso, ela deverá demorar centenas ou mlhares de anos para se completar. * Em escala planetára o campo magnétco terrestre forma um escudo que protege a Terra dos ventos solares e suas partículas mortas. * A chamada magnetosfera se estende por cerca de 60 ml qulômetros acma da superfíce terrestre na dreção voltada para o ol. A parte oposta é anda mas longa, formando uma cauda semelhante a de um cometa. * O colapso do campo magnétco podera enfraquecer esse escudo e dexar penetrar a radação solar na atmosfera terrestre. As tempestades solares golpearam a atmosfera com radação sufcente para destrur quantdades sgnfcatvas de ozôno que protege a Terra dos nocvos raos ultravoletas. A radação ultravoleta emtda pelo ol pode destrur formas de vda, arrasar os campos de cultvo, aumentar as ncdêncas de câncer, prncpalmente de pele, e produzr cataratas em humanos e anmas (ovelhas da Patagôna). Altos níves de radação ultravoleta se espalharam dos pólos até o equador. * Outra conseqüênca da nversão polar sera nas rotas mgratóras de alguns anmas como por exemplo as tartarugas marnhas, salmões, baleas, abelhas, pombos e outras espéces mgratóras que dependem da constânca do campo magnétco para orentar os seus sstemas de navegação. * O campo magnétco se orgna nas profundezas da Terra quando o núcleo líqudo do planeta escoa lentamente com correntes quentes de ferro derretdo. Essa energa mecânca é transformada em eletromagnetsmo. O processo é conhecdo como geodínamo e é o mesmo prncípo que transforma energa mecânca em elétrca, nos automóves. * nguém sabe exatamente por que o campo magnétco se nverte perodcamente, mas há suspetas que seja pela mudanças que ocorrem no turbulento fluxo de ferro derretdo (magma), no nteror da Terra. * Estudando a lava encontrada no fundo dos oceanos, onde pequenas partículas de magnetta se orentaram de acordo com o campo magnétca na época que estavam no estado líqudo, os centstas concluíram que a nversão do campo leva de 5 ml a 7 ml anos para se concretzar e ocorre a cerca de cada meo mlhão de anos, mas muto ao acaso e com padrões caótcos, pos durante a época dos dnossauros, fcou aproxmadamente 35 mlhões de anos sem alterações. * Um estudo feto pelo Geologcal urvey of Canada, através de cartas náutcas, mostra, a partr de 1600, a mudança de posção do pólo orte nos últmos 400 anos e projeta que para 2050, o pólo orte poderá estar localzado nas proxmdades da costa da Rússa, tendo atravessado o pólo orte Geográfco.