Campo magnético: intensidade, características, fontes, exemplos

O campo magnético é a influência que as cargas elétricas em movimento têm no espaço circundante. As cargas sempre têm um campo elétrico, mas somente as que estão em movimento podem gerar efeitos magnéticos.

A existência de magnetismo é conhecida há muito tempo. Os gregos antigos descreviam um mineral capaz de atrair pequenos pedaços de ferro: era o ímã ou a pedra magnetita.

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Figura 1. Amostra de magnetita. Fonte: Wikimedia Commons. Rojinegro81 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)].

Os sábios Thales de Mileto e Platão cuidaram de registrar os efeitos magnéticos em seus escritos; A propósito, eles também sabiam eletricidade estática.

Mas o magnetismo não estava associado à eletricidade até o século XIX, quando Hans Christian Oersted observou que a bússola se desviava nas proximidades de um fio condutor que carregava corrente.

Hoje sabemos que eletricidade e magnetismo são, por assim dizer, dois lados da mesma moeda.

Campo magnético em física

Na física, o termo campo magnético é uma magnitude vetorial, com módulo (seu valor numérico), direção no espaço e direção. Ele também tem dois significados. O primeiro é um vector às vezes chamado de indução magnética e é denotado por B .

A unidade de B no Sistema Internacional de Unidades é a tesla, abreviada T. A outra magnitude também chamada campo magnético é H , também conhecida como força do campo magnético e cuja unidade é ampere / metro.

Ambas as magnitudes são proporcionais, mas são definidas desta maneira para levar em conta os efeitos que os materiais magnéticos têm nos campos que passam por eles.

Se um material for colocado no meio de um campo magnético externo, o campo resultante dependerá dele e também da resposta magnética do próprio material. É por isso que B e H são relacionados por:

B = μ m H

Aqui u m é uma constante que depende sobre o material e é adequado para a multiplicação unidades H o resultado é tesla.

Características C de um campo magnético

-O campo magnético é uma magnitude vetorial, portanto, possui magnitude, direção e sentido.

-A unidade do campo magnético B no Sistema Internacional é a tesla, abreviada como T, enquanto H é ampere / metro. Outras unidades que aparecem com frequência na literatura são o gauss (G) e o osted.

-As linhas do campo magnético são sempre laços fechados, que deixam um polo norte e entram no polo sul. O campo é sempre tangente às linhas.

-Os pólos magnéticos sempre aparecem em pares Norte-Sul. Não é possível ter um polo magnético isolado.

– Sempre se origina no movimento de cargas elétricas.

-Sua intensidade é proporcional à magnitude da carga ou da corrente que a produz.

-A magnitude do campo magnético diminui com a distância inversa ao quadrado.

-Os campos magnéticos podem ser constantes ou variáveis, tanto no tempo quanto no espaço.

-Um campo magnético é capaz de exercer uma força magnética em uma carga em movimento ou em um fio que transporta corrente.

Pólos de um ímã

Um ímã de barra sempre tem dois pólos magnéticos: o pólo norte e o pólo sul. É muito fácil verificar se os pólos do mesmo sinal se repelem, enquanto os de tipos diferentes se atraem.

Isso é bastante semelhante ao que acontece com cargas elétricas. Também pode ser visto que, quanto mais próximos eles estão, maior a força com que eles atraem ou repelem.

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Os ímãs de barra têm um padrão distinto de linhas de campo. São curvas acentuadas, que deixam o polo norte e entram no polo sul.

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Figura 2. Linhas de campo magnético de um ímã em barra. Fonte: Wikimedia Commons.

Um experimento simples para observar essas linhas é espalhar limalhas de ferro em uma folha de papel e colocar um ímã de barra por baixo.

A intensidade do campo magnético é dada em função da densidade das linhas de campo. Eles são sempre mais densos perto dos pólos e se estendem à medida que nos afastamos do ímã.

O ímã também é conhecido como dipolo magnético, no qual os dois pólos são precisamente os pólos magnéticos norte e sul.

Mas eles nunca podem ser separados. Se o ímã for cortado ao meio, dois ímãs serão obtidos, cada um com seus respectivos pólos norte e sul. Os pólos isolados são chamados monopolos magnéticos , mas até o momento ninguém foi isolado.

Fountains

Você pode falar sobre várias fontes de campo magnético. Eles variam de minerais magnéticos, através da própria Terra, que se comporta como um grande ímã, para alcançar os eletroímãs.

Mas a verdade é que todo campo magnético tem sua origem no movimento de partículas carregadas.

Mais tarde veremos que a fonte primária de todo magnetismo reside nas pequenas correntes dentro do átomo, principalmente aquelas que ocorrem devido aos movimentos dos elétrons ao redor do núcleo e aos efeitos quânticos presentes no átomo.

No entanto, em termos de origem macroscópica, fontes naturais e artificiais podem ser consideradas.

As fontes naturais não “desligam”, em princípio, são ímãs permanentes, mas deve-se levar em conta que o calor destrói o magnetismo das substâncias.

Quanto às fontes artificiais, o efeito magnético pode ser suprimido e controlado. Portanto, temos:

-Ímãs de origem natural, feitos de minerais magnéticos como magnetita e maghemita, ambos óxidos de ferro, por exemplo.

Correntes elétricas e eletroímãs.

Minerais magnéticos e eletroímãs

Na natureza, existem vários compostos que exibem propriedades magnéticas notáveis. Eles são capazes de atrair peças de ferro e níquel, por exemplo, além de outros ímãs.

Os óxidos de ferro mencionados, como magnetita e maghemita, são exemplos dessa classe de substâncias.

A susceptibilidade magnética é o parâmetro utilizado para medir as propriedades magnéticas das rochas. As rochas ígneas básicas são aquelas com maior suscetibilidade, devido ao seu alto teor de magnetita.

Por outro lado, desde que exista um fio condutor de corrente, haverá um campo magnético associado. Aqui temos outra maneira de gerar um campo, que neste caso assume a forma de circunferências concêntricas com o fio.

A direção do movimento do campo é dada pela regra do polegar direito. Quando o polegar da mão direita aponta na direção da corrente, os quatro dedos restantes indicam a direção na qual as linhas do campo são curvas.

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Figura 3. Regra do polegar direito para obter a direção e a direção do campo magnético. Fonte: Wikimedia Commons.

Um eletroímã é um dispositivo que produz magnetismo a partir de correntes elétricas. Tem a vantagem de poder ligar e desligar à vontade. Quando a corrente cessa, o campo magnético desaparece. Além disso, a força do campo também pode ser controlada.

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Os eletroímãs fazem parte de vários dispositivos, incluindo alto-falantes, discos rígidos, motores e relés, entre outros.

Força magnética em uma carga em movimento

A existência de um campo magnético B pode ser verificada por meio de uma carga de teste elétrica – chamada q – e movida com a velocidade v . Para isso, é descartada a presença de campos elétricos e gravitacionais, pelo menos por enquanto.

Neste caso, a força experimentada pela carga q , que é designado como F B , é inteiramente devido à influência do campo. Qualitativamente, o seguinte é observado:

-A magnitude de F B é proporcional a q e à velocidade v .

-Se v é paralelo ao vetor do campo magnético, a magnitude de F B é zero.

-O força magnética é perpendicular a ambos v como B .

-Finalmente, a magnitude da força magnética é proporcional ao pecado θ, sendo θ o ângulo entre o vetor de velocidade e o vetor do campo magnético.

Todos os itens acima são válidos para cobranças positivas e negativas. A única diferença é que o sentido da força magnética é invertido.

Essas observações concordam com o produto vetorial entre dois vetores, de modo que a força magnética experimentada por uma carga pontual q , que se move com a velocidade v no meio de um campo magnético é:

F B = q v x B

Cujo módulo é:

F B = qvBsen θ

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Figura 4. Regra da mão direita para força magnética com uma carga pontual positiva. Fonte: Wikimedia Commons.

Como é gerado um campo magnético?

Existem várias maneiras, por exemplo:

-Por magnetização de uma substância apropriada.

– Passando uma corrente elétrica através de um fio condutor.

Mas a origem do magnetismo na matéria é explicada lembrando que deve estar associada ao movimento de cargas.

Um elétron que orbita o núcleo é essencialmente um pequeno circuito de corrente fechada, mas capaz de contribuir substancialmente para o magnetismo do átomo. Existem muitos elétrons em um pedaço de material magnético.

Essa contribuição para o magnetismo do átomo é chamada momento magnético orbital . Mas há mais, porque a tradução não é o único movimento do elétron. Ele também possui um momento de rotação magnética , um efeito quântico cuja analogia é a de uma rotação do elétron em seu eixo.

De fato, o momento de rotação magnética é a principal causa do magnetismo de um átomo.

Tipos

O campo magnético é capaz de assumir várias formas, dependendo da distribuição das correntes que o originam. Por sua vez, pode variar não apenas no espaço, mas também no tempo ou em ambos ao mesmo tempo.

-Na vizinhança dos polos de um eletroímã, existe um campo aproximadamente constante.

-Também dentro de um solenóide é obtido um campo de alta intensidade e uniforme, com as linhas de campo direcionadas ao longo do eixo axial.

-O campo magnético da Terra se aproxima muito bem do campo de um ímã de barra, especialmente nas proximidades da superfície. Além disso, o vento solar modifica as correntes elétricas e as deforma visivelmente.

-Um fio que transporta corrente possui um campo na forma de circunferências concêntricas com o fio.

Quanto à possibilidade ou não de o campo variar ao longo do tempo, eles têm:

Campos magnéticos estáticos, quando nem sua magnitude nem sua direção mudam ao longo do tempo. O campo de um ímã de barra é um bom exemplo desse tipo de campo. Também aqueles que se originam de fios que transportam correntes estacionárias.

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-Alterando os campos com o tempo, se alguma de suas características variar com o tempo. Uma maneira de obtê-los é através de geradores de corrente alternada, que fazem uso do fenômeno da indução magnética. Eles são encontrados em vários dispositivos comumente usados, por exemplo, telefones celulares.

Lei de Biot-Savart

Quando é necessário calcular a forma do campo magnético produzido por uma distribuição de correntes, é possível fazer uso da lei de Biot-Savart, descoberta em 1820 pelos físicos franceses Jean Marie Biot (1774-1862) e Felix Savart (1791-1841). )

Para algumas distribuições atuais com geometrias simples, uma expressão matemática pode ser obtida diretamente para o vetor do campo magnético.

Suponhamos que temos um comprimento do segmento de fio diferencial dl transportando uma corrente eléctrica I . Também será assumido que o fio está no vácuo. O campo magnético que produz esta distribuição:

-Diminua com a distância inversa ao quadrado do fio.

-É proporcional à intensidade da corrente que passa através do fio.

-Sua direção é tangencial à circunferência do raio r centralizada no fio e sua direção é dada pela regra do polegar direito.

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μ o = 4π. 10 -7 Tm / A

d B é um diferencial de campo magnético.

I é a intensidade da corrente que flui através do fio.

r é a distância entre o centro do fio e o ponto em que você deseja encontrar o campo.

-d l é o vetor cuja magnitude é o comprimento do segmento diferencial dl.

-r é o vetor que vai do fio até o ponto em que você deseja calcular o campo.

Exemplos

Abaixo estão dois exemplos do campo magnético e suas expressões analíticas.

Campo magnético produzido por um fio retilíneo muito longo

Por meio da lei de Biot-Savart, é possível obter o campo produzido por um fino fio condutor finito que carrega uma corrente I. Integrando ao longo do condutor e considerando o caso limite em que é muito longo, a magnitude do campo acontece:

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Campo criado pela bobina Helmholtz

A bobina de Helmholtz é formada por duas bobinas circulares idênticas e concêntricas, para as quais a mesma corrente é passada. Eles servem para criar um campo magnético aproximadamente uniforme no interior.

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Figura 5. Esquema das bobinas de Helmholtz. Fonte: Wikimedia Commons.

Sua magnitude no centro da bobina é:

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E é direcionado ao longo do eixo axial. Os fatores da equação são:

N representa o número de voltas das bobinas

I é a magnitude da corrente

μ o é a permeabilidade magnética do vácuo

R é o raio das bobinas.

Referências

  1. Figueroa, D. (2005). Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 1. Cinemática. Editado por Douglas Figueroa (USB).
  2. força de campo magnético H . Recuperado de: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
  3. Kirkpatrick, L. 2007. Física: Um olhar sobre o mundo. 6 ta Abridged Edition. Cengage Learning
  4. Campo Magnético e Forças Magnéticas. Recuperado de: physics.ucf.edu.
  5. Rex, A. 2011. Fundamentos de Física. Pearson
  6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Física para Ciências e Engenharia. Volume 2. 7 ma . Ed. Cengage Learning.
  7. Universidade de Vigo Exemplos de magnetismo. Recuperado de: quintans.webs.uvigo.es

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