Eletromagnetismo: imãs, bobinas e campo magnético

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1 Eletromagnetismo: imãs, bobinas e campo magnético 22

2 Eletromagnetismo: imãs, bobinas e campo magnético 23 Linhas do campo magnético O mapeamento do campo magnético produzido por um imã, pode ser feito com o auxílio de uma bússola. Desenhando as diversas orientações que a bússola adquire ao redor de um imã em barra, você consegue montar uma espécie de mapa. Esse mapa consiste em uma série de linhas imaginárias ao redor do imã, denominadas linhas do campo magnético, as quais permitem visualizar o comportamento do campo do imã. As linhas do campo magnético são orientadas: elas nascem (emergem) no pólo norte magnético do imã, e morrem (convergem) no pólo sul magnético do imã. Assim, em cada ponto ao redor do imã, a direção e sentido do campo magnético (e a orientação de uma bússola colocada ali) são determinados pela linha de campo magnético que passa por esse ponto. No entanto, não são apenas imãs que criam um campo magnético ao seu redor. Um fio metálico com corrente elétrica também cria ao seu redor um campo magnético. Quando o fio é enrolado em torno de um núcleo qualquer (as vezes não precisa do núcleo), constitui o que chamamos de bobina. Existindo corrente elétrica na bobina, esta gera um campo magnético que tem um mapeamento semelhante ao de um imã em forma de barra. A descoberta do eletromagnetismo Foi o cientista dinamarquês Hans Christian Oersted ( ) quem primeiro comprovou experimentalmente o efeito magnético produzido por uma corrente elétrica. Em um experimento realizado em 1820, Oersted verificou que a posição da agulha de uma bússola podia ser alterada quando colocada próximo a um fio condutor, percorrido por uma corrente elétrica. Posicionando o fio paralelamente à agulha da bússola, Oersted verificou que a agulha mantinha sua orientação natural quando o fio não era atravessado por uma corrente elétrica. Ao fechar o circuito (e permitir a passagem de corrente elétrica), a agulha girava até ficar praticamente perpendicular ao fio. Invertendo o sentido da corrente elétrica no fio, a orientação da agulha também se invertia, mantendo-se ainda perpendicular ao fio. Como a agulha da bússola funciona como um detector de campos magnéticos, o movimento da agulha indicava a presença de um outro campo magnético na região, mais forte que o campo magnético da Terra (responsável pela orientação natural da bússola). O fenômeno observado por Oersted permitiu estabelecer uma relação entre a eletricidade (a corrente elétrica no interior do fio) e o magnetismo (o campo magnético criado ao redor do fio). Este trabalho deu impulso a inúmeros outros. Um deles foi realizado pelo físico francês Dominique Arago ( ), que tornou possível a construção do eletro-imã. Arago demonstrou que um fio enrolado em um pedaço de ferro tornava-se um imã quando era atravessado por uma corrente elétrica. O efeito existe apenas enquanto houver corrente elétrica no fio. Desse modo, o imã poderia ser ligado e desligado. O eletro-imã é ainda hoje muito utilizado em vários instrumentos de pesquisa e tecnologia, em diversos ramos da ciência. A origem do magnetismo dos imãs Observe que na região lateral externa do imã (ou bobina), as linhas de campo (e a agulha da bússola) apontam para o pólo sul magnético. Por outro lado, colocando uma bússola no interior da bobina, vemos que a agulha da bússola aponta para o pólo norte magnético da bobina. Isto acontece porque a agulha da bússola indica o sentido das linhas do campo magnético, e uma característica dessas linhas, é que elas descrevem trajetórias fechadas. Na parte externa da bobina ou do imã elas se orientam do norte para o sul magnético, e no interior se orientam no sentido oposto, isto é, do sul para o norte magnético. Se no caso de fios e bobinas está claro que a origem do campo magnético é atribuída à corrente elétrica, como se explica a origem do campo magnético nos imãs? Na verdade, o campo magnético criado pelos imãs, ainda que possa parecer estranho, também deve-se às correntes elétricas, só que à nível atômico. Essas correntes são associadas aos movimentos dos elétrons no interior dos átomos, e principalmente a uma propriedade exótica dos elétrons, conhecida como spin. Trata-se de uma espécie de giro do elétron, e este movimento cria um campo magnético intrínseco. Na maioria dos materiais os spins dos elétrons se distribuem aleatoriamente, de modo que o efeito magnético global se anula. Por outro lado, nos materiais magnetizados (imãs naturais ou artificiais) ocorre o alinhamento dos spins dos elétrons, de modo que seus campos magnéticos se somam, e o material como um todo apresenta um campo magnético resultante não nulo.

3 Eletromagnetismo: imãs, bobinas e campo magnético 24 Campo magnético de uma bobina A maioria dos circuitos elétricos que apresentam efeitos magnéticos são constituídos de bobinas ou solenóides (um solenóide é uma bobina, onde o fio é enrolado em formato helicoidal, isto é, como se fosse uma mola). Além disso, como discutimos na seção anterior, o campo magnético gerado por uma bobina é idêntico ao campo magnético de um imã em forma de barra. Por isso, vamos estudar em mais detalhes a relação entre o sentido da corrente elétrica na bobina e o sentido das linhas do campo magnético que ela cria no seu interior. Na figura ao lado, mostramos uma bobina (solenóide), constituído de um fio enrolado em um cilindro, e ligado a uma bateria. Observe que nesta situação, o fio se enrola da esquerda para a direita no sentido natural de enroscamento, isto é, com a ponta esquerda pela frente do cilindro, e a outra ponta saindo pelo lado de trás do cilindro. Nesta situação, as linhas do campo magnético que aparecem no interior da bobina se orientam da direita para a esquerda, de modo que a extremidade esquerda da bobina se comporta como um pólo norte magnético, e a extremidade direita se comporta como um pólo sul. Neste caso, podemos estabelecer uma relação direta entre a posição dos pólos elétricos da bateria (positivo ou negativo) e a posição dos pólos magnéticos da bobina (pólo norte ou pólo sul): pólo positivo pólo norte pólo negativo pólo sul Por outro lado, no caso da situação mostrada na figura ao lado, o fio se enrola de modo contrário ao sentido natural de enroscamento, isto é, com a ponta esquerda por trás do cilindro, enquanto a outra ponta passa pela frente. Neste caso, as linhas do campo magnético se orientam da esquerda para a direita, de modo que a polaridade magnética da bobina fica invertida em relação à polaridade elétrica da bateria. pólo positivo pólo sul pólo negativo pólo norte Observe que mesmo outras situações mais difíceis de perceber, como o caso em que a bobina fica na posição vertical, sempre recaem em uma das duas situações descritas acima. Exercícios 1. Quando aproximamos uma bússola de um fio que circula corrente, a agulha da bússola pode sofrer uma deflexão (mudança de orientação) ou não, dependendo da posição do fio. Explique cada caso. 2. Um fio condutor de eletricidade está embutido em uma parede. Como se pode verificar se existe corrente no fio, usando - se uma bússola? 3. Na figura ao lado são representadas algumas linhas do campo magnético terrestre. Indique através de setas, o sentido destas linhas, e responda: no ponto exatamente sobre o pólo norte geográfico, as linhas do campo magnético terrestre estão entrando (convergem) ou estão saindo (divergem) da superfície da Terra. 4. Na figura ao lado, o Sol está nascendo. A) Dos pontos M, P, Q e R, qual deles indica o sentido do norte geográfico? B) Dos pontos A e B indicados na bússola, qual deles é o ponto norte da agulha magnética? 5. Observe a figura ao lado, e responda: A) Qual das extremidades da bobina se comporta como um pólo norte? B) Se aproximarmos um imã em barra, com o pólo norte magnético voltado para o topo (extremidade superior) da bobina, haverá atração ou repulsão entre os dois? 6. Um eletro-imã (bobina ligada a uma bateria) têm os pólos magnéticos mostrados na figura ao lado. Identifique os pólos elétricos (positivo e negativo) da bateria. 7. Indique os pólos magnéticos do eletroimãs abaixo, e descubra se haverá atração ou repulsão entre eles. 8. No eletro-imã (bobina) da figura abaixo, se colocarmos uma bússola próximo da sua extremidade direita, verifica-se que o pólo norte magnético da agulha da bússola é atraído pela bobina. A) Indique a polaridade magnética da bobina, isto é, qual extremidade é o norte magnético, e qual delas é o sul magnético. B) Determine a polaridade elétrica (positivo ou negativo) da bateria. Dica: A orientação da bússola (norte magnético da agulha) indica o sentido das linhas do campo magnético da bobina. Com isso, você descobre os pólos magnéticos da bobina.

4 Eletromagnetismo: forças magnéticas R= m v q B 4

5 Eletromagnetismo: forças magnéticas 26 Exercícios 1. Determine a força magnética que age sobre uma pequena esfera eletrizada com carga elétrica de 3 C e velocidade de m/s, que penetra perpendicularmente em um campo magnético de intensidade igual a teslas. 2. Para que a esfera do problema 1 descreve uma trajetória circular de raio 50 cm, qual deve ser a intensidade do campo magnético? 3. Calcule a força magnética que age sobre um fio de 50 cm de comprimento, que se encontra em um campo magnético com intensidade de teslas, sabendo que o fio é perpendicular ao campo, e é atravessado por uma corrente elétrica de 0,2 ampères. 4. Em um fio condutor de 2,5 m de comprimento há uma corrente elétrica de 1,5 amperès, e atua uma força magnética de N. Supondo que o fio é perpendicular ao campo, determine a intensidade deste campo. 5. Qual o valor da corrente elétrica que existe em um fio de 1,5 m de comprimento que atravessa obliquamente um campo magnético de teslas, formando um ângulo de 30 e sofrendo a ação de uma força de N. 6. (UFC-CE) Uma carga positiva percorre uma trajetória circular no sentido anti-horário, sob a ação de um campo magné tico uniforme (figura ao lado). A direção do campo magnético: A) Tangencia a trajetória, no sentido horário. B) Tangencia a trajetória no sentido anti-horário. C) É radial, apontando para o ponto O. D) É perpendicular ao plano da página, e aponta para fora dela. E) É perpendicular ao plano da página,e aponta para dentro dela. 7. No problema 6, se a intensidade do campo magnético duplicar, o raio da trajetória: A) vai duplicar; B) vai quadruplicar; C) se reduz á metade; D) fica quatro vezes menor; 8. No problema 6, se intensidade do campo duplicar e valor da carga também, o raio da trajetória: A) vai duplicar; B) vai quadruplicar; C) se reduz á metade D) fica quatro vezes menor; Unidade de medida do campo magnético O intensidade do campo magnético (símbolo B) depende da forma do condutor (fio, espira ou bobina) percorrido pela corrente elétrica. A unidade de medida do campo magnético (no S.I) chama-se tesla, em homenagem ao físico croata Nikola Tesla ( ). 9. Agora considere que na situação do problema 6, a intensidade do campo duplica, e a velocidade da carga também (mas o valor da carga elétrica permanece o mesmo). Nesse caso o raio da trajetória: A) vai duplicar; B) vai quadruplicar; C) se reduz à metade; D) fica quatro vezes menor; E) permanece inalterado;

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