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FÍSICA – ELETRICIDADE AULA 4 Prof.ª Fernanda Fonseca 2 CONVERSA INICIAL O estudo da Eletricidade se une ao estudo do Magnetismo, compondo uma área da Física denominada Eletromagnetismo. Tecnologias da área industrial, da comunicação, da área médica, além da ciência em si, têm como princípio de funcionamento os fenômenos eletromagnéticos. Nesta aula, vamos estudar o Magnetismo, as fontes de campos magnéticos e as características magnéticas dos diferentes materiais. Esse estudo nos permite compreender o funcionamento de motores elétricos, sensores hall, entre outros dispositivos eletromagnéticos. TEMA 1 – MAGNETISMO Ainda que fenômenos magnéticos tenham sido observados e registrados desde a Antiguidade, pouco se sabia sobre eles até o século XVIII. Na Grécia Antiga, Plínio, o Antigo, apresenta um relato sobre um pastor de ovelhas que encontrou um mineral magnético, o qual recebeu o nome de magnetita. Não se sabe ao certo se o nome deriva do nome do pastor, Magnes, ou do local em que esse mineral foi encontrado, Magnésia – região da Grécia nas proximidades do Mar Egeu, na Tessália (Rocha, 2002). Entretanto, há registros realizados por Platão de minerais encontrados na Ásia, em uma cidade também chamada Magnésia, a oeste da atual Turquia, nas proximidades de Mileto. Apesar disso, os pioneiros no uso das propriedades magnéticas desse mineral foram os chineses, utilizando-o em bússolas. Apenas no período medieval que Petrus Peregrinus divulga estudos mais profundos sobre os ímãs, criando o conceito de polo magnético, sendo o primeiro a observar que não é possível separar os polos de um ímã. Mas, já no século XX, “Paul A. Dirac, explorando alguns aspectos relativos às equações de Maxwell [tema de aulas seguintes], apresentou argumentos bastante fortes a favor da existência de monopólios magnéticos, os quais ainda não foram confirmados pela experiência” (Rocha, 2002, p. 202). No século XVI, William Gilbert publica o livro De Magnete, no qual apresenta observações e experimentos sobre as propriedades magnéticas do ímã, propondo uma concepção de que o fenômeno de atração e repulsão não seria decorrente da transmissão de um fluido (eflúvio), mas que seria sim 3 decorrente de uma esfera de influência que circundava o corpo magnético, que podemos associar ao conceito de campo magnético. Foi Gilbert também que apresentou as diferenças entre fenômenos de origem magnética e fenômenos de origem elétrica. “Ele observava que a atração elétrica podia ser ‘barrada’ pela umidade do ar ou pela água, por exemplo, enquanto a atração mútua entre o ímã e o ferro não podia” (Rocha, 2002, p. 203). Foi Gilbert também quem observou que a agulha magnética de uma bússola aponta sempre para os polos magnéticos terrestres, contribuindo para a compreensão de que a Terra se comporta como um grande ímã esférico (Figura 1). Figura 1 – Campo magnético terrestre 4 Observe na Figura 1 que o polo sul magnético se encontra nas proximidades do polo norte geográfico terrestre, e que o polo norte magnético se encontra nas proximidades do polo sul geográfico. 1.1 Campo magnético O campo magnético é uma região de influência magnética gerada por um corpo magnético. Esse campo é representado graficamente por linhas, assim como o campo elétrico, mas que são orientadas saindo do polo norte magnético e chegando ao polo sul magnético. As regiões dos polos são regiões de maior densidade de linhas, pois a proximidade das linhas indica a intensidade do campo, ou seja, nas regiões cujas linhas são próximas (regiões de maior densidade de linhas de campo), o campo magnético é mais intenso que nas regiões cujas linhas são mais distantes (regiões de menor densidade de linhas de campo). Os polos magnéticos de um corpo magnético são caracterizados pela alta intensidade do campo magnético nas regiões. Veja na Figura 2 a seguir. Figura 2 – Campo magnético Créditos: attaphong/Shutterstock. 5 1.2 Força magnética Quando uma carga elétrica em movimento penetra em uma região de campo magnético �⃗� , de forma que sua velocidade 𝑣 não seja paralela à direção do campo magnético, essa carga sofre a ação de uma força magnética 𝐹 , que pode ser determinada pela equação 1. 𝐹𝑚⃗⃗ ⃗⃗ = 𝑞𝑣 × �⃗� (1) Essa força, por sua vez, será perpendicular ao plano que contém os vetores 𝑣 e �⃗� . Essa direção pode ser definida pela regra da mão direita (Figura 3), e seu módulo pode ser determinado pela equação 2. 𝐹𝑚 = |𝑞| ∙ 𝑣 ∙ 𝐵 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜃 (2) Figura 3 – Regra da mão direita para cargas positivas Fonte: adaptado de Guia do Estudante, S.d. Veja que a regra da mão direita indica a força magnética 𝐹𝑚⃗⃗ ⃗⃗ pela direção e pelo sentido do empurrão sobre uma carga elétrica com velocidade 𝑣 em uma região de campo magnético �⃗� . No caso de uma carga negativa, a força magnética terá sentido contrário, sendo dada por um empurrão com as “costas” da mão. O campo magnético é definido em função da força e da velocidade da carga elétrica, por isso, o tesla (unidade de medida de campo magnético) pode ser definido por 1 𝑇 = 1 𝑁/𝐶 𝑚/𝑠 = 1 𝑁 𝐴∙𝑚 . 6 Uma carga elétrica em movimento, ao imergir em uma região de campo magnético, sofre uma força magnética que desvia sua trajetória, descrevendo uma trajetória circular de raio R. Esse raio pode ser determinado pela relação entre a força magnética e a força centrípeta. Para uma partícula eletrizada que incide com velocidade 𝑣 perpendicular ao campo magnético �⃗� , o raio da trajetória será dado pela equação 3. 𝐹𝑐 = 𝐹𝑚 𝑚 𝑣2 𝑅 = |𝑞|𝑣𝐵 𝑠𝑒𝑛 𝜃 𝑚 𝑣2 𝑅 = |𝑞|𝑣𝐵 𝑠𝑒𝑛 90° 𝑚 𝑣 𝑅 = |𝑞|𝐵 𝑅 = 𝑚 ∙ 𝑣 |𝑞| ∙ 𝐵 (3) No caso de um fio retilíneo condutor de corrente elétrica, cujo comprimento é dado por �⃗� (um vetor de mesma direção da corrente elétrica), esse sofrerá uma força magnética devido ao movimento das cargas em seu interior se estiver imerso em uma região de campo magnético �⃗� (Figura 4). Seguindo o sentido da corrente elétrica convencional, a força magnética 𝐹𝑚⃗⃗ ⃗⃗ para um fio condutor de corrente elétrica de intensidade i é dada pela equação 4. 𝐹𝑚⃗⃗ ⃗⃗ = 𝑖 �⃗� × �⃗� (4) Figura 4 – Força magnética sobre fio condutor retilíneo Fonte: adaptado de Mundo Educação, S.d. 7 A relação dada pela equação 4 pode ser generalizada para condutores não retilíneos, trabalhando de forma diferencial, ou seja, dividindo o condutor em segmentos infinitesimais de comprimento 𝑑�⃗� , sobre o qual atuará uma força magnética infinitesimal 𝑑𝐹𝑚⃗⃗ ⃗⃗ , como mostra a equação 5. 𝑑𝐹𝑚⃗⃗ ⃗⃗ = 𝑖 𝑑�⃗� × �⃗� (5) A direção da força magnética sobre um fio condutor retilíneo pode ser determinada pela regra da mão direita, como mostra a Figura 5, e seu módulo pode ser determinado pela equação 6. 𝐹𝑚 = 𝑖 ∙ 𝐿 ∙ 𝐵 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜃 (6) Figura 5 – Regra da mão direita para fio condutor retilíneo 1.3 Efeito motor Quando uma espira condutora de corrente elétrica é imersa em uma região de campo magnético, a força magnética que atua sobre os elementos infinitesimais da espira causa um torque sobre ela (Tipler, 2000; Halliday; Resnick; Walker, 1996). Observe na Figura 6 que a espira retangular, de dimensões a e b, conduz uma corrente elétrica i. Devido ao campo magnético �⃗� , uma força magnética 𝐹𝑚⃗⃗ ⃗⃗ atua sobre as partes da espira que formam um ângulo diferente de zero com o campo. Essas forças têm sentidos opostos, causando um torque na espira condutora. 8 Figura 6 – Força magnética sobre espira condutora Fonte: adaptado de Alfa Connection, S.d. O torque sobre uma espira condutora é dado pela equação 7. 𝜏 = 𝐹 ∙ 𝑏 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜃 ← 𝐹 = 𝐼𝑎𝐵 𝜏 = 𝐼𝑎𝐵∙ 𝑏 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜃 ← 𝐴 = 𝑎𝑏 (á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎) 𝜏 = 𝐼 ∙ 𝐴 ∙ 𝐵 ∙ 𝑠𝑒𝑛 𝜃 (7) Nessa equação, podemos definir o momento de dipolo magnético 𝜇 (ou momento magnético) como 𝜇 = 𝐼 ∙ 𝐴 �̂�. Esse vetor é perpendicular à superfície da espira. Em função do vetor momento de dipolo magnético, podemos reescrever a equação 7 de forma vetorial conforme equação 8. 𝜏 = 𝜇 × �⃗� (8) Para N espiras, o torque será multiplicado por N (Tipler, 2000; Halliday; Resnick; Walker, 1996). Esse fenômeno de rotação decorrente da força magnética é responsável pelo funcionamento de um motor elétrico. Uma bobina chata, composta por N espiras, que conduz a corrente elétrica no interior de uma região de campo magnético, rotaciona, convertendo energia elétrica em energia cinética (Figura 7). 9 Figura 7 – Motor elétrico simples Créditos: Steve Cymro/Shutterstock. Quando um torque sobre um dipolo magnético inserido em uma região de campo magnético provoca um giro, cobrindo um ângulo, esse torque realiza um trabalho que diminui a energia potencial, pois reduz o ângulo entre a direção do momento de dipolo magnético da bobina 𝜇 e o campo magnético �⃗� . Dessa forma, adotando uma energia potencial nula quando 𝜃 = 90°, temos: 𝑈 = −𝜇 ∙ 𝐵 ∙ cos 𝜃 = −𝜇 ∙ �⃗� (9) TEMA 2 – FONTES DE CAMPO MAGNÉTICO A interação entre fios condutores de corrente elétrica e campos magnéticos que geram uma força magnética que atua sobre o fio decorre do fato de que fios condutores também produzem um campo magnético próprio ao seu redor, conforme foi observado por Hans Christian Oersted no final do século XIX. Oersted observou uma mudança de orientação em uma bússola, inicialmente posicionada paralelamente a um fio condutor retilíneo, com a passagem de corrente elétrica no fio, como mostra a Figura 8. Essa simples observação mudou a história do Eletromagnetismo, permitindo investigar possíveis fontes magnéticas que não os ímãs naturais. 10 Figura 8 – Experiência de Oersted Créditos: Fouad A. Saad/Shutterstock. 2.1 Campo magnético devido a cargas elétricas em movimento O campo magnético formado pela passagem de corrente elétrica no fio condutor retilíneo é gerado pelas cargas em movimento que compõem essa corrente elétrica. O campo magnético �⃗� gerado por uma carga elétrica q que se move no espaço com velocidade 𝑣 pode ser determinado pela equação 10. �⃗� = 𝜇0 4𝜋 𝑞𝑣 × �̂� 𝑟2 (10) O vetor �̂� representa o vetor unitário direcional da direção de um vetor 𝑟 que liga a carga elétrica q a um ponto P no espaço no qual queremos mensurar o campo magnético (Figura 9). 11 Figura 9 – Campo magnético no ponto P Fonte: Slide Player – Fontes de campo magnético. A permeabilidade magnética 𝜇0 indica a permeabilidade magnética do vácuo e tem valor de: 𝜇0 = 4𝜋 ∙ 10 −7 𝑇 ∙ 𝑚/𝐴 Cada substância que compõe um meio é caracterizada pela sua permeabilidade magnética, que indica como que um campo magnético se estabelece em determinado meio. 2.2 Campo magnético devido a correntes elétricas em condutores Ao entendermos que a corrente elétrica é um fluxo de cargas elétricas, é possível compreender que essas cargas produzem um campo magnético resultante no espaço ao redor desse condutor. Cada elemento de corrente 𝑖 𝑑�⃗� , em cada pequeno pedaço do fio condutor, produz um pequeno campo magnético 𝑑�⃗� . A soma desses pequenos campos em um determinado ponto P do espaço gera um campo magnético resultante que pode ser determinado pela integração da relação dada pela equação 11, denominada Lei de Biot-Savart. 𝑑�⃗� = 𝜇0 4𝜋 𝑖 𝑑�⃗� × �̂� 𝑟2 (11) 12 Figura 10 – Lei de Biot-Savart Com base nessa lei, podemos definir que o campo magnético no centro de uma espira condutora de corrente elétrica é determinado pela equação 12, sendo R o raio da espira. 𝐵 = 𝜇0 ∙ 𝑖 2 ∙ 𝑅 (12) Ao associar várias espiras, o campo magnético criado no interior do solenoide passa a depender da distribuição de espiras por unidade de comprimento, resultando da soma do campo magnético de cada espira associada (Figura 11). Figura 11 – Campo magnético em espira circular condutora e em solenoide Créditos: A. Saad/Shutterstock. 13 Para um solenoide de comprimento L, composto por N espiras, define-se uma densidade de espiras 𝑛 = 𝑁 𝐿⁄ , diretamente proporcional ao campo magnético gerado em seu interior (Equação 13). 𝐵 = 𝑁 ∙ 𝜇0 ∙ 𝑖 𝐿 = 𝑛 ∙ 𝜇0 ∙ 𝑖 (13) A inserção de um núcleo ferromagnético no interior do solenoide (reforçando o campo magnético interno) permite que o dispositivo funcione como um ímã permanente pelo período no qual a corrente elétrica for mantida, compondo um eletroímã que pode ser ligado ou desligado, conforme a necessidade humana. Os eletroímãs são muito utilizados em diversos segmentos, como em travas de segurança de máquinas industriais e portas de banco; para transporte ou separação de materiais metálicos em guindastes e seletores; na injeção de combustível, controlando a abertura e o fechamento do bico do injetor; em alto-falantes, cujos sinais oscilantes fazem com que o núcleo do alto-falante vibre, gerando som, entre outras aplicações. Todos esses efeitos magnéticos produzidos por correntes elétricas em fios condutores também podem ser observados em torno de fios retilíneos. Em seu experimento, diferentemente do que se esperava no período, Oersted observou que a formação do campo magnético ao redor do fio condutor compunha linhas de indução circulares e concêntricas ao fio condutor de corrente elétrica (centradas no fio), como podemos observar na Figura 12. Era essa característica que causava a deflexão da bússola observada por Oersted nas proximidades do fio. 14 Figura 12 – Campo magnético ao redor de fio condutor retilíneo Créditos: Fouad A. Saad/Shutterstock. O campo magnético ao redor de um fio condutor retilíneo pode ser determinado pela equação 14, na qual a distância do ponto P no qual desejamos mensurar o campo magnético é R. 𝐵 = 𝜇0 ∙ 𝑖 2𝜋 ∙ 𝑅 (14) A interação entre o campo magnético gerado por dois fios condutores próximos constitui uma força magnética entre eles, causando a repulsão ou a atração. Veja na Figura 13 que, quando ambos os fios transportam corrente elétrica no mesmo sentido, eles se atraem; quando os fios transportam corrente elétrica em sentidos opostos, eles se repelem. 15 Figura 13 – Força magnética entre fios condutores de corrente elétrica Créditos: Fouad A. Saad/Sutterstock. As forças que atuam sobre os fios têm sempre a mesma intensidade F, mas sentidos opostos, como prevê a Lei da Ação e Reação (Terceira Lei de Newton). Essa força pode ser determinada por: 𝐹 = 𝜇0 ∙ 𝑖1 ∙ 𝑖2 ∙ 𝐿 2𝜋 ∙ 𝑅 (15) Em que R é a distância entre os fios e L é o comprimento do fio. TEMA 3 – FLUXO MAGNÉTICO E A LEI DE GAUSS PARA O MAGNETISMO De forma similar ao estudo de fluxo elétrico, podemos também definir um fluxo magnético quando um campo magnético atravessa uma área. Entretanto, diferentemente do campo elétrico, as linhas de indução magnética de um ímã saem em igual quantidade do polo norte e chegam ao polo sul. Por esse motivo, para uma superfície gaussiana (superfície fechada) que engloba um ímã, o fluxo magnético total será nulo. De forma geral, esse fluxo será zero para um campo magnético que atravesse qualquer superfície fechada. 16 Figura 14 – Campo magnético através de superfície gaussiana Fonte: Ministério da Cultura – Biblioteca Nacional. Podemos enunciar a Lei de Gauss para o magnetismo, que nos permite determinar esse fluxo magnético da seguinte forma (Equação16): 𝜙𝑀 = ∮ �⃗� ∙ 𝑑𝐴 𝑆 ⇒ 𝜙𝑀 = 𝐵 ∙ 𝐴 ∙ cos 𝜃 (16) Em que é o ângulo entre os vetores �⃗� e 𝐴 (vetor área normal à superfície). TEMA 4 – LEI DE AMPÈRE De forma semelhante à Lei de Gauss, podemos analisar uma curva fechada C qualquer que engloba uma corrente elétrica 𝑖𝐶 confinada, permitindo determinar o campo magnético B gerado por essa corrente. A Lei de Ampère pode ser enunciada da seguinte forma: ∮ �⃗� ∙ 𝑑�⃗� 𝐶 = 𝜇0 ∙ 𝑖𝐶 (17) A Lei de Ampère permite determinar a intensidade do campo magnético, como definimos anteriormente para fio condutor retilíneo, ou para outras formações. No entanto, da mesma maneira que a Lei de Gauss, sugere-se o uso dessa lei em situações com alto grau de simetria. 17 TEMA 5 – CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS Os átomos possuem momentos magnéticos dipolares decorrentes do movimento e rotação dos elétrons em seu interior. Ao serem submetidos a um campo magnético externo, esses dipolos reforçam o campo magnético externo, pois criam em seu interior um campo magnético de mesmo sentido que o externo devido ao alinhamento. Dependendo do comportamento dos diferentes materiais em um campo magnético externo, podemos classificar esse material com paramagnético, ferromagnético ou diamagnético (Halliday; Resnick; Walker, 1996; Tipler, 2000; Young; Freedman, 2015). 5.1 Paramagnetismo Ainda que os átomos desse material tentem se alinhar com um campo magnético, os materiais paramagnéticos são compostos por átomos com momentos magnéticos que não interagem fortemente com um campo magnético externo. Sem influência do campo magnético externo, seus momentos magnéticos se orientam ao acaso, gerando uma magnetização resultante nula nesse material. Mesmo que a ação de um campo magnético externo tenda a alinhar os momentos magnéticos, a agitação térmica tende a desalinhá-los novamente. Apenas em campos magnéticos muito intensos e sob temperaturas baixas que se tem os momentos magnéticos alinhados com o campo magnético externo. Esses materiais têm uma permeabilidade magnética (ou relativa) kM dada pela equação 16, na qual é a permeabilidade magnética do material e 0 é a permeabilidade magnética do vácuo. 𝑘𝑀 = 𝜇 𝜇0 (16) Alguns exemplos de materiais paramagnéticos são o oxigênio líquido, o alumínio, o sódio, o magnésio, entre outros. Para materiais paramagnéticos, a permeabilidade magnética kM é ligeiramente maior que 1. 5.2 Ferromagnetismo Em oposição aos materiais paramagnéticos, os materiais ferromagnéticos são compostos por átomos com momentos magnéticos que interagem fortemente com um campo magnético externo. Isso acontece porque os elétrons 18 de camadas de valência incompletas interagem com elétrons de átomos da vizinhança. Esse fenômeno é chamado de interação de câmbio. Nos materiais ferromagnéticos, mesmo um campo magnético externo fraco causa o alinhamento dos momentos magnéticos dos átomos com o campo, que pode persistir mesmo que esse campo externo seja desativado. Esse alinhamento ocorre em regiões microscópicas, denominadas de domínio magnético. Nessas regiões, os átomos têm uma direção de alinhamento do momento magnético que pode ser diferente de outros domínios. Por esse motivo, sob uma perspectiva macroscópica, os efeitos de magnetização desses materiais podem ser muito pequenos ou nulos. As interações que causam esses alinhamentos são de origem quântica, por isso não discutiremos nesse momento (Halliday; Resnick; Walker, 1996; Tipler, 2000; Young; Freedman, 2015). Acima de determinadas temperaturas, a agitação térmica também pode impedir o alinhamento dos momentos magnéticos nos materiais ferromagnéticos sob ação de um campo, tornando-os paramagnéticos. Essa temperatura crítica recebe o nome de temperatura de Curie. Para os materiais ferromagnéticos, a permeabilidade magnética kM é muito maior que 1. São exemplos de materiais ferromagnéticos: ferro, cobalto, níquel, entre outros. 5.3 Diamagnetismo Os materiais diamagnéticos são aqueles cuja magnetização do material é muito pequena, ou se opõe ao campo magnético externo que a desencadeou. Ou seja, o campo magnético externo pode induzir um momento magnético no material que se opõe a esse campo. Os materiais diamagnéticos possuem momento magnético total igual a zero, por isso não possuem momento magnético permanente, sendo esse induzido temporariamente. Como esses momentos são muito menores que os permanentes em materiais paramagnéticos e ferromagnéticos, esse efeito pode ser camuflado nessas substâncias (Halliday; Resnick; Walker, 1996; Tipler, 2000; Young; Freedman, 2015). A permeabilidade magnética kM dos materiais diamagnéticos é menor que 1. São exemplos de materiais diamagnéticos: bismuto, cobre, prata, entre outros. 19 FINALIZANDO Nesta aula, estudamos o comportamento magnético dos corpos decorrente do movimento de cargas em seu interior. Observamos que cargas em movimento e fluxo de cargas elétricas produzem campo magnético que pode interagir com campos externos e causam efeitos em dimensões microscópicas e macroscópicas nos objetos. 20 REFERÊNCIAS HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física – Eletromagnetismo. Tradução de Sotero, D. H. S. e Costamilan, G. B. 4. ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 1996. v. 3. ROCHA, J. F. M. (Org.) Origens e evolução das ideias da física. Salvador: EDUFBA, 2002. TIPLER, P. A. Física para cientistas e engenheiros – Eletricidade, Magnetismo e Óptica. Tradução de Horacio Macedo e Ronaldo de Biasi. 4. ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2000. YOUNG, H. D.; FREEDMAN, R. A. Física III, Sears e Zemansky: Eletromagnetismo. 14. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015.
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