1. CAMPO MAGNTICO Prof.Vildemar Lavor 2. Eletromagnetismo a parte da Fsica que estuda as inter-relaes entre Eletricidade e Magnetismo I- Correntes eltricas criam em seu entorno campos magnticos II- Condutores percorridos por corrente eltrica, imersos em campo magntico, podem ficar sujeitos ao de foras III- A variao do fluxo magntico atravs de um condutor pode induzir corrente eltrica nesse condutor. 3. Campo Magntico e sua utilidade no cotidiano 4. O termo magnetismo resultou do nome Magnsia, regio da sia Menor (Turquia), devido a um minrio chamado magnetita (m natural) com a propriedade de atrair objetos ferrosos distncia (sem contato fsico). O mineral apresenta forma cristalina isomtrica, geralmente na forma octadrica. um material quebradio, fortemente magntico, de cor preta, de brilho metlico, com densidade de 5,18 g/cm3. A magnetita a pedra-m mais magntica de todos os minerais da Terra, e a existncia desta propriedade foi utilizada para a fabricao de bssolas. A Magnetita um mineral magntico formado pelos xidos de ferro II e III cuja frmula qumica Fe3O4. A magnetita apresenta na sua composio, aproximadamente, 69% de FeO e 31% de Fe2O3 ou 26,7% de ferro e 72,4% de oxignio. www.fisicaatual.com.br 5. Os gregos perceberam que outros pedaos de ferro, em contato com a magnetita, podiam tambm se transformar em ms. Esses pedaos de ferro so os ms artificiais. Chamamos imantao ao processo pelo qual um corpo neutro se torna imantado. Teoricamente, qualquer corpo pode se tornar um m. Mas a maioria dos corpos oferece uma resistncia muito grande imantao. Os corpos que se imantam com grande facilidade so o ferro e certas ligas de ferro. Uma dessa ligas o ALNICO, composta de ferro, alumnio, nquel, cobre e cobalto. O ferro puro mantm sua magnetizao por pouco tempo: um m temporrio. As ligas de ferro mantm a magnetizao por muito tempo: so os ms permanentes. PROCESSOS DE IMANTAO a) induo: o fenmeno pelo qual uma substncia se imanta quando fica prxima de um m. b) atrito: quando uma substncia neutra atritada por um m, ela se imanta. necessrio que o atrito seja feito num nico sentido. 6. POLOS Um m no apresenta propriedades magnticas em toda a sua extenso, mas s em certas regies, chamadas regies polares. Quando o m tem forma de barra as regies polares so as extremidades da barra. Entre as regies polares h uma regio que no possui propriedades magnticas: chamada regio neutra. Um m sempre possui dois plos com comportamentos opostos: o polo norte e o polo sul magnticos. Limalha de ferro Plo PloPolo Polo Polo Polo 7. Fenmenos Magnticos PRINCPIO DA ATRAO-REPULSO: Polos de mesmo nome se repelem e de nomes diferentes se atraem. S NS N Repulso Atrao N S S N Verifica-se que dois ms em forma de barra, quando aproximados um do outro apresentam uma fora de interao entre eles. 8. Cortemos um m em duas partes iguais, que por sua vez podem ser redivididas em outras tantas. Cada uma dessas partes constitui um novo m que, embora menor, tem sempre dois polos. Esse processo de diviso pode continuar at que se obtenham tomos, que tem a propriedade de um m. PRINCPIO DA INSEPARABILIDADE DOS POLOS: impossvel a ocorrncia de um polo isolado. A menor poro de um material magntico apresenta dois polos. 9. Em 1820, Hans Christian Oersted fez uma descoberta. Ao montar um circuito eltrico, tendo nas proximidades uma bssola, percebeu que ao fechar o circuito ocorria uma deflexo na agulha. Ento, Oersted fez a seguinte montagem: associou ao circuito um fio metlico, com sua direo paralela orientao norte- sul da bssola, colocando-a abaixo. Ao permitir a passagem de corrente eltrica no fio, verificou que a agulha da bssola tendia a se orientar perpendicularmente a sua posio original; ao desligar o circuito, a agulha da bssola voltava posio original. EXPERINCIA DE OERSTED Cargas eltrica em movimento criam um campo magntico na regio do espao que as circunda. 10. Prtica da experincia 11. Os eltrons de um tomo esto em movimento. Eles produzem campo magntico. Dois tipos de movimento dos eltrons contribuem para o magnetismo: a rotao (spin) do eltron em torno de si mesmo e sua rotao em torno do ncleo. Cada eltron comporta-se como um pequeno ms. Um par de eltrons que giram em torno de si mesmos no mesmo sentido geram um campo mais intenso. J um par onde os eltrons giram em sentidos opostos, apresentam campos magnticos que se anulam. por isso que a maioria das substncias no so irms. Para a maioria dos tomos os diversos campos se anulam porque os giros dos eltrons em torno de si mesmos so em sentidos opostos. Campo magntico 12. Em materiais como o ferro, o nquel e o cobalto esses campos no se anulam inteiramente. Cada tomo de ferro possui 4 eltrons cujo magnetismo gerado por seus spins no anulam, Cada tomo de ferro um pequeno m. O mesmo verdadeiro, em menor intensidade, para os tomos de nquel e cobalto. A maior parte dos ms comuns so feitos de ligas que contm ferro, nquel e cobalto em diversas propores. 13. O campo magntico gerado por um tomo individual de ferro to forte que as interaes entre tomos vizinhos podem dar origem a grandes aglomerados de tomos alinhados um com os outros. Esse aglomerados so chamados de domnios magnticos. Cada domnio formado por bilhes de tomos individuais e so microscpios; domnio magntico Nem todo pedao de ferro um m porque, normalmente, os domnios no esto alinhados entre si: tomo individual N S 14. Os domnios podem ser induzidos ao alinhamento quando um m colocado prximo: Se o polo norte do m se aproxima, o domnio tem um polo sul voltado para o m Se o polo sul do m se aproxima, o domnio tem um polo norte voltado para o m 15. Um im permanente feito de material capaz de manter as propriedades magnticas mesmo aps cessar o processo de imantao, estes materiais so chamados ferromagnticos (ferro, nquel, cobalto e suas ligas. ausncia de campo magntico Num pedao de magnetita, os domnios magnticos esto naturalmente orientados: Por isso, a magnetita um m natural. Os domnios magnticos do ferro no so naturalmente orientados, mas quando so colocados prximo de um m, se orientam e o ferro se imanta. Se o ferro afastado do m, a agitao trmica faz com que cada vez mais domnios retornem ao arranjo desalinhado original. O ferro um m temporrio: 16. ELETROM Quando uma corrente eltrica atravessa um fio condutor, cria em torno dele um campo magntico. Um solenide constitui-se de um fio condutor enrolado de tal modo que forme uma seqncia de espiras em forma de tubo. Se por ele passar uma corrente eltrica, gera-se um campo magntico no sentido perpendicular uma seo reta do solenide. Este arranjo em forma de tubo faz com que apaream no solenide polaridades norte e sul definidas. O resultado final que o solenide possui polos norte e sul, tal como um m natural. 17. Os materiais ferromagnticos so constitudos de um nmero muito grande de pequenos ms naturais, conhecidos como dipolos magnticos elementares. Este nmero da mesma ordem do nmero de molculas ou tomos que constituem o material. Sem a influncia de um campo magntico externo, estes dipolos esto todos desalinhados, de forma que a soma total de seus campos magnticos nula, como mostra a Figura A. Se inserirmos uma , que barra de ferro, que feita de um material ferromagntico, dentro de um solenide, o campo magntico deste ir alinhar os dipolos do ferro, como mostra a Figura B. Os campos magnticos dos dipolos se somam e temos ento um novo campo magntico devido ao ferro. No total , teremos a soma dos campos do solenide mais o do ferro. O conjunto de um solenide com um ncleo de material ferromagntico chamado de eletrom. 18. A primeira idia de campo, em Fsica, sempre se refere a uma regio do espao que tem uma certa propriedade. Um campo gravitacional uma regio do espao que atua sobre a massa dos corpos; um campo eltrico atua sobre cargas eltricas. Da mesma forma, um campo magntico uma regio do espao que atua sobre ms. Embora seja uma idia abstrata, ela pode ser visualizada com o auxlio de linhas que, no caso do campo magntico, chamam-se linhas de induo magntica. LINHAS DE INDUO MAGNTICA 19. Vamos colocar uma bssola em vrios pontos diferentes em torno de um m em forma de barra: A bssola ir se orientar de acordo com o campo magntico criado pelo m: Linhas de induo magnticas 20. Tambm podemos visualizar as linhas de induo magnticas criadas por um m em forma de barra, colocando limalha de ferro sobre uma folha de papel colocada por cima do m. Veremos que a limalha se ordena, desenhando o campo magntico ao redor do m: As linhas de induo magnticas de um m em forma de barra so linhas que sempre saem do polo norte e chegam no polo sul: N S 21. As linhas de induo magnticas: so a representao geomtrica do campo magntico; nascem no polo norte do im e morrem em seu polo sul; onde esto mais prximas o campo magntico mais intenso; mais afastadas, o campo magntico mais fraco. 22. Quando as linhas de induo magnticas forem retas paralelas igualmente espaadas, teremos um campo magntico uniforme. O campo magntico aproximadamente uniforme: a) no interior de um solenide; b) No entreferro de um m em forma de ferradura; c) entre polos opostos de dois ms, colocados frente a frente. N S V ch I NS NS (a) (b) (c) N S 23. A cada ponto de um campo magntico associado um vetor denominado vetor induo magntica. Esse vetor representa a direo e sentido do campo magntico: O vetor induo magntica apresenta as seguintes propriedades: Tem a direo da tangente linha de induo que passa pelo ponto em questo. Tem o sentido da referida linha de induo. Tem intensidade dependente da posio do ponto. VETOR INDUO MAGNTICA - B 24. A unidade de intensidade do vetor induo magntica denominada tesla (smbolo T). DESCRIO B(T) SUPERFCIE DO NCLEO ATMICO 1012 SUPERFCIE DE UMA ESTRELA DE NEUTRONS 108 ELETROM DE PESQUISA 2 a 4 M DIDTICO EM BARRA 10-1 a 10-2 M DE GELADEIRA 10-2 SUPERFCIE DO SOL 10-2 SUPERFCIE DA TERRA 10-4 ESPAO INTERESTELAR 10-10 DENTRO DE UM COMPARTIMENTO BLINDADO 10-14 Existe uma unidade tcnica que o Gauss (G): 1 T = 10 4 G 25. Representao grfica de um Campo Magntico Uniforme (CMU): B B Bx xx x x x x x x x x x x x x x x x x x B Vista lateral Entrando na folha Saindo da folha 26. MAGNETISMO TERRESTRE Chama-se campo magntico terrestre ao campo magntico que existe ao redor da Terra. A existncia desse campo se manifesta pela orientao da agulha magntica (bssola). O campo magntico terrestre pode ser considerado uniforme em uma extenso bastante grande como, por exemplo, na regio ocupada por uma cidade. Se suspendermos uma agulha magntica de maneira que ela possa girar livremente, ela ir se orientar de maneira que seu eixo fique na linha do campo magntico local. Essa linha prxima da linha norte-sul geogrfica (meridiano geogrfico). 27. Chama-se declinao magntica do lugar ao ngulo formado pelo meridiano magntico com o meridiano geogrfico . A declinao chamada oriental quando o polo norte da agulha se acha no oriente do meridiano geogrfico. ocidental no caso contrrio. Como o campo magntico da Terra no constante, a declinao magntica muda lentamente. CAPITAIS LATITUDE LONGITUDE DECLINAO Belo Horizonte 2000'S 4400'O 21O Braslia-DF 1600'S 4800'O 19O Curitiba-PR 2530'S 4900'O 17O Fortaleza-CE 0330'S 3830'O 21O Manaus-AM 0300'S 6000'O 14O Recife-PE 0800'S 3500'O 23O Rio de Janeiro 2300'S 4300'O 22O Salvador-BA 1300'S 3830'O 23O So Paulo-SP 2330'S 4630'O 19O Vitria-ES 2030'S 4000'O 23O 28. O campo magntico terrestre pode ser devido ao ncleo de ferro da Terra. A configurao do campo magntico da Terra parecida com a de um gigantesco m em forma de barra localizado prximo ao centro da Terra. 29. Os polos magnticos da Terra no coincidem com os polos geogrficos. O polo magntico no hemisfrio norte est atualmente localizado a cerca de 1800 km do polo geogrfico correspondente, em algum ponto da baa de Hudson, no norte do Canad. A figura mostra a alterao do polo norte magntico terrestre entre 1600 e 2000. PN geogrfico Tem havido perodos em que o campo magntico da Terra diminui at se anular, invertendo depois seu sentido e fazendo com que os polos magnticos trocassem de posio. Houve mais de 20 dessas inverses ao longo dos ltimos 5 milhes de anos. A mais recente aconteceu a 700 000 anos atrs. Medies recentes indicam que houve uma diminuio de 5 por cento na intensidade do campo magntico nos ltimos 100 anos. Se essa variao se mantiver, poderemos ter outra inverso nos prximos 2 000 anos. 30. O Sol emite uma grande quantidade de partculas eletricamente carregadas, prtons e eltrons, que caminham em todas as direes. Esse fluxo de partculas recebe o nome de vento solar. Ao atingir as altas camadas da atmosfera da Terra, essas partculas eletrizadas so capturadas e aceleradas pelo magnetismo terrestre, que mais intenso nas regies polares. Essa corrente eltrica colide com tomos de oxignio e nitrognio - num processo semelhante ionizao (eletrificao) de gases que faz acender o tubo de uma lmpada fluorescente. Esses choques produzem radiao em diversos comprimentos de onda, gerando assim as cores caractersticas da aurora, em tonalidades fortes e cintilantes que se estendem por at 2 000 quilmetros. As auroras podem ser observadas nas camadas mais elevadas da atmosfera, nas proximidades dos plos norte e sul da Terra. A que ocorre no plo norte recebe o nome de aurora boreal, a do plo sul conhecida como aurora austral. 31. EXPLOSES SOLARES 32. SIMULAO 33. 1-Considerando as propriedades dos ms, assinale aalternativa correta. a) Quando temos dois ms, podemos afirmar que seus plos magnticos de mesmo nome (norte e norte, ou sul e sul) se atraem. b) Os plos magnticos norte e sul de um m so regies eletricamente carregadas, apresentando alta concentrao de cargas eltricas negativas e positivas, respectivamente. c) Os plos magnticos norte e sul de um m so regies eletricamente carregadas, apresentando alta concentrao de cargas eltricas positivas e negativas, respectivamente. d) Quando quebramos um m em dois pedaos, os pedaos quebrados so tambm ms, cada um deles tendo dois plos magnticos (norte e sul). e) Quando quebramos um m em dois pedaos exatamente iguais, os pedaos quebrados no mais so ms, pois um deles conter apenas o plo norte, enquanto o outro, apenas o plo sul. 34. 2-Considere as afirmaes a seguir a respeito de ms. I. Convencionou-se que o plo norte de um m aquela extremidade que, quando o m pode girar livremente, aponta para o norte geogrfico da Terra. II. Plos magnticos de mesmo nome se repelem e plos magnticos de nomes contrrios se atraem. III. Quando se quebra, ao meio, um m em forma de barra, obtm-se dois novos ms, cada um com apenas um plo magntico. Est(o) correta(s): a) apenas I. b) apenas II. c) apenas III. d) apenas I e II. e) apenas II e III 35. 3-Uma caracterstica importante das linhas de fora de um campo magntico que elas so sempre: a) radiais. b) paralelas. c) arcos de circunferncia. d) abertas. e) fechadas 4-Assinale a alternativa incorreta. a) Numa bssola, o plo norte o plo da agulha que aponta para o norte geogrfico da Terra. b) Plo de um m a regio onde o magnetismo mais intenso. c) Ao se cortar um m, obtm-se dois ms com um nico plo cada um. d) Um fio condutor percorrido por uma corrente eltrica gera um campo magntico 36. 5-Assinale a alternativa correta referente ao campo magntico da Terra. a) Os plos geogrfico e magntico so coincidentes. b) Na atmosfera, as linhas de induo magntica tm sentido do hemisfrio norte para o hemisfrio sul. c) No interior da Terra, as linhas de induo magntica tm sentido do hemisfrio norte para o hemisfrio sul. d) No existe campo magntico terrestre fora da atmosfera 37. 7-Abaixo, mostramos a figura da Terra, onde N e S so os plos norte e sul geogrficos e N e S so os plos norte e sul magnticos. Sobre as linhas do campo magntico, correto afirmar que: a) elas so paralelas ao Equador. b) elas so radiais ao centro da Terra. c) elas saem do plo norte magntico e entram no plo sul magntico. d) o campo magntico mais intenso no Equador. e) o plo sul magntico est prximo ao sul geogrfico 38. 8-Uma bssola e uma barra imantada esto sobre uma mesa de madeira. Quando colocada no ponto 2, a bssola tem a orientao mostrada na figura a seguir. Qual das opes apresentadas mostra corretamente a orientao da bssola, quando ela colocada nas posies 1 e 3? 39. 9.No Equador geogrfico da Terra, o campo magntico terrestre tem sentido do: a) centro da Terra para o espao exterior. b) norte para o sul geogrfico. c) sul para o norte geogrfico. d) oeste para o leste. e) leste para o oeste 40. 10.Um menino encontrou trs pequenas barras homogneas e, brincando com elas, percebeu que, dependendo da maneira como aproximava uma da outra, elas se atraiam ou se repeliam. Marcou cada extremo das barras com uma letra e manteve as letras sempre voltadas para cima, conforme indicado na figura. Passou, ento, a fazer os seguintes testes: aproximou o extremo B da barra 1 com o extremo C da barra 2 e percebeu que ocorreu atrao entre elas; II. aproximou o extremo B da barra 1 com o extremo E da barra 3 e percebeu que ocorreu repulso entre elas; aproximou o extremo D da barra 2 com o extremo E da barra 3 e percebeu que ocorreu atrao entre elas.Verificou, ainda, que nos casos em que ocorreu atrao, as barras ficaram perfeitamente alinhadas. Considerando que, em cada extremo das barras representado por qualquer uma das letras, possa existir um nico plo magntico, o menino concluiu, corretamente, que: a) as barras 1 e 2 estavam magnetizadas e a barra 3 desmagnetizada. b) as barras 1 e 3 estavam magnetizadas e a barra 2 desmagnetizada. c) as barras 2 e 3 estavam magnetizadas e a barra 1 desmagnetizada. d) as barras 1, 2 e 3 estavam magnetizadas. e) necessitaria de mais um nico teste para concluir sobre a magnetizao das trs barras 41. 11. Aproxima-se um m de um anel metlico fixo em um suporte isolante, como mostra a figura. O movimento do m, em direo ao anel: a) No causa efeitos no anel b) Produz corrente alternada no anel c) Faz com que o plo sul vire polo norte e vice-versa d) Produz corrente eltrica no anel, causando uma fora de atrao entre anel e m. e) Produz corrente eltrica no anel, causando uma fora de repulso entre anel e m 42. AO DO CAMPO MAGNTICO SOBRE CARGAS ELTRICAS O campo magntico exerce fora sobre cargas eltricas em movimento. A fora magntica perpendicular aos vetores induo magntica e velocidade. 43. B.q.V.senFmagntica 44. Newton Coulomb (C) m/s Tesla (T) Muitas vezes, usas-se o Gauss (G) como unidade: ims de laboratrio ~ 2,5 T ou 25 000 G ims supercondutores ~25 T ou 250 000 G na superfcie da Terra ~ 0,5 x 10-4 T ou 0,5 G 1 T = 104 G B.q.V.senFmagntica 45. Direo da fora magntica: Regra da mo direita O polegar indica o sentido da velocidade, os quatro dedos juntos e estticos indicam o sentido do campo magntico e quando a carga for positiva a palma da mo indica o sentido da fora e se for negativa, o sentido da fora magntica determinado pelas costas das mos. + - 46. N SN N SN B v FRegra da mo direita para carga positiva. Regra da mo direita para carga negativa B v F Fora no sentido da palma da mo Fora no sentido das costas da mo 47. Quando uma carga lanada na direo do campo magntico, ela no sofre ao de fora magntica. A carga executa um movimento retilneo uniforme sen 1800 = 0sen 00 = 0 CARGA MVEL EM UM CAMPO MAGNTICO UNIFORME Primeira situao: carga lanada na direo das linhas de induo. B.q.V.senFmagntica 48. Segunda situao: Carga lanada perpendicularmente s linhas de induo Nesse caso, o ngulo = 90. Portanto, sem = 1. A intensidade da fora magntica , ento, dada por: . Fm = B.q.V Portanto, a partcula lanada fica sujeita a uma fora de intensidade constante cuja direo sempre normal ao vetor velocidade V. 49. A fora e a velocidade, de direes perpendiculares, definem um plano perpendicular ao vetor induo magntica. Conseqentemente, podemos concluir que a partcula executa nesse plano um movimento circular uniforme (MCU) X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Representa um campo magntico penetrando no plano. R V mFm 2 . R V mVqB 2 ... Cm FF Logo: qB Vm R . . 50. F Representa um campo magntico saindo do plano. < < < qB Vm R . . 51. Terceira situao: carga lanada obliquamente em relao s linhas de induo Nesse caso, devemos decompor a velocidade V numa componente Vy na direo de B e numa componente Vx numa direo perpendicular a B, de modo que V = VX + VY. A componente VY determina um movimento retilneo uniforme (MRU) e a componente VX um movimento circular uniforme (MCU). A realizao desses dois movimentos resulta num movimento resultante helicoidal uniforme. A trajetria descrita, conforme mostra a figura , uma hlice cilndrica. 52. Um eltron lanado, com velocidade de mdulo 3,2. 104 m/s, perpendicularmente s linhas de induo de campo magntico uniforme e constante, de 9,1. 10-6 T. Sendo a massa do eltron igual a 9,1. 10-31 kg e 1,6. 10-19 C o mdulo de sua carga, caracterize trajetria descrita por ele. Suponha que a fora magntica seja a nica atuante no eltron. 53. FORA SOBRE CONDUTORES PERCORRIDOS POR CORRENTE Da mesma forma que um fio percorrido por corrente desvia uma bssola, um m ir desviar um fio percorrido por corrente. www.fisicaatual.com.br 54. A corrente convencional suposta ser constituda de cargas positivas. Um campo que penetra no plano, ir exercer em cargas positivas se movimentando para cima (sentido da corrente) uma fora magntica para a esquerda: sen LiBFm 55. Um m permanente gera um campo magntico numa regio, onde uma espira de fio de forma retangular montada de maneira a poder girar em torno de um eixo. Qualquer corrente que esteja circulando na espira tem um determinado sentido em seu lado superior e um sentido oposto no lado inferior. Se o lado superior for forado a se movimentar para a direita, ento o lado inferior forado a se movimentar para esquerda. Quando a espira completa a sua primeira meia volta, as placas do comutador trocam seus contatos com a escova e a corrente inverte seu sentido. Dessa maneira, a corrente na espira se alterna de maneira que as foras que agem nos lados superior e inferior no mudam de sentido enquanto ela gira. O MOTOR ELTRICO 56. 1. Um condutor retilneo percorrido por uma corrente eltrica de intensidade i = 2,0A, ao ser imerso em um campo magntico uniforme de intensidade B = 0,0002T, qual a fora magntica num trecho deste condutor, de comprimento l = 20cm, nos seguintes casos: 57. No rotor de um motor eltrico de corrente contnua, os fios conduzem uma corrente de 5 A e dispem-se perpendicularmente a um campo de induo magntica, suposto Uniforme, de mdulo constante e igual a 1 T. Determine o mdulo da fora magntica atuante em cada centmetro de fio.