Conforme combinado postarei no blog materiais que serão utilizados em aula.
Att, Prof Diego
Fórmulas de Física. Baixar
- Ímãs
- Campo Magnético num Condutor/Fio Retilíneo
- Campo Magnético no Centro de uma Espiral Circular
- Campo Magnético no Interior de um Solenoide
- Força Magnética sobre uma Carga
- Força Magnética sobre um Fio Retilíneo
- Força Magnética entre fios Paralelos
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ELETROMAGNETISMO
O Eletromagnetismo é a parte da Física que estuda as inter-relações entre eletricidade e magnetismo e baseia-se em três fenômenos físicos fundamentais:
(I) Correntes elétricas criam em seu entorno campos magnéticos;
(II) Condutores percorridos por corrente elétrica, imersos em campo magnético, podem ficar sujeitos à ação de forças; e
(III) A variação do fluxo magnético através de um condutor pode induzir corrente elétrica nesse condutor.
O estudo do Eletromagnetismo também nos possibilita entender o comportamento dos ímãs e a ocorrência das auroras polares. Na Medicina moderna, sua aplicação no diagnóstico por imagem, como a ressonância magnética nuclear, é muito importante.
ÍMÃS
Os ímãs têm a propriedade de atrair objetos de ferro. Esse fato foi observado pela primeira vez com um minério de ferro chamado magnetita.
Os ímãs são de origem natural ou artificial, imãs naturais são rochas vulcânicas compostas por óxido de ferro. A magnetita é um exemplo de ímã natural e foi o primeiro material em que propriedades magnéticas foram observadas. Essas rochas foram inicialmente descobertas na cidade Magnésia, que deu origem ao nome “magnetismo” e tem a propriedade de atrair pedaços de ferro. Já os ímãs artificiais são materiais que adquirem propriedades magnéticas ao serem imantados, ao serem aproximados ou atritados a outros ímãs ou ainda através da passagem de corrente elétrica, conhecidos como eletroímãs.
Os ímãs possuem dois polos magnéticos em suas extremidades, polo norte e sul magnéticos. Polos magnéticos contrários (norte-sul) se atraem e polos magnéticos de mesmo nome, se repelem (norte-norte e sul-sul). Os polos magnéticos são indivisíveis, por mais que ímãs sejam divididos ou quebrados em pequenas partes, o material se reorganiza e os polos magnéticos são mantidos, ou seja, não existe nomopolo (um polo) magnético.
Em resumo: Polos magnéticos de mesmo nome se repelem e polos magnéticos de nomes diferentes se atraem.
Esse fato leva-nos a concluir que, se o polo norte magnético da agulha da bússola aponta para o polo norte geográfico, é porque no polo norte geográfico existe um polo sul magnético. Da mesma forma, no polo sul geográfico existe um polo norte magnético.
Salientamos ainda que, na verdade, os polos geográficos e os polos magnéticos da Terra não estão exatamente no mesmo local.
O polo sul magnético da Terra encontra-se no Canadá, a cerca de 1300 km do polo norte geográfico, e seu polo norte magnético está na costa do continente antártico. Dessa maneira, a Terra se comporta aproximadamente como o ímã representado, que forma cerca de 11° com a direção norte-sul geográfica.
CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME
De maneira análoga ao campo elétrico uniforme, é definido como o campo ou parte dele onde o vetor indução magnética é igual em todos os pontos, ou seja, tem mesmo módulo, direção e sentido. Assim sua representação por meio de linha de indução é feita por linhas paralelas e igualmente espaçadas. A parte interna dos imãs em forma de U aproxima um campo magnético uniforme.
Campo Magnético num Condutor/Fio Retilíneo
Inicialmente, a eletricidade e o magnetismo foram estudados de forma separada, pois filósofos gregos pensavam que esses dois ramos da física não tinham relação. Porém, após os experimentos de Cristian Oersted foi possível verificar que eletricidade e magnetismo tinham sim uma relação. Em seus experimentos, Oersted pôde comprovar que um fio percorrido por uma corrente elétrica gerava a sua volta um campo magnético. Essa comprovação veio através da movimentação da agulha de uma bússola.
Oersted colocou uma bussola próximo a um condutor percorrido por uma corrente elétrica e verificou que ela se orientava em um sentido diferente do sentido que assumia quando cessava a corrente elétrica no fio.
Após diversos estudos, verificou-se que a corrente elétrica produz um campo magnético proporcional à intensidade da corrente, isto é, quanto mais intensa for a corrente elétrica que percorre o fio, maior será o campo magnético produzido a sua volta.
Podemos determinar o sentido do campo magnético em torno do fio condutor através de uma simples regra conhecida como regra da mão direita. Nesta regra usamos o polegar para indicar o sentido da corrente elétrica e os demais dedos indicam o sentido do campo magnético.
A intensidade do campo magnético gerado ao redor do fio condutor retilíneo é dada pela seguinte equação:
Onde μ é a grandeza física que caracteriza o meio no qual o fio condutor está imerso. Essa grandeza é chamada de permeabilidade magnética do meio. A unidade de μ, no SI, é T.m/A (tesla x metro/ampere).
Para o vácuo, a permeabilidade magnética (μo) vale, por definição:
μo = 4πx10-7 T.m/A
Vejamos um exemplo:
Suponha que temos um fio percorrido por uma corrente de intensidade igual a 5A. Determine o campo magnético de um ponto situado a 2cm do fio.
Calculamos o campo através da equação acima, portanto, temos que as grandezas envolvidas no exemplo são:
i = 5A, R = 2cm = 2x10-2m. Calculemos.
Campo Magnético no Centro de uma Espiral Circular
Motores elétricos, transformadores, eletroímãs e outros equipamentos eletrônicos, são dispositivos que utilizam uma bobina de fio enrolado que cria um campo magnético com determinada finalidade.
Uma bobina é formada por várias espiras.
Consideremos uma espira circular de centro O e raio R, por onde passa uma corrente elétrica. Observe que em torno do condutor se estabelece um campo magnético, como observado na figura abaixo.
O vetor indução magnética no centro da espira tem as seguintes características:
1. direção perpendicular ao plano da espira
* Regra da mão direita:
Imagine que sua mão direita envolva o fio da espira como na figura acima.
O polegar representa o sentido da corrente elétrica, os demais dedos, a direção e o sentido do campo magnético.
3. intensidade do vetor indução magnética no centro da espira depende da intensidade da corrente elétrica, do raio da espira e do meio onde ela se encontra.
A equação que representa a intensidade do campo magnético no centro da espira é:
Onde:
B = intensidade do campo magnético (unidade Tesla T)
μ = permeabilidade magnética do meio (unidade T.m/A)
i = intensidade de corrente elétrica (unidade Ampère A)
R = raio da espira (unidade metro m)
Concluímos então que o campo magnético B é diretamente proporcional à intensidade de corrente elétrica i e inversamente proporcional ao raio R da espira.
Campo Magnético no Interior de um Solenoide
Solenoide é um condutor longo e enrolado de modo que forma um tubo constituído de espiras igualmente espaçadas. Aplicando uma corrente no fio, ele gera um campo magnético.
O campo magnético no interior do solenoide é representado pelas linhas de campo magnético.
Na física chamamos de solenoide todo fio condutor longo e enrolado de forma que se pareça com um tubo formado por espiras circulares igualmente espaçadas. Este condutor também pode ser chamado de bobina chata. Portanto, ao se deparar com ambos os nomes, lembre-se que eles são sinônimos, pois nos dois casos temos um agrupamento de espiras.
O enrolamento de um fio sobre um tubo de caneta, por exemplo, é um solenoide. Configuramos um solenoide a partir da reunião das configurações das linhas de campo magnético produzidas por cada uma das espiras. Para fazermos um solenoide basta enrolarmos um fio longo sobre um tubo de caneta, por exemplo. A figura abaixo nos mostra um solenoide percorrido por uma corrente elétrica i e de comprimento L.
Como todo fio condutor percorrido por uma corrente elétrica gera ao seu redor um campo magnético, não é diferente para um solenoide. O campo magnético gerado em um solenoide possui as seguintes características:
• No interior do solenoide consideramos o campo magnético como sendo uniforme, portanto, as linhas de indução são paralelas entre si.
• Quanto mais comprido for o solenoide, mais uniforme será o campo magnético interno e mais fraco o campo magnético externo.
Para o campo magnético uniforme no interior do solenoide teremos um vetor indução em qualquer ponto interno do solenoide, portanto, como se trata de um vetor, ele terá intensidade, direção e sentido.
O módulo, isto é, a intensidade do campo magnético no interior de um solenoide é obtido através da seguinte equação:
Onde:
μ é a permeabilidade magnética do meio no interior do solenoide
N é o número de espiras
L é o comprimento do solenoide.
A direção do vetor indução magnética é retilínea e paralela ao eixo do solenoide.
O sentido é obtido através da regra da mão direita.
Como existe um campo magnético no interior do solenoide, podemos dizer que as extremidades de um solenoide são seus polos.
FORÇA MAGNÉTICA
A força magnética é resultado da interação entre dois corpos dotados de propriedades magnéticas, como ímãs ou cargas elétricas em movimento.
A força magnética, ou força de Lorentz, é resultado da interação entre dois corpos dotados de propriedades magnéticas, como ímãs ou cargas elétricas em movimento.
Força Magnética sobre uma Carga
No caso das cargas elétricas, a força magnética passa a existir quando uma partícula eletricamente carregada se movimenta em uma região onde atua um campo magnético.
Considerando que uma carga pontual Q, com velocidade V, é lançada em uma região onde existe um campo magnético uniforme B, passa a atuar sobre ela uma força magnética com intensidade dada pela seguinte equação:
A direção do campo magnético é perpendicular ao plano que contém os vetores v e F, e o sentido é dado pela regra da mão direita. Observe a figura:
A regra da mão direita mostra o sentido da velocidade, do campo e da força magnética.
Veja que o dedo médio aponta na direção do campo magnético B, o indicador indica a direção da velocidade V com que a carga se movimenta e o polegar aponta no sentido da Força magnética F.
O movimento adquirido pela carga elétrica ao entrar em contato com o campo magnético depende do ângulo em que ela foi lançada:
Quando a partícula lançada possui velocidade paralela às linhas de indução do campo magnético, a força magnética é nula.
Observe que, nesse caso, o ângulo α = 0º ou α = 180 º. A equação que utilizamos para calcular a força é:
E o sen 0º = sen 180º = 0
Substituindo na equação, teremos:
F = 0
Se a força é igual a zero, a partícula mantém-se com a mesma velocidade e realiza movimento retilíneo uniforme na mesma direção do campo magnético.
Partícula lançada perpendicularmente ao campo magnético: o ângulo entre v e B será α = 90º. Como sen 90º = 1, teremos:
F = Q.v.B.1
F = Q.v.B
O movimento executado pela partícula é circular e uniforme, e o raio de sua trajetória é obtido da seguinte forma:
Sabemos que:
Igualamos as expressões
e obtemos:
Quanto maior for a massa da partícula, maior será o raio de sua trajetória.
Partícula lançada obliquamente às linhas de campo: Nesse caso, devemos considerar as componentes x e y do vetor velocidade. A velocidade vx tem o mesmo sentido que as linhas de campo magnético, enquanto vy é perpendicular. A resultante da velocidade ocasiona um movimento circular e uniforme, com direção perpendicular ao vetor B, que pode ser denominado de helicoidal uniforme.
A unidade de medida da força magnética é a mesma de qualquer outro tipo de foça: o Newton. Existem inúmeras aplicações da força magnética, dentre elas, podemos citar os seletores de velocidade, motores elétricos e galvanômetros.
Força Magnética sobre um Fio Retilíneo
Quando as cargas elétricas se movimentam no interior de um fio condutor de eletricidade, dizemos que há corrente elétrica, e a representação dessa corrente é dada pela letra i.
Ao colocarmos um determinado fio percorrido por uma corrente elétrica dentro de um campo magnético, verifica-se que ele sofre a ação de uma força, que chamamos de força magnética, representada pela letra F.
Em um condutor retilíneo percorrido por corrente elétrica de intensidade i, cada uma das cargas, que se movem com uma velocidade v, fica sujeita à ação de uma força magnética cuja intensidade é F e é dada pela equação:
Sendo Ө o ângulo formado entre a velocidade da carga e o campo magnético.
Para um condutor retilíneo de comprimento l, percorrido por uma corrente i, temos:
Onde:
B - Campo Magnético;
i – Corrente Elétrica;
l – Comprimento do Fio;
Ө - É o ângulo formado entre a corrente elétrica e o campo magnético.
Força Magnética entre fios Paralelos
Os fios paralelos que conduzem corrente elétrica podem sofrer atração ou repulsão magnética. Isso dependerá dos sentidos da força e da corrente.
Ampère fez estudos relacionados à força magnética produzida entre dois fios que conduzem energia elétrica. Em seus estudos, ele conseguiu determinar a intensidade do campo magnético produzido por essa corrente elétrica. Como podemos verificar na figura abaixo, a força magnética entre dois fios paralelos e separados por uma distância d pode ser determinada da seguinte maneira.
Inicialmente, devemos fazer os cálculos da intensidade do campo magnético B1 na posição do fio 2. Dessa forma, o campo produzido pela corrente i1 vale:
Em seguida, podemos efetuar os cálculos do módulo da força magnética que atua sobre o fio 2 por meio da seguinte equação: F1 = B1.i2.L. Nessa equação, L é o comprimento do fio. Dessa forma, podemos ver que a força magnética que atua no fio 2 é dada pela seguinte relação:
De tal modo, podemos dizer que o mesmo efeito ocorre para o campo magnético gerado pelo fio 2. Assim, o campo magnético criado pela corrente i2, na posição do fio 1, também produz uma força sobre a corrente i1. Essa força tem a mesma intensidade que a força F2, mas tem sentido contrário. Essas duas forças formam um par de ação e reação.
Utilizando a regra da mão direita, podemos ver que, se as correntes estiverem no mesmo sentido, a força magnética entre os fios será de atração. Caso as correntes possuam sentidos contrários, a força será de repulsão entre os fios.
REFERENCIAL TEÓRICO
MÁXIMO, Antônio; ALVARENGA, Beatriz. Física: Ensino Médio, Volume Único, 2012.
BONJORNO, José Alberto; BONJORNO, Regina Azenha; BONJORNO, Valter; CLINTON, Márcico Ramos. Física: Fundamental, Volume Único, 2006.
BONJORNO, José Alberto; BONJORNO, Regina de Fátima Souza Azenha; BONJORNO, Valter; BONJORNO, Mariza Azzolini; CLINTON, Márcico Ramos; EDUARDO PRADO, de Pinho; CASEMIRO, Renato. Física: Eletromagnetismo e Física Moderna, V. 3, 2016.
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