Nesta unidade temática, você vai aprender

• Conceitos de campos magnéticos;

• Conceitos de forças magnéticas e aplicações;

• Indução eletromagnética;

• Propriedade dos ímãs.

ELETROMAGNETISMO

Eletromagnetismo é o ramo da Física que estuda as interações elétricas e magnéticas em conjunto.

MAGNETISMO

Magnetismo é a propriedade de certos materiais atraírem materiais com um certo teor de ferro.

Ímãs

São pedaços de metais ferrosos que têm a propriedade de se atraírem ou repelirem mutuamente e de atraírem pedaços de ferro. As observações desses fenômenos magnéticos são muito antigas. Esses materiais ferrosos, hoje denominados de magnetita (Fe3O4), eram muito comuns na região da Ásia conhecida por Magnésia, e o grego Tales de Mileto, no século VI a.C., foi um dos primeiros a fazer observações dos fenômenos magnéticos. Os ímãs podem ser naturais (permanentes) ou artificiais (temporários).

Em qualquer ímã, por menor que seja, existem duas regiões distintas onde as suas propriedades magnéticas se manifestam mais intensamente. Essas regiões são denominadas polos magnéticos do ímã.

Quando um ímã está livre para girar em torno do seu centro de gravidade, em um plano horizontal, um dos seus polos aponta sempre para próximo do Norte geográfico da Terra. Esse polo é chamado polo norte magnético do ímã. O outro polo, que aponta para próximo do polo Sul geográfico da Terra, é chamado polo sul magnético do ímã, Figura 1.

Princípio Fundamental

A Figura 2 (A e B) representa a interação de atração e de repulsão entre os polos de um ímã. 

A Terra

A Terra, devido ao núcleo de ferro líquido, pode ser considerada um grande ímã em cujo Norte geográfico se situa o seu polo Sul magnético e em cujo Sul geográfico está o polo Norte magnético, como indicado na Figura 3.

Inseparabilidade

Constata-se, experimentalmente, que é impossível isolar os polos de um ímã. Ou seja, quando dividimos um ímã, em cada pedaço sempre haverá um polo norte e um polo sul.

CAMPO MAGNÉTICO

Chama-se campo magnético B, ou vetor indução magnética B, a região do espaço modificada pela presença de um ímã, de um condutor percorrido por uma corrente elétrica ou de um corpo eletrizado em movimento. O vetor indução magnética caracteriza a intensidade, a direção e o sentido do campo magnético em um ponto do espaço. 

A unidade de indução magnética no S.I. é o tesla (T), sendo

Linhas de indução são linhas que permitem uma visualização do campo magnético. Têm as seguintes características:

• São tangentes ao vetor indução magnética em cada ponto;

• São orientados no sentido deste vetor;

• São sempre fechadas, isto é, não têm fontes nem sorvedouros;

• A densidade das linhas de indução permite avaliar a intensidade do campo magnético em determinada região.

Experiência de Oersted

O físico Hans Christian Oersted provou, experimentalmente, que um fio condutor percorrido por uma corrente elétrica é capaz de provocar deflexão da agulha de uma bússola colocada nas suas proximidades.

A experiência de Oersted provou que uma corrente elétrica produz efeitos magnéticos, e que, portanto, os fenômenos elétricos e magnéticos estão fortemente relacionados entre si, constituindo dois aspectos diferentes do comportamento das cargas elétricas.

CAMPO MAGNÉTICO GERADO POR UM CONDUTOR 

Dado um condutor longo (fio), percorrido por uma corrente elétrica, nas suas proximidades, a corrente produz um campo magnético em um ponto P, Figura 4, cujo vetor indução magnética tem as seguintes características: 

O módulo do campo magnético em um fio é dado pela Equação 1: 

• Direção: perpendicular ao plano formado pelo fio e pela reta perpendicular ao fio que contém o ponto P. 

• Sentido: dado pela “regra da mão direita”. Coloque o polegar no sentido da corrente e com os demais dedos segure o fio em um movimento circular. Os dedos indicam o sentido do campo magnético.

As linhas de indução, nesse caso, são círculos concêntricos com o fio.

A permeabilidade magnética do vácuo (𝜇0) é uma constante, em unidades do S.I., vale: 

CAMPO MAGNÉTICO GERADO POR UMA ESPIRA

Quando o fio tiver um formato geométrico, temos uma espira, circular, triangular, retangular ou quadrada. A Figura 5 indica o vetor indução magnética em uma espira. 

Intensidade da indução magnética no centro de uma espira circular é dado pela Equação 2. 

CAMPO MAGNÉTICO GERADO POR UM SOLENOIDE

Quando um o fio for enrolado em torno de um pedaço de ferro, tem-se a geometria de um solenoide, Figura 6.

Intensidade da indução magnética no interior de um solenoide é dada pela Equação 3. 

Onde N, é o número de Espiras (voltas) e o comprimento. A razão , é denominada densidade de espiras.

O campo magnético de um solenoide se comporta como o de um ímã em forma de barra. Um solenoide muito longo percorrido por uma corrente elétrica constante produz um campo magnético uniforme em seu interior, com linhas de indução paralelas ao eixo do solenoide, exceto nas proximidades das bordas. Nos pontos exteriores ao solenoide, o campo é nulo.

FORÇA MAGNÉTICA SOBRE UMA CARGA 

A força magnética 𝐹𝑚, quando age sobre uma partícula eletrizada com carga positiva q, quando a partícula se move, com velocidade v, na região de um campo magnético de indução B, Figura 7, tem as seguintes características: 

O módulo é dado pela Equação 4. 

𝐹m = 𝐵𝑞𝑣 𝑠𝑒𝑛𝜃 

Equação 4

Direção: perpendicular ao plano determinado por  B e v.

O ângulo 𝜃 é entre o campo magnético e a velocidade.

Sentido: dado pela regra da mão direita, Figura 8.

• Polegar: velocidade da carga;

• Indicador: campo magnético;

• Palma: força magnética.

Obs.: Caso a carga seja negativa, deve-se inverter o sentido de uma das grandezas acima.

O movimento de uma carga em um campo magnético uniforme tem duas situações extremas:

1. Aquela em que a velocidade da carga é paralela ao campo, a partícula realiza um movimento retilíneo uniforme, devido ao fato de ser nula a força magnética;

2. Aquela em que a velocidade da carga é perpendicular ao campo, nesse caso a força magnética atua como uma força centrípeta, forçando a partícula a realizar um movimento circular uniforme, ou seja, a descrever uma trajetória circular com velocidade de módulo constante, de raio, Equação 5.

FORÇA MAGNÉTICA SOBRE UM FIO CONDUTOR

Quando um elemento de corrente elétrica percorre um condutor, a força magnética que age é dada pela Equação 6 e indicada na Figura 9.

A direção e o sentido dados pela regra da mão direita: basta trocar a velocidade pela corrente elétrica (convencional). Assim, a força será sempre perpendicular à palma da mão e saindo. 

INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

A indução eletromagnética é o fenômeno que consiste no aparecimento de uma corrente elétrica em uma espira quando há movimento relativo entre a espira e um ímã. A corrente que, nestas condições, aparece na espira, recebe o nome de corrente induzida. Aparecerá uma corrente induzida em um circuito sempre que houver variação do fluxo da indução magnética através da área limitada pelo circuito, seja pela variação da intensidade B da indução ou pela variação da área ou do ângulo que B faz com a normal à área no decurso do tempo.

Fluxo Magnético

O módulo do fluxo da indução magnética através de uma superfície aberta é igual ao número de linhas de indução que atravessam a superfície. É dado pela Equação 7 e indicado na Figura 10.  

Onde: 𝜑, é o fluxo em Weber (Wb); B é o campo em Tesla (T). 

A é a área da superfície em 𝑚2 ; 𝜃 é o ângulo entre o vetor normal à superfície , e o  campo magnético. 

O módulo do fluxo da indução magnética através de uma superfície fechada é nulo. 

Lei de  Faraday

A lei de Faraday, referente à indução de uma f.e.m. (ddp)(e) em um circuito, pode ser assim enunciada: “Toda vez que o fluxo magnético através da área limitada por um circuito variar com o decorrer do tempo, será induzida nesse circuito uma força eletromotriz”. A Equação 8 representa a lei de Faraday.

Onde: e é a fem(ddp), em Volts (V); 𝛥𝜑 é a variação do fluxo, em Wb. 

𝛥𝑡 é intervalo de tempo, em s. 

Uma   barra metálica   que   se move   com velocidade constante   dentro de um campo magnético ficará sob  ação de uma força  magnética.  A força provoca um deslocamento de cargas, devido à indução   magnética, gerando nas extremidades uma ddp, expressa pela Equação 9: 

Onde: e  é a fem(ddp), em Volts (V); L  é o comprimento da barra, em m.

 v é a velocidade em m/s.

Ao   ligarmos   as   extremidades   da   barra  a uma resistência, haverá um movimento de partículas, gerando uma corrente elétrica induzida, Equação 10.

Onde: 

e é a fem(ddp), em Volts (V); R é a resistência, em 𝛺. 

𝐼IND  é a corrente induzida em A. 

Lei de  Lenz

A lei  de  Lenz  constitui  uma  regra  prática  para  a  determinação  do  sentido  da corrente induzida em um circuito.