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05-06-2017 1 Eletricidade e magnetismo Acão de campos magnéticos sobre cargas em movimento e correntes Prof. Luís Perna 2016/17 Origens do campo magnético O fenómeno do magnetismo era conhecido dos Gregos já no ano 800 a. C. Os Gregos descobriram que certas pedras, feitas de um material hoje chamado magnetite (Fe 3 O 4 ), atraíam pedaços de ferro.

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05-06-2017

1

Eletricidade e magnetismo

Acão de campos magnéticos sobre cargas em movimento e correntes

Prof. Luís Perna 2016/17

Origens do campo magnético

• O fenómeno do magnetismo

era conhecido dos Gregos já

no ano 800 a. C. Os Gregos

descobriram que certas

pedras, feitas de um material

hoje chamado magnetite

(Fe3O4), atraíam pedaços de

ferro.

05-06-2017

2

Origens do campo magnético

• Pensa-se que as primeiras

observações de fenómenos

magnéticos tenham sido

realizadas na antiga cidade

de Magnésia, na Ásia Menor

(hoje Turquia). Daí a

designação de magnetite

dada à pedra-íman existente

na região e de magnetismo

a este fenómeno que se

observa com os imanes ou

magnetes. A primeira referência conhecida sobre uma substância

capaz de atrair outras é a de Tales de Mileto.

Interação magnética

• Numa região em que a influência de uma interação

magnética se faça sentir, podemos afirmar que existe um

campo magnético, .

• A interação magnética deteta-se tanto em magnetes (ímanes

naturais) como em correntes elétricas.

B

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3

Interação magnética

• Todos os ímanes, independentemente

da sua forma, têm dois polos, o pólo

norte magnético e o pólo sul

magnético, onde se exercem forças de

certa forma semelhantes às que se

verificam entre cargas elétricas, isto é,

polos de mesmo nome repelem-se e

polos de nome diferente atraem-se.

Interação magnética

• É curioso notar que, ao contrário das cargas elétricas, não

existem polos magnéticos isolados. Logo, se um magnete

se partir em dois, cada pedaço fica com um pólo norte e um

pólo sul.

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Linhas de campo de um campo magnético

• Linhas de campo magnético - são linhas imaginárias

tangentes, em cada ponto, aos vetores representativos do

campo magnético nesses pontos.

• A densidade das linhas de campo é maior nas zonas onde o

campo é mais intenso.

• As linhas de campo nunca se cruzam.

• Ao conjunto das linhas de campo dá-se o nome de espectro

magnético.

B

Linhas de campo de um campo magnético

• O campo magnético é caracterizado, em cada ponto, por um

vetor campo magnético, , também designado por

densidade de fluxo magnético, que é tangente, em cada

ponto, às linhas de campo; estas orientam-se no mesmo

sentido do campo magnético.

B

Linhas de campo

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Experiência de Oersted

• A experiência de Oersted prova que uma corrente elétrica

produz um campo magnético, tal como um íman.

Hans Christian Oersted

(1777 - 1851)

dinamarquês

Campo magnético criado por um condutor

retilíneo

• O campo magnético criado por um condutor retilíneo e muito

extenso, quando percorrido por uma corrente elétrica

estacionária, tem simetria cilíndrica.

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Regras para determinar o sentido do campo

• O sentido do campo magnético pode ser determinado por

qualquer uma das regras práticas:

A - Regra dos dedos da mão direita;

B - Regra do saca-rolhas de Maxwell;

C - Regra do observador de Ampère.

Campo magnético criado por uma espira

circular

• Campo magnético criado por uma espira circular - neste

caso, as linhas de campo são curvas fechadas em torno da

corrente e o campo magnético, , é na parte central,

perpendicular ao plano da espira.

B

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7

Campo magnético criado por um solenóide

• Solenóide - bobina de fio condutor enrolado em hélice circular,

com espiras uniformemente distribuídas ao longo do seu eixo e

suficientemente próximas umas das outras.

É usado para produzir campos magnéticos intensos e

homogéneos na região delimitada pelas espiras.

Campo magnético criado por um solenóide

• O campo criado por um solenóide é muito semelhante ao

campo criado por um íman em barra. O campo magnético no

interior das espiras é aproximadamente uniforme.

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Regras para identificar o sentido das linhas de

campo do solenóide e os seus polos

• Regra da mão direita.

• As setas indicam o sentido da

corrente e as letras os nomes

dos polos equivalentes a um

íman em barra.

Acão de um campo magnético sobre uma

carga elétrica em movimento

• A força magnética, ,

que atua sobre uma

partícula com carga q, que

se desloca com velocidade

num campo magnético, ,

é:

mF

v

B

BvqFm

Unidade SI das grandezas envolvidas:

Força magnética: N (Newton)

Carga: C (Coulomb)

Velocidade: m/s (metro/segundo)

Campo magnético: T (Tesla)

Nikola Tesla (1856-1943)

Austríaco/N. Americano

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Acão de um campo magnético sobre uma

carga elétrica em movimento

• Características da força

magnética, , que atua sobre

a partícula com carga q.

Direção: perpendicular ao plano

definido por e .

Sentido: dado por qualquer uma

das regras do produto vetorial ou

pela regra da mão direita.

Intensidade:

Fm = q v B sin

BvqFm

mF

v

B

Sentido da força magnética

• Regra da mão direita para

determinar o sentido de uma

carga em movimento.

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Análise da força magnética exercida sobre uma carga

móvel que se desloca num campo magnético uniforme

• A força magnética, :

- depende da carga da partícula, da sua velocidade e do

campo magnético;

- é nula, quando a partícula se encontra em repouso, ou

quando e têm a mesma direção;

(pois para = 0º ou = 180º o sin = 0)

mF

v

B

Fm = q v B sin

Análise da força magnética exercida sobre uma carga

móvel que se desloca num campo magnético uniforme

• A força magnética, :

é máxima, quando a partícula se move numa direção

perpendicular ao vetor campo magnético, .

(pois para = 90º o sin = 1)

mF

B

Fm = q v B sin

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Análise da força magnética exercida sobre uma carga

móvel que se desloca num campo magnético uniforme

• A força magnética, , contrariamente ao que acontece

com a força gravítica ( ) e com a força elétrica

…(………..), não tem a direção do campo magnético, .

• A força magnética, , é sempre perpendicular ao plano

definido pela velocidade, , e pelo vetor campo magnético,

.

mF

G

mFg

EqFe

B

mF

v

B

Análise do tipo de movimento de cargas elétricas num campo magnético uniforme

Movimento de uma partícula com carga num campo

magnético uniforme, :

- Se a velocidade, , da partícula é paralela às linhas de

campo, a força magnética, , que sobre ela, actua é nula

e a velocidade, , vai manter-se constante.

O movimento é rectilíneo e uniforme.

mF

vB

v

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Análise do tipo de movimento de cargas elétricas num campo magnético uniforme

Movimento de uma partícula com

carga num campo magnético

uniforme, :

- Se a velocidade, , da partícula

é perpendicular às linhas de

campo, a força magnética, ,

que sobre ela actua é máxima e de

intensidade Fm = q v B, constante.

A força magnética é, portanto,

radial e centrípeta e o movimento

é circular e uniforme.

mF

v

B

Análise do tipo de movimento de cargas elétricas num campo magnético uniforme

r – é o raio da trajetória

Bvqr

vm

2

mc FF

Bq

pr

Bq

vmr

Aplicando a segunda lei de Newton, podemos deduzir a expressão

que nos dá o raio da trajectória circular da carga eléctrica

móvel. Assim, sendo:

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Cálculo da frequência do movimento da carga elétrica

)2(Bq

vmr

Como o movimento é circular e uniforme v = r e = 2 f

v = 2 f r (1)

Substituindo (2) em (1) vem:

Esta frequência denomina-se, frequência de ciclotrão e é a

frequência do movimento circular das partículas, no

ciclotrão.

m

Bqf

2

Partícula lançada num campo magnético numa direção que não coincide com a do campo magnético nem lhe é perpendicular

A velocidade pode ser decomposta em duas componentes, uma

paralela e outra perpendicular à direcção do campo.

O movimento na direcção paralela ao campo é uniforme e o

movimento na direcção perpendicular ao campo é circular.

Da sobreposição destes dois movimentos resulta um movimento

em espiral ou helicoidal.

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Movimento duma carga elétrica sob a ação de um campo eletromagnético

Um campo electromagnético é uma região do espaço onde

existe, em simultâneo, um campo eléctrico e um campo

magnético.

A força electromagnética, , também conhecida por força

de Lorentz, é uma força que é igual à soma vectorial das

forças eléctrica, , e magnética, .

ou também:

emF

eF

mF

meem FFF

BvqEqFem

)( BvEqFem

ou

O espectrómetro de massa

O espectrómetro de massa é um

aparelho usado para separar átomos e

moléculas de acordo com as respetivas

massas. Estes terão de ser previamente

ionizados. As medições feitas com estes

equipamentos permitem determinar a

existência de isótopos bem como as

respetivas abundâncias na natureza.

Hoje, usam-no para a identificação de

moléculas desconhecidas. Nobel de Química de 1922,

"pela descoberta, utilizando o

seu espectrómetro de

massa, de isótopos, a grande

número de elementos não

radioativos.

(1877-1945)

Inglês

Francis William Aston

Graças ao espectrómetro de massa, sabe-se que o

magnésio natural, por exemplo, é constituído por

78,7% de 24Mg, 10,1% de 25Mg e 11,2% de 26Mg.

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Componentes do espectrómetro de massa

• Câmara de ionização, onde a

amostra em estudo é ionizada.

• Zona de aceleração dos iões

da amostra por ação dum

campo elétrico intenso.

• Zona do campo magnético

uniforme onde os iões são

lançados a grande velocidade.

Componentes do espectrómetro de massa

Campo elétrico

Zona de aceleração dos iões

Campo eletromagnético

Seletor de velocidades

Fonte de iões

Detectores de iões

Campo magnético uniforme

Trajetórias dos iões de acordo com

a sua massa

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Seletor de velocidades do espectrómetro de

massa

Para que a velocidade

dos iões seja a mesma,

o espectrómetro de

massa tem incorporado

um seletor de

velocidades que se

encontra entre a câmara

de ionização e a

entrada no campo

magnético.

B

EvBvqEqFF me

Zona do campo magnético do espectrómetro

de massa

• Na zona do campo

magnético os iões

descrevem trajetórias

circulares de raios diferentes

consoante as suas massas.

r

vmBvqFF cm

2

Br

v

m

q

Vídeo Simulação

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O ciclotrão

• O ciclotrão foi inventado por

Ernest Lawrence em 1929,

funcionou pela primeira vez em

1932, na Universidade da

Califórnia, em Berkeley e acelera

partículas carregadas, como

núcleos de hidrogénio, protões,

e núcleos de hidrogénio

pesado, deuterões, até altas

energias, de modo a poderem ser

usados em experiências de

desintegração atómicas.

(1902-1958)

Americano

Ernest Lawrence recebeu,

pelo seu trabalho, em 1939,

o Prémio Nobel da Física.

O ciclotrão

O ciclotrão é um aparelho

que se destina a acelerar

partículas com carga elétrica,

por forma a conseguir

elevadas energias cinéticas,

para que estas colidam com

outras a fim de estudar as

partículas daí resultantes,

para melhor compreender a

estrutura da matéria.

Representação esquemática de um ciclotrão

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O ciclotrão

Um protão penetra, animado de uma dada velocidade , no D

da esquerda e fica sob a influência do campo magnético ,

responsável por uma força magnética que lhe faz descrever

um movimento circular uniforme, descrevendo uma trajetória

de raio r.

B

v

Antes de penetrar no D da direita, passa

por um campo elétrico uniforme, entre os

Ds. O papel do campo elétrico , é o de

acelerar o protão, aumentando-lhe o

módulo da velocidade, o espaço entre os

Ds é percorrido com movimento retilíneo

uniformemente acelerado.

E

Vídeo 1 Simulação Vídeo 2

Acão de um campo magnético sobre um elemento de corrente estacionária

A força magnética, , que actua o segmento, l, de um fio

condutor, percorrido por uma corrente eléctrica estacionária

de intensidade, I, quando colocado num campo magnético

uniforme, , é:

mF

B

BvqFm

tIq

tv

Ivq

BIFm

Esta expressão traduz a Lei de Laplace.

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Acão de um campo magnético sobre um elemento de corrente estacionária

Características da força magnética, , que actua sobre

um elemento de corrente, :

Direcção: perpendicular ao plano definido pelo elemento de

corrente, , e pelo campo magnético, .

Sentido: dado por qualquer uma das regras do produto

vectorial ou pela regra da mão direita.

Intensidade:

Sendo o ângulo formado por e .

mF

I

I B

sinBIFm

I B

Acão de um campo magnético sobre um elemento de corrente estacionária

A força magnética, que actua sobre um elemento de

corrente:

- é sempre perpendicular ao segmento, , de fio condutor,

como se verifica pelas regras do produto vectorial;

- é nula, quando e têm a mesma direcção;

- é máxima, quando o fio condutor é perpendicular à direcção

do campo magnético, .

A partir da expressão da Lei de Laplace, podemos determinar a

intensidade do campo magnético, :

B

B

sin

I

FB m

B

BIFm

sinBIFm

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O campo magnético terrestre

A Terra comporta-se,

aproximadamente, como um

íman gigantesco; ao pólo norte

geográfico (os polos geográficos

encontram-se sobre o eixo de

rotação da Terra) corresponde o

pólo sul magnético e vice-versa.

Ao ângulo que a direção norte-

sul geográfico faz com a direção

norte-sul magnético dá-se o

nome de declinação

magnética.

O campo magnético terrestre

A origem do campo magnético

terrestre é um assunto ainda não

completamente conhecido e constitui,

por isso, tema de investigação actual

em Geofísica.

• Supõem-se que o magnetismo

terrestre seja devido a correntes

eléctricas existentes no núcleo

externo líquido da Terra que, por

sua vez, podem estar de alguma

forma ligadas com o movimento de

rotação da Terra.

O campo magnético terrestre

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O campo magnético terrestre

À escala geológica, o campo

magnético terrestre sofreu

alterações importantes ao

longo dos tempos, incluindo

inversões dos polos. A mais

recente inversão de polos

ocorreu há, aproximadamente,

700 000 anos e poderá voltar

a acontecer dentro de 2000

anos. Mas não se sabe …

ainda não há certezas sobre

as inversões polares.

Vídeo: Inversão dos polos

O campo magnético terrestre

O campo magnético terrestre forma um escudo protetor

contra o vento solar, que é o fluxo de partículas carregadas de

alta energia proveniente do Sol. Este escudo, conhecido como

magnetosfera, é o que protege a vida da Terra contra grande

parte da radiação que vem do Sol.

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O campo magnético terrestre

O campo magnético da Terra enfraqueceu pelo menos 10% nos

últimos 150 anos, o que poderá significar uma próxima

inversão dos polos. Esse enfraquecimento não implica

necessariamente a proximidade de uma inversão, mas de uma

probabilidade da mesma ocorrer.

A comunidade científica reconhece que as inversões

geomagnéticas são de natureza caótica e não há forma de

prevê-las.

Cinturões de Van Allen

Os cinturões de Van Allen são constituídos por partículas

carregadas (protões e eletrões) capturados pelo campo

magnético da Terra.

Trajetórias das partículas carregadas Vídeo: A vida no campo

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Auroras, boreal e austral

Na cintura de Van Allen inferior produzem-se emissões luminosas

chamadas auroras: a aurora boreal ou luzes do Norte, no hemisfério

norte, e a aurora austral ou luzes do Sul, no hemisfério Sul.

As auroras ocorrem com maior frequência nas regiões polares, quando

as partículas cósmicas colidem com os átomos e as moléculas do ar,

excitando-os e/ou ionizando-os. Estes, na desexcitação, emitem a luz

característica.

Auroras, boreal e austral