Unidade 3. Noções de Magnetismo e Eletromagnetismo. Objetivos da Unidade. Objetivos Conteúdos da da Unidade

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1 Unidade 3 Noções de Magnetismo e Eletromagnetismo Nesta terceira unidade, você estudará os conceitos básicos em relação ao magnetismo e eletromagnetismo. Objetivos da Unidade Definir campo magnético; Definir fluxo magnético; Entender os conceitos relacionados com eletromagnetismo; Conhecer a permeabilidade magnética dos materiais. Objetivos Conteúdos da da Unidade Campo magnético; Linhas de força magnética; Fluxo Magnético; Eletromagnetismo; Permeabilidade magnética; Exercícios propostos.

2 1 MAGNETISMO Os ímãs naturais, conhecidos como magnetita, foram descobertos na China, por volta de 2600 A.C, natural com propriedade de atração do ferro. O campo magnético produzido por um imã em forma de barra tem o aspecto da figura abaixo, onde se indicam os dois polos: NORTE e SUL. Figura 09: Campo magnético produzido por um imã Fonte: Quanto mais forte o imã, mais linhas de forças compõe o circuito fechado magnético. Além disso, é importante observar que as linhas de campo de indução magnética geradas por imã nascem no polo NORTE e morrem no polo SUL dos ímãs. O conceito de polo magnético é análogo ao da carga elétrica. Polos magnéticos (norte e sul) e cargas elétricas (positivas e negativas) de nomes contrários atraem-se, e os de mesmos nomes repelem-se. Assim, muitos dos elétrons dos átomos dos ímãs, girando ao redor de seus núcleos em direções determinadas e em torno de seus próprios eixos, produzem um efeito magnético em uma mesma direção. Resulta, então, na resultante magnética externa, a qual é conhecida como Campo Magnético, representado pelas Linhas de Campo. Devido ao campo magnético que percebemos os fenômenos magnéticos. O magnetismo tem importância fundamental em quase todos os equipamentos eletroeletrônicos mais usados na indústria, no comércio, nas residências e na pesquisa. Geradores de energia, motores elétricos, transformadores, disjuntores, equipamentos de telecomunicações, sistemas de iluminação, etc. Unidade 3 Noções de Magnetismo e Eletromagnetismo 55

3 1.1 Campo Magnético Campo Magnético é a região ao redor de um imã, na qual se observa um efeito magnético, o qual é percebido pela ação de uma Força Magnética de atração ou de repulsão. O campo magnético pode ser definido pela medida da força que o campo exerce sobre o movimento das partículas de carga, tal como um elétron. 1.2 Fluxo Magnético O fluxo magnético (Ø) é um conjunto de todas as linhas de campo que atingem perpendicularmente uma dada área, como mostra a figura 10. Figura 10: Linhas de campo magnético atravessando uma superfície plana Fonte: A unidade de Fluxo Magnético é o Weber (Wb) e, por ter uma dada orientação (direção e sentido), o fluxo magnético é uma grandeza vetorial. A densidade de Campo Magnético, também conhecida como Densidade de Fluxo Magnético ou simplesmente Campo Magnético, é uma grandeza vetorial representada pela letra B, cuja unidade é o Tesla (T), determinada pela relação entre o Fluxo Magnético φ e a área de uma dada superfície perpendicular à direção do fluxo magnético. Assim: Eletricidade Básica B = φ Onde: B Densidade de Campo Magnético ou Densidade de Fluxo Magnético, Tesla (T); φ Fluxo Magnético, Weber (Wb); A área da seção perpendicular ao fluxo magnético, m 2. A 56

4 EXEMPLO Um fluxo magnético de Wb atinge perpendicularmente uma superfície de 1cm 2. Determine a densidade de fluxo B. 1cm 2 = m 2. Substituindo na equação: Assim, a densidade de fluxo magnético é de T Considerações importantes: A direção do vetor Densidade de Campo Magnético B é sempre tangente às linhas de campo magnético em qualquer ponto; O sentido do vetor Densidade de Campo Magnético é sempre o mesmo das linhas de campo. 1.3 Permeabilidade Magnética Se diferentes materiais com as mesmas dimensões físicas são usados na proximidade de um ímã, a intensidade das linhas de campo magnético com que as linhas são concentradas varia. Esta variação se deve a uma grandeza associada aos materiais chamada Permeabilidade Magnética, μ. A permeabilidade magnética do vácuo, μo vale: μ o = 4. π.10-7 A propriedade de um material pela qual ele muda a indução de um campo magnético, em relação ao seu valor no vácuo, é chamada Permeabilidade Magnética Relativa (μ R ). A Permeabilidade Magnética Relativa (μ R ) é dada pela relação entre a permeabilidade de um dado material e a permeabilidade do vácuo: μ r = Onde: μ r Permeabilidade relativa de um material (adimensional). μ m Permeabilidade de um dado material. μ o Permeabilidade do vácuo. Unidade 3 Noções de Magnetismo e Eletromagnetismo 57

5 2 ELETROMAGNETISMO Em 1819, um professor e físico dinamarquês, chamado Hans Christian Oersted, observou que uma corrente elétrica era capaz de alterar a direção de uma agulha magnética de uma bússola. Figura 11: Experiência de Oersted Fonte: Quando havia corrente elétrica no fio, Oersted verificou que a agulha magnética movia-se, orientando-se numa direção perpendicular ao fio, evidenciando a presença de um campo magnético produzido pela corrente. Este campo originava uma força magnética capaz de mudar a orientação da bússola. Interrompendo- -se a corrente, a agulha retornava a sua posição inicial, ao longo da direção norte-sul. Observou-se, então, a existência de uma relação entre a Eletricidade e o Magnetismo. Chamamos de Campo Eletromagnético, ao campo magnético de origem elétrica. Todo condutor percorrido por corrente elétrica, cria em torno de si um campo eletromagnético. Eletricidade Básica 58 Além disso, os experimentos concluíram que, se uma corrente elétrica é capaz de gerar um campo magnético, então, o contrário é verdadeiro, ou seja, um campo magnético é capaz de gerar corrente elétrica. Considerações sobre os principais fenômenos eletromagnéticos que regem as aplicações tecnológicas do eletromagnetismo: I. Condutor percorrido por corrente elétrica produz campo magnético.

6 II. Campo magnético provoca ação de uma força magnética sobre um condutor percorrido por corrente elétrica. III. Fluxo Magnético variante sobre um condutor gera (induz) corrente elétrica. A Regra de Ampère, também chamada de Regra da Mão Direita, é usada para determinar o sentido das linhas do campo magnético, considerando o sentido convencional da corrente elétrica. Figura 12: Regra da mão direita Fonte: Com a mão direita envolvendo o condutor e o polegar apontando para o sentido convencional da corrente elétrica, os demais dedos indicam o sentido das linhas de campo que envolvem o condutor. 2.1 Força Magnetizante Magnetizante (H) é o campo magnético induzido (gerado) pela corrente elétrica na bobina, independentemente da permeabilidade magnética do material do núcleo (meio). Os vetores Densidade de Campo Magnético e Campo Magnético Indutor se relacionam pela equação: Onde: B é o vetor densidade do campo magnético. H é a Força Magnetizante (Campo Magnético Indutor). μ é a permeabilidade magnética. Unidade 3 Noções de Magnetismo e Eletromagnetismo 59

7 SÍNTESE DA UNIDADE Vimos que, quanto mais forte for o imã, mais linhas de forças compõe o circuito fechado magnético, além disso, é importante observar que as linhas de campo de indução magnética geradas por imã nascem no polo NORTE e morrem no polo SUL dos ímãs. Vimos também que o fluxo magnético (Ø) é um conjunto de todas as linhas de campo que atingem perpendicularmente uma dada área. Outro ponto de destaque é que, se diferentes materiais com as mesmas dimensões físicas são usados na proximidade de um ímã, a intensidade das linhas de campo magnético com que as linhas são concentradas varia. Esta variação se deve a uma grandeza associada aos materiais chamada Permeabilidade Magnética, μ. E, por último, vimos que, se uma corrente elétrica é capaz de gerar um campo magnético, então, o contrário é verdadeiro, ou seja, um campo magnético é capaz de gerar corrente elétrica. EXERCÍCIOS 1) (Cesgranrio-RJ) Aproxima-se uma barra imantada de uma pequena bilha de aço, observa-se que a bilha: Eletricidade Básica a) É atraída pelo polo norte e repelida pelo polo sul. b) É atraída pelo polo sul e repelida pelo polo norte. c) É atraída por qualquer dos polos. d) É repelida por qualquer dos polos. e) É repelida pela parte mediana da barra. 60

8 2) (PUC-RS) Três barra, PQ, RS e TU, são aparentemente idênticas. Verifica-se, experimentalmente, que P atrai S e repele T; Q repele U e atrai S. Então, é possível concluir que: a) PQ e TU são ímãs. b) PQ e RS são imãs. c) RS e TU são imãs. d) as três são imãs. e) somente PQ é imã. 3) O polo sul de um imã natural: a) Atrai o polo sul de outro ímã, desde que ele seja artificial. b) Repele o polo norte de um ímã também natural. c) Atrai o polo norte de todos os ímãs, sejam naturais ou artificiais. d) Atrai o polo sul de outro ímã, sejam naturais ou artificiais. e) Não interage com um eletroímã em nenhuma hipótese. 4) (UFSC) Uma bússola aponta aproximadamente para o Norte geográfico porque: I) O Norte geográfico é aproximadamente o norte magnético. II) O Norte geográfico é aproximadamente o sul magnético. III) O Sul geográfico é aproximadamente o norte magnético. IV) O sul geográfico é aproximadamente o sul magnético. Está(ão) correta(s): a) II e III. b) I e IV. c) somente II. d) somente III. e) somente IV. 5) Quando magnetizamos uma barra de ferro, estamos: a) Retirando elétrons da barra. b) Acrescentando elétrons à barra. c) Retirando ímãs elementares da barra. d) Acrescentando ímãs elementares da barra. e) Orientando os ímãs elementares da barra. Unidade 3 Noções de Magnetismo e Eletromagnetismo 61

9 6) Para ser atraído por um ímã, um parafuso precisa ser: a) Mais pesado que o ímã. b) Mais leve que o ímã. c) De latão e cobre. d) Imantado pela aproximação do ímã. e) Formado por uma liga de cobre e zinco. 7) (ITA-SP) Um pedaço de ferro é posto nas proximidades de um ímã, conforme o esquema abaixo. Qual é a única afirmação correta relativa à situação em apreço? a) É o imã que atrai o ferro. b) É o ferro que atrai o ímã. c) A atração do ferro pelo ímã é mais intensa do que a atração do ímã pelo ferro. d) A atração do ímã pelo ferro é mais intensa do que a atração do ferro pelo ímã. e) A atração do ferro pelo ímã é igual à atração do ímã pelo ferro. 8) (Cesgranrio-RJ) A bússola representada na figura repousa sobre a sua mesa de trabalho. O retângulo tracejado representa a posição em que você vai colocar um ímã, com os polos respectivos nas posições indicadas. Em presença do ímã, a agulha da bússola permanecerá como em: a) b) c) d) Eletricidade Básica e) Resposta: Letra b. 62

10 9) Quatro bússolas estão colocadas no tampo de uma mesa de madeira, nas posições ilustradas na figura. Elas se orientam conforme é mostrado, sob a ação do forte campo magnético de uma barra imantada, colocada em uma das cinco posições numeradas. O campo magnético terrestre é desprezível. A partir da orientação das bússolas, pode-se concluir que o ímã está na posição: a) 1. b) 2. c) 3. d) 4. e) 5. 10) Quando uma barra de ferro é magnetizada, são: a) Acrescentados elétrons à barra. b) Retirados elétrons da barra. c) Acrescentados ímãs elementares à barra. d) Retirados ímãs elementares da barra. e) Ordenados os ímãs elementares da barra. 11) Uma pequena bússola é colocada próxima de um ímã permanente. Em quais posições assinaladas na figura a extremidade norte da agulha apontará para o alto da página? a) Somente em A ou D. b) Somente em B ou C. c) Somente em A, B ou D. d) Somente em B, C ou D. e) Em A, B, C ou D. Unidade 3 Noções de Magnetismo e Eletromagnetismo 63

11 12) As linhas de indução de um campo magnético são: a) O lugar geométrico dos pontos, onde a intensidade do campo magnético é constante. b) As trajetórias descritas por cargas elétricas num campo magnético. c) Aquelas que em cada ponto tangenciam o vetor indução magnética, orientadas no seu sentido. d) Aquelas que partem do polo norte de um ímã e vão até o infinito. e) Nenhuma das anteriores é correta. Eletricidade Básica 64