Ciências da Natureza – Física Prof.: Luiz Felipe

Fontes de campo magnético

✓ A experiência de Oersted

Em 1820, o físico dinamarquês Oersted observou que, aproximando-se uma agulha

magnética de um fio condutor e estabelecendo-se neste uma corrente elétrica, a agulhamagnética sofria um desvio. Podemos concluir então que toda corrente elétrica gera noespaço que a envolve um campo magnético.

cargas elétricas em movimento são fontes de campo magnético

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✓ Campo magnético de um condutor retilíneo percorrido por corrente elétrica

Considere uma agulha magnética colocada num ponto P muito próximo de um longo condutorretilíneo. O vetor indução magnética naquele ponto terá:

• direção: tangente à linha de indução (nesse caso sãocircunferências concêntricas com o condutor e situadas emplanos perpendiculares a ele) que passa por P.

• sentido: é dado pela regra prática da mão direita.

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A intensidade do vetor indução magnética será dada por:

.

2 .

iB

d

=

permeabilidade magnética do meio

No vácuo temos:-7

0

.µ = µ = 4 . 10

T m

A

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✓ Campo magnético no centro de uma espira circular

Considere uma espira circular de raio R, percorrida por uma corrente elétrica de intensidade i.O campo magnético gerado por essa corrente elétrica no centro da O da espira terá:

• direção: normal ao plano da espira• sentido: dado pela regra da mão direita.

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• intensidade: o módulo do vetor indução magnética no centro da espira será dado por

.

2

iB

R

=

Para o caso de uma bobina chata formada por “n” espiras temos:

.

2

iB n

R

=

“n” espiras justapostas

raio da espira

número de espiras

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✓ Campo magnético no interior de um solenoide

O solenoide ou bobina longa é um fio condutor enrolado em hélice cilíndrica. Acorrente elétrica que percorre o solenoide gera um campo magnético tal que fora dele aslinhas de indução têm configuração próxima às de um ímã. No seu interior as linhas deindução são praticamente retas paralelas, formando ali um campo magnético praticamenteuniforme. O vetor indução magnética no seu interior terá:

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• direção: os vetores no interior do solenoide têm a direção do eixo do solenoide.• sentido: dado pela regra da mão direita.

➢ Obs.: alternativa para a mão direita no caso do solenoide

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• intensidade: a intensidade do vetor indução magnética no interior do solenoide é dadapor:

nB i=

número de espiras

comprimento do solenoide

➢ Obs.: colocando-se um núcleo de ferro no interior de um solenoide o campo magnético emseu interior ficará muito mais intenso, atraindo muito mais intensamente os pedaços deferro.

eletroímã (o ferro doce quase não retém imantação)

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guindaste eletromagnético

✓ Polos de uma espira e de um solenoide

✓ Polos de uma espira

Considere uma espira circular percorridapor uma corrente i no sentido anti-horário. De acordo com a teoria,externamente ao ímã as linhas deindução orientam-se do polo magnéticonorte para o polo sul. A mesma situaçãoacontece com a espira, na qual uma faceé o polo norte e a outra é o polo sul.Fazendo uma analogia com o ímã temos:

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✓ Polos de um solenoide

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✓ Ação entre condutores retilíneos, paralelos e muito longos

Considere dois condutores retilíneos, paralelos e muito longos, percorridos porcorrentes elétricas de intensidades i1 e i2, as quais possuem o mesmo sentido, e situados auma distância d um do outro.

correntes elétricas de mesmo sentido se atraem

Para a força que um condutor exerce sobre um trecho do outro temos:

01 1 22 1 2 2 2 2

. . .90

2 2 .

i i iF B i sen F i sen F

d d

= = =

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✓ Origem das propriedades magnéticas

Os elétrons possuem um movimento de rotação denominado spin, com o qual eles produzemum campo magnético.

cada orbital contém no máximo 2 elétrons, de tal forma que quando ele está completo não hácontribuição para o campo magnético do átomo

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exemplo de orbitais incompletos: há contribuição magnética para o átomo

✓ Substâncias ferromagnéticas

Materiais ferromagnéticos são aqueles que se imantam consideravelmente na presença deum campo magnético, sendo fortemente atraídos na presença de um ímã. Possuem elétronsnão-emparelhados em orbitais incompletos. Exemplos: ferro, cobalto, níquel.

O campo magnético gerado por um átomo de ferro individual é tão intenso que asinterações entre átomos vizinhos podem dar origem a grandes aglomerados desses átomos,alinhados uns com os outros. Esses aglomerados de átomos são chamados domíniosmagnéticos. Da mesma forma que ocorre o alinhamento dos átomos dentro de um mesmodomínio, os próprios domínios podem se alinhar uns com os outros.

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Existem forças interatômicas que obrigam essas substâncias a se organizarem em domínios.São regiões microscópicas dentro dessas substâncias em que todos os elétrons não-emparelhados têm seus spins alinhados num mesmo sentido, porém diferentes da orientaçãodos domínios vizinhos.

Nem todo pedaço de ferro é um ímã, uma vez que no ferro comum os domínios nãoestão alinhados entre si. No entanto, muitos deles podem ser induzidos ao alinhamentoquando um ímã é colocado próximo. Quando se afasta um prego de um ímã, por exemplo, aagitação térmica ordinária faz com que cada vez mais os domínios do prego retornem aoarranjo aleatório original. Se o campo do ímã permanente for muito intenso, entretanto, oprego pode manter alguma magnetização permanente depois de ser separado do ímã.➢ Obs.: esfregar um ferro em um ímã permanente é uma maneira de magnetização, pois

acaba alinhando os domínios.

Quando o material ferromagnético virgem é submetido a um campo magnéticoexterno, os domínios em concordância com esse campo tendem a crescer à custa da capturade átomos de domínios vizinhos (magnetização por aumento de volume dos domíniosorientados favoravelmente ao campo externo).

imantadomaterial virgem

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Retirando o campo magnético externo os domínios magnéticos não voltamnecessariamente à configuração original, permanecendo então no material uma imantaçãoresidual. No caso do ferro doce ela é desprezível, no caso do aço ela é considerável.

essa retenção permite a produção de ímãspermanentes. É a chamada histerese magnética.

➢ Obs.: o aumento da temperatura promove o aumento do grau de agitação dos átomos. Sea agitação for tal que o material ferromagnético desagregue seus domínios, então eleperderá suas propriedades ferromagnéticas. Essa temperatura é chamada de pontoCurie.

o choque mecânico também produz a redução da magnetização

Exemplo: para o ferro o ponto Curie vale 770 0C.

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✓ Substâncias diamagnéticas

Materiais diamagnéticos são aqueles que, na presença de um campo magnético externo, semagnetizam criando um campo em sentido contrário ao do campo externo e com umaintensidade muito menor, ficando a intensidade do campo resultante praticamente igual à docampo externo. Exemplos: água.

Retirando o campo magnético externo, a amostra perde sua magnetização.

orbitais cheios

✓ Substâncias paramagnéticas

Materiais paramagnéticos são aqueles que, na presença de um campo magnético externo, semagnetizam criando um campo de mesmo sentido ao do campo externo e com uma intensidademuito menor, ficando a intensidade do campo resultante um pouco maior que a do campoexterno. Exemplos: sódio, cálcio.

Retirando o campo magnético externo, a amostra perde sua magnetização.

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paramagnético

➢ Obs.: o íon sódio é diamagnético

✓ DisjuntoresSão dispositivos que protegem instalações elétricas, evitando que os fios sejam percorridos porcorrente excessivas. Eles funcionam como uma chave. Quando a intensidade da corrente excededeterminado valor, o eletroímã desloca a peça P, que se desencosta dos suportes S, abrindo ocircuito.

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✓ Imagens por Ressonância MagnéticaImagens de alta resolução dos tecidos do interior do corpo podem ser obtidas por

ressonância magnética. Bobinas supercondutoras produzem um campo magnético intenso,cerca de 60 000 vezes maior que o campo terrestre.

Assim como os elétrons, os prótons têm uma propriedade de “spin”, e se alinharãocom o campo magnético aplicado, bamboleando em torno dele. Os prótons “bamboleantes”serão atingidos por uma rajada de ondas de rádio, sintonizadas para empurrar lateralmente oeixo de spin do próton, perpendicularmente ao campo aplicado. Quando as ondas de rádiopassam e os prótons rapidamente retornam ao seu bamboleio habitual, eles emitem tênuessinais eletromagnéticos. Os sinais são captados por sensores e quando analisados revelam adensidade variável dos átomos de hidrogênio do corpo, distinguindo claramente os fluidos dosossos, sem a necessidade de utilizar radiação ionizante.

os fortes campos magnéticosestáticos e alternantes geradospelo sistema podem provocarindução de corrente atravésdos cabos-eletrodo, sendoportanto contraindicado parapacientes com marca-passo

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✓ Trens maglev

A palavra maglev é um acrônimo para magnetic levitation (levitação magnética).Os trens maglev, por meio de forças magnéticas, ficam levitando alguns centímetros acimados trilhos e são também movimentados por forças magnéticas. Assim, eles não usam rodaspara se movimentar. Na realidade eles têm rodas, mas elas servem apenas para o caso dehaver falha no sistema magnético. Em condições normais, as rodas não têm contato com otrilho.

o eletroímã de levitação, queestá preso ao trem, atrai otrilho de aço, e com isso o tremsobe um pouco, ficando cercade 1cm acima da guia. Oseletroímãs-guia fazem com queo trem tenha estabilidadelateral e conduzem o trem aolongo da guia.

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Uma coisa é fazer levitar. Outra, porém, é mover o trem. A solução engenhosapara o problema é o motor de indução linear. A ideia básica consiste em manipular osentido da corrente elétrica dos eletroímãs colocados ao longo dos trilhos. Cada um desseseletroímãs ora atrai um ímã preso ao trem – quando o ímã se aproxima dele –, ora o repele– quando o ímã acaba de passar por ele. Desse modo, o trem é continuamente impelidopara a frente. É, sem dúvida, uma sincronia complexa, mas é só uma questão de manipularconvenientemente as correntes nos eletroímãs. Esse tipo de arranjo é usado, por exemplo,para puxar para cima os carrinhos de montanhas-russas modernas.

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No trem há ímãs com polaridades fixas. Uma corrente alternada percorre asbobinas de modo que, a cada instante, a polaridade da bobina é igual à do eletroímã queestá logo à frente e oposta à do eletroímã que está logo atrás. Desse modo, os eletroímãssão impulsionados por forças que são representadas pelas setas.

Se a corrente nas bobinas forem desligadas, os eletroímãs induzirão nelascorrentes que se oporão ao movimento e o trem será freado.

✓ O sistema de propulsão