FACULDADE PITÁGORAS

MAGNETISMO E ELETROMAGNETISMO

Prof. Ms. Carlos José Giudice dos Santos

carlos@oficinadapesquisa.com.br

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UNIDADE III• Magnetismo• Características dos imãs (polos)• Campo magnético terrestre• Eletromagnetismo• Campo magnético• Movimento de cargas elétricas em um campo

magnético• Campo magnético em um condutor• Lei de Biot-Savart, Lei de Lenz e Lei de

Faraday• Princípios de máquinas elétricas

MAGNETISMOA existência do magnetismo é conhecida há séculos.As primeiras evidências práticas do magnetismoocorreram na Grécia antiga, em um local onde foramencontrados fragmentos de um minério (pedras) quepossuíam a capacidade de atrair objetos de ferro.

Sabe-se hoje que estas pedras são constituídas porum tipo especial de óxido de ferro e são os chamadosimãs naturais ou permanentes. Por terem sidoencontradas em uma região da Grécia antiga chamadade Magnésia, o minério desses imãs naturais échamado de magnetita.

Características dos Imãs [1]O uso prático do magnetismo é conhecido pelos chinesesdesde o século XI. O mundo ocidental começou a utilizar omagnetismo de modo prático no início das grandesnavegações e no século XVI, todos já tinham como certoque a Terra era um grande imã.

Verificou-se que pedaços de ferro eram atraídos commais intensidade em certas partes do imã, que foramdenominadas de polos. Quando suspendemos um imã emforma de barra pelo seu centro, de modo que esse imãpossa girar livremente, observa-se que esse imã sempre sealinha ao longo de uma mesma direção que, hoje sabemos,coincide com o campo magnético terrestre.

Características dos Imãs [2]

Ilustração do campo magnético terrestre mostrando que o polo norte de uma bússola sempre aponta para o norte da Terra, onde se localiza o polo sul magnético.

Características dos Imãs [3]

Ilustração elaborada pela NASA da proteção do campo magnético terrestre (magnetosfera) contra o vento solar (partículas carregadas eletricamente por ação do campo magnético do sol)

Características dos Imãs [4]Todo imã tem características que devemos saber:

• Os polos de um imã recebem a denominação de polonorte magnético e polo sul magnético.

• O polo norte de um imã é aquela extremidade que,quando o imã pode girar livremente, aponta para onorte geográfico da Terra.

• O polo norte geográfico da Terra coincide com o polosul magnético da Terra.

• Assim, no caso de imãs, polos contrários se atraem (N-S ou S-N), e polos iguais se repelem (N-N ou S-S).

• Os polos de um imã são inseparáveis.

Características dos Imãs [5]O princípio da inseparabilidade dos polos nos diz que éimpossível experimentalmente se obter um polo magnéticoisolado. Se quebramos a barra de um imã em duas, dois polosvão aparecer em cada uma das duas barras. Se continuarmoscom esse processo, sempre vamos ter uma partículaportadora de dois polos.

Assim, não existe um monopolo magnético, embora elestenham sido previstos pelos físicos teóricos. A busca de ummonopolo magnético em experiências com aceleradores departículas, em sedimentos retirados do fundo dos oceanos ecom rochas lunares até hoje de mostrou infrutífera. Emoutras palavras, os polos magnéticos são inseparáveis naprática.

Características dos Imãs [6]Conforme vimos em ilustrações anteriores, a Terra funcionacomo um grande imã, e o campo magnético da Terra,denominado de magnetosfera, protege o nosso planeta contra aradiação de partículas carregadas eletricamente e que sãoprovenientes do sol (vento solar).

A intensidade destas partículas que vem do sol varia a cada 11anos terrestres, e sem essa proteção do campo magnéticoterrestre, a vida na Terra correria um grande risco.

Sem a proteção do campo magnético terrestre, todos osaparelhos eletrônicos queimariam. A magnetosfera se estendecomo um manto protetor a até 64.000 Km da Terra, e ofenômeno conhecido como aurora boreal corresponde aochoque do vento solar com essa magnetosfera.

Características dos Imãs [6]Os imãs naturais são corpos de materiaisferromagnéticos. É importante destacar que, a rigor,não existe material magnético. A classificação a seguirmostra os diferentes tipos de material magnético:

• Materiais ferromagnéticos: são materiais quecomumente são chamados de magnéticos, pelo fatode serem atraídos por imãs (ferro, níquel, cobalto esuas ligas).

• Materiais paramagnéticos: são aqueles atraídos porimã de maneira muito fraca (paládio, platina, sódio,potássio e algumas ligas raras do ferro).

Características dos Imãs [7]• Materiais diamagnéticos: são materiais que são repelidos

pelos imãs, qualquer que seja o polo aproximado do material.É um efeito muito fraco e confundido erroneamente commaterial não magnético, sendo característico de todo o tipode matéria que não se encaixe nas outras categorias, masde forma praticamente imperceptível. Os metaisdiamagnéticos mais comuns são a prata e o bismuto.

• Materiais ferrimagnéticos: são aqueles que permitemreceber uma forma especial de magnetização, projetadapara a constituição de aparelhos eletrônicos específicos. Éo caso do manganês e da ferrita (substância criada a partirde óxido de níquel, cobalto e de zinco). Esses materiais sãotambém conhecidos antiferromagnéticos.

Eletromagnetismo [1]O estudo do magnetismo se desenvolveu totalmenteseparado do estudo da eletricidade até o início do séculoXIX, ou seja, até essa época o magnetismo e a eletricidadeeram dois fenômenos isolados estudados pela Física.

Entretanto, algo notável aconteceu no início do século XIX,e esse fato foi observado por um físico dinamarquêschamado Hans Christian Oersted. Durante uma de suasaulas, Oersted descobriu que uma agulha magnética (de umabússola) é desviada quando colocada nas proximidades de umfio que conduz uma corrente elétrica. Desde então, omagnetismo e a eletricidade passaram a ser estudados comodois fenômenos relacionados entre si.

Eletromagnetismo [2]Como resultado do fenômeno observado por Oersted,ficou estabelecido o princípio básico de todos osfenômenos magnéticos, assim enunciado:

“Quando duas cargas elétricas estão em movimento,aparece entre elas, além da força eletrostática, uma outraforça, denominada força magnética”. Isso significa dizerque se as cargas estiverem em repouso, entre elas haveráapenas a força eletrostática.

Assim, se tivermos um fio conduzindo corrente elétrica, eaproximarmos uma bússola deste fio, a agulha serádesviada, apontando para o fio que conduz a correnteelétrica.

Eletromagnetismo [3]

Experiência de Oersted demonstrando como cargas elétricas em movimento ao longo de um fio produzem um campo magnético que altera a posição de uma agulha imantada.

Campo Magnético [1]

Campo Magnético [2]

Imagens de campos magnéticos criados por imãs (à esquerda) e por uma corrente elétrica (à direita).

Campo Magnético [3]

Imagens de campos magnéticos criados por fios retos (à esquerda) e espiras (à direita)

Campo Magnético [4]

Campo Magnético [5]

Campo Magnético [6]

Exercício de Fixação [1]

Exercício de Fixação [2]

Campo magnético em um condutor retilíneo [1]

Se considerarmos um condutor retilíneo bem comprido,percorrido por uma corrente elétrica, em torno deste condutorserá criado um campo magnético circular (conforme figura 1abaixo). O sentido desse campo magnético pode serdeterminado pela regra de Ampère (conforme figura 2).

Figura 1: Campo magnético em torno de um fio condutor.

Figura 2: Regra de Ampère para descobrir o sentido do campo magnético em função da direção da corrente elétrica que percorre um fio condutor.

Campo magnético em um condutor retilíneo [2]

A partir de experiências realizadas por físicos, verificou-seque quando temos um condutor retilíneo por onde passa umacorrente em um campo magnético, sobre esse condutor seráexercido uma força. Considere o circuito elétrico simplesmostrado abaixo:

Lembrando da regra do tapa com a mão direita, o polegarrepresenta o sentido da corrente elétrica nesse circuito, osquatro dedos representam o sentido do campo magnético e apalma da mão nos dá o sentido da força exercida sobre o fio.

Campo magnético em um condutor retilíneo [3]

Para podermos entender, considere o desenho seguinte:

Na figura, os “x” representam

as linhas do campo magnético

entrando nessa superfície.

Então colocamos um condutor

retilíneo com uma correnteelétrica i no sentido mostrado na figura. Sobre esse condutor,será exercida uma força F. Qual a direção e o sentido dessaforça? Usando a regra do tapa com a mão direita, veremos quesobre esse condutor será exercida uma força no sentidohorizontal, na direção esquerda.

Exercício de fixação 1

A partir da imagem abaixo, mostre a direção e o sentido daforça exercida sobre o fio condutor.

Exercício de fixação 2

A partir da imagem abaixo, mostre a direção e o sentido daforça exercida sobre o fio condutor. Considere os pontoscomo linhas de indução magnética saindo da superfície.

Exercício de fixação 3

A partir da imagem abaixo, mostre a direção e o sentido daforça exercida sobre o fio condutor. Considere o ponto nocírculo como o sentido da corrente na seção do fio condutor.

Cálculo da força sobre o condutor

Os exemplos anteriores mostram o fio condutor em umaposição perpendicular ao campo magnético. Caso o campomagnético faça um ângulo � com o fio condutor, a forçaexercida sobre o fio será:

� = �. �. �. ��

Onde: F = força, medida em N

B = vetor campo magnético, medido em T

i = intensidade da corrente elétrica, em A

L = comprimento do fio, em metros

� = ângulo entre campo e corrente

Exercício de fixação 4

A partir da imagem abaixo, calcule o módulo, direção esentido da força exercida sobre o fio condutor. Considere:

B = 1 T

i = 1 A

L = 0,5 m

� = 45º

sen� = 2/2

Aplicações desse princípio

A principal aplicação da força magnética induzida em um fiocondutor decorrente da interação entre a corrente elétricaque percorre o fio e do campo magnético que atua sobre ofio são os motores elétricos, em especial, os motores decorrente contínua.

Aplicações desse princípio