Ismael Rodrigues Silva Física-Matemática - UFSC. cel: (48)

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1 Ismael Rodrigues Silva Física-Matemática - UFSC cel: (48)

2 ANO DO VESTIBULAR QUESTÕES DE ELETROMAGNETISMO/ MAGNETISMO / / / / /1

3 1 Até 1820, eletricidade e magnetismo eram duas áreas sem qualquer relação entre si. Nosso objetivo é entender o magnetismo e os fenômenos magnéticos, a relação entre o magnetismo e a eletricidade, que deu origem ao eletromagnetismo, bem como ondas eletromagnéticas. Faraday, 1831 Oersted, 1820

4 As primeiras observações de fenômenos magnéticos foram realizadas pelos gregos na cidade de Magnésia, parte da atual Turquia, já em 550 AC. 2

5 Verificou-se que um certo tipo de pedra atraía pedaços de ferro. Essa pedra é conhecida, atualmente, por ímã natural. 3

6 Ímãs, também chamados magnetos, são corpos capazes de atrair pedaços de ferro e algumas de suas ligas. Rigorosamente falando, são objetos que provocam um campo magnético à sua volta. 4 Os ímãs, nos seus diversos formatos, podem ser classificados em naturais ou artificiais.

7 5 Ímãs naturais são minerais com propriedades magnéticas, como a magnetita, que é formada por 69% de FeO (óxido de ferro II ou óxido ferroso) e 31% de Fe2O3 (óxido de ferro III ou óxido férrico), e cuja fórmula química é Fe3O4. Apresenta forma isométrica, geralmente octaédrica. 2FeO + 2Fe2O3 = 2Fe3O4

8 Alnico (1930): Fe, Al, Ni, Co. Funcionam a altas temperaturas (500 C a 550 C) e são resistentes à corrosão. Um ímãdealnicoécapaz delevantarmaisde 1000 vezes seu próprio peso. Ferrite (1950): Resistente à corrosão, sais lubrificantes e gases. Usado em alto-falantes. Samário cobalto (1960): Caro e frágil. É funcional a temperaturas de até 250 C. Utilizado em micromotores. Neodímio ferro boro (1980): São os mais modernos pois possuem as melhores propriedades magnéticas. São utilizados em alto-falantes, equipamentos elétricos ebrindes. 6

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11 Ímãs artificiais são corpos que adquiriram propriedades magnéticas após submetidos a um intenso campo magnético. Isso pode acontecer por atrito ou contato com um ímã natural, ou pela ação de correntes elétricas. TIPOS DE IMÃS 9 NATURAL ARTIFICIAL MAGNETITA CONTATO ATRITO CORRENTE ELÉTRICA

12 10 Quando os elétrons livres de um átomo se movimentam, eles criam uma pequena corrente elétrica, dando origem a um campo magnético. Podemos dizer que cada átomo equivale a um pequeno ímã, chamado ímã elementar.

13 Os ímãs elementares de um objeto de metal não magnetizado estão orientados aleatoriamente, e os campos por eles criados acabam anulando-se, resultando em um material sem efeitos magnéticos. Ímãs elementares desorientados 11

14 12 Ao colocarmos o objeto metálico dentro de um campo magnético, haverá orientaçãodos seus imãs elementares e ele passa a apresentar efeitos magnéticos. Dizemos que o objeto está imantado ou magnetizado. Ímãs elementares orientados

15 13 Ao encostarmos um corpo magnetizado em uma barra de ferro, há imantação por contato e a barra passa a ter propriedades magnéticas.

16 14 antes depois

17 Ao atritarmos um corpo magnetizado com uma barra de ferro, há imantação por atritoe a barra permanecerá magnetizada por algum tempo. 15

18 16 Na imantação por corrente elétrica cria-se campo magnético através de uma corrente elétrica. Normalmente há uma bobina oca, e coloca-se o objeto a ser magnetizado no interior dessa bobina.

19 17 O dispositivo que utiliza corrente elétrica para criar campo magnético é chamado de eletroímã. Sua imantação pode ser aumentada ou diminuída facilmente, basta aumentar ou diminuir a intensidade da corrente elétrica.

20 A polaridadede um eletroímã pode ser facilmente invertida, basta inverter o sentido da corrente elétrica. 18 N S S N i i Para melhor entender a polaridade dos ímãs, vamos conceituar polos magnéticos e suas propriedades.

21 19 Pedaços de ferro são atraídos com maior intensidade por duas certas partes do ímã, chamadas de polos magnéticos do ímã. Um deles é chamado de polo norte magnético e outro chamado de polo sul magnético. O ímã em forma de barra possui seus polos situados nas extremidades.

22 20 Ímãs suspensos tendem a se orientar ao longo da mesma direção. Por definição, polo norte magnético de um ímã é a extremidade que aponta para o norte geográfico da Terra e polo sul magnético é a que aponta para o sul geográfico da Terra.

23 21 Verifica-se que polos de mesmo nome se repeleme polos de nomes contrários se atraem.

24 É impossívelseparar os polos de um ímã. Ao partir um ímã, há criação de novos polos. Em outras palavras, não existem monopolos magnéticos na natureza. 22

25 23 Quando duas cargas estão em movimento, além da força eletrostática manifesta-se uma outra força, chamada força magnética. Todosos fenômenos magnéticos são explicados através dessa força entre cargas em movimento.

26 24 Vamos definir o campo magnéticocomo a região do espaço em torno uma carga em movimento. O campo criado atuará sobre outra carga em movimento, produzindo a força magnética. Os elétrons em movimento ao redor do núcleo de um átomo produzem um campo magnético, que dá origem ao ímã elementar.

27 O campo magnético é detectado pela forçaque exerce sobre outros materiais magnéticos ecargas elétricasem movimento. 25

28 26 Observa-se que limalhas de ferro se dispõem ao longo de linhasquando presentes em um campo magnético, chamadas linhas de indução magnética.

29 27 Fora do ímã, as linhas de indução vão do polo norte para o sul.

30 28 Dentro do ímã, as linhas de indução vão do polo sul para o norte.

31 29 As linhas de indução são sempre fechadas, ou seja, começam num ponto e voltam a esse mesmo ponto. Isso nãoacontece no caso elétrico. As linhas divergem da carga positiva e convergem para a negativa.

32 30 As linhas de indução magnética saem e entram perpendicularmente à superfície dos polos. A concentração de linhas é maior nos polos, e quanto maior a concentração de linhas maior é a intensidade do campo magnético. Campo magnético intenso Campo magnético menos intenso

33 Sabendo-se que o Sol mostrado na figura abaixo está nascendo, responda: a) Dos pontos M, P, Q e R, qual deles indica o sentido do norte geográfico da Terra? b) Observe os pontos A e B indicados na bússola e diga qual deles é o polo norte magnético e qual é o polo sul magnético da agulha magnética. Solução: a) O Sol nasce no leste. Então P é leste e Q é oeste, e portanto M indica o norte geográfico. b) O norte geográfico atrai o polo norte da bússola, e portanto A é o polonorteebéopolosul.

34 Suponha que uma pessoa tenha em mãos duas barras de ferro idênticas, sendo umas delas um ímã e a outra um pedaço de ferro não imantado. Entretanto, a pessoa não sabe qual das duas barras é o ímã. Descreva duas maneiras pelas quais ela poderá esclarecer sua dúvida. Solução: 1)Aproximarlimalhasdeferro.Abarraqueatrairaslimalhaséoímã. 2) Pendurar as barras, em pelo menos duas direções diferentes, de modo que possam girar livremente. A barra que se orientar (na direção norte-sul) éoímã. 3) Aproximar a extremidade da barra 1 no ponto médio da barra 2. Se houver forte atração, a barra 1 é o ímã. Caso haja atração fraca (ou nula) ou tendência à atração pelas extremidades da barra 2, então a barra 2 é o ímã (no caso, aproximamos o ferro não imantado da linha neutra do ímã).

35 Suponha que você possua alguns ímãs nos quais assinalou quatro polos magnéticos com as letras A, B, C e D. Você verifica que o polo A repele o polo B, que o polo A atrai o polo C e que o polo C repele o polo D. Sabendo que D é um polo norte magnético, você pode concluirquebéumpolonorteouumsul magnético? Solução: Se D é norte e C repele D, então C também é norte. Se C é norte e A atrai C, então A é sul. Se A é sule A repele B, então B é um polo sul.

36 Suponha que um ímã é colocado dentro de uma superfície fechada. Seja x o número de linhas de força que saem da superfície menos o número de linhas que entram na superfície. a) Qualovalordexseasuperfícieforesférica? Eseasuperfícieforcúbica? b) O quesepodeafirmarsobreovalordexseforcolocadadentrodasuperfíciefechada uma carga positiva? E uma carga negativa? A quantidade x está relacionada com o fluxo do campo (elétrico ou magnético) através da superfície, que será estudado em breve. Solução: a) As linhas de força magnética são fechadas, e portanto todas as linhas que saem da superfície entram nela novamente, e o valor de x é zero para qualquer superfície fechada. Nada se poderia afirmar se a superfície não fosse fechada. b) O valor de x é maior que zero se for colocada uma carga positiva pois as linhas de força elétrica divergem da carga positiva (saem da superfície). Analogamente, x é negativo se for colocada uma carga negativa pois as linhas convergem(entram na superfície).