Relatório sobre Campo Magnético

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RESUMO
Campo magnético. 2015. 19p. Relatório de Física III (Graduação em Engenharia de Produção) – Centro Universitário de Barra Mansa – UBM/CICUTA, Volta Redonda, RJ. 2015.
Este relatório apresenta uma introdução ao campo magnético. O objetivo deste experimento é estudar a interação entre o campo de indução magnética produzida por um imã permanente e a corrente elétrica em um fio e entender o funcionamento do torque sobre uma espira de corrente.
Palavra-chave: Relatório. Experimento. Campo magnético. Imã. Corrente elétrica. Torque.
1 – INTRODUÇÃO
Magnetismo
Magnetismo se define como a capacidade de atração em imãs, ou seja, a capacidade que um objeto possui de atrair outros objetos. Os imãs naturais são compostos por pedaços de ferro magnético ou rochas magnéticas como a magnetita (óxido de ferro Fe3O4). Os imãs artificiais são produzidos por ligas metálicas, como por exemplo, níquel-cromo.
Magnetismo sob o ponto de vista químico
O fenômeno do magnetismo pode ser explicado através das forças dipolo. Por exemplo, os materiais possuem dois diferentes polos, quando entram em contato com outros materiais os polos iguais se repelem e os polos opostos se atraem. Este fenômeno recebe a denominação de “dipolo magnético” e pode ser considerado uma grandeza. A força do imã é determinada por essa grandeza. Os próprios átomos são considerados imãs, por exemplo, com polos norte e sul. As bússolas magnéticas trabalham com base no magnetismo. Veja o processo de funcionamento:
Um imã pequeno e leve se encontra no ponteiro das bússolas, este imã estabelece ao seu redor um campo magnético e está equilibrado sobre um ponto que funciona como pivô: sem atrito e de fácil movimento. Quando o imã é situado em um campo de outro imã, esse tende a se alinhar ao campo de referência. A Terra possui um campo magnético que funciona como referencial para o funcionamento da bússola. A bússola é um dispositivo extremamente simples, como a Terra é um imã e a bússola também, surge uma atração magnética. E não importa onde você esteja, ao segurar uma bússola, ela vai apontar sempre para o Polo Norte, isto porque o campo magnético da Terra faz com que o ponteiro aponte nesta direção.
Força magnética
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.
No caso das cargas elétricas, a força magnética passa a existir quando uma partícula eletricamente carregada movimenta-se 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:
F = Q*v*B*senα
α é o ângulo entre os vetores da velocidade v e do campo magnético B.
A direção do campo magnético é perpendicular ao plano que contém os vetores v e B, e o sentido é dado pela regra da mão direita. Observe a figura 1:
A regra da mão direita mostra o sentido da velocidade, do campo e da força magnética.
Veja que o dedo médio aponta na direção da velocidade v em que a carga está movimentando-se, já o indicador indica a direção do campo magnético B. 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:
F = Q*v*B*senα.
E o sen 0º = sen 180º = 0
Substituindo na equação, teremos:
F = Q*v*B*0
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*sen 90
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:
F = Fcp
Sabemos que:
F = Q*v*B e Fcp = m*v2/R
 
Igualamos as expressões e obtemos:
Q*v*B = m*v2/R 
R = m*v/Q*B
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.
Campo magnético
Em física, definimos o campo magnético de forma bem análoga ao que estudamos a respeito do campo elétrico e gravitacional. Nesses dois casos definimos um campo gravitacional ou um campo elétrico como sendo a modificação no espaço em função da presença de massa ou de cargas elétricas. Portanto, analogamente, definimos o campo gravitacional como sendo a região do espaço onde um ímã, seja ele em forma de barra ou de ferradura, manifesta sua ação. O campo magnético é representado por um vetor chamado de vetor indução magnética. Usamos como unidade de campo magnético o símbolo T, denominado tesla. Portanto, no SI a unidade de medida é tesla (T). A direção do vetor indução magnética é aquela em que se dispõe a pequena agulha e o sentido do vetor indução é aquele para onde o polo norte da agulha aponta. Vejamos a figura 2 abaixo.
Figura 2
Campo magnético dos ímãs
Figura 3
Vejamos a figura 3 acima, nela temos um ímã em forma de barra que cria à sua volta um campo magnético. Limalhas de ferro colocadas à sua volta dão uma noção de como é o campo magnético em torno desse ímã. Podemos ver que o campo é mais intenso nas extremidades do ímã. A representação do campo magnético de um ímã pode ser feita através das linhas de indução magnética. A figura 4 abaixo nos mostra uma representação gráfica do comportamento das linhas de indução magnética de um ímã. Por convenção adotou-se que as linhas de indução saem do polo norte do ímã e chega ao polo sul.
Figura 4
Ímãs e magnetos 
Um ímã é definido com um objeto capaz de provocar um campo magnético à sua volta e pode ser natural ou artificial. Um ímã natural é feito de minerais com substâncias magnéticas, como por exemplo, a magnetita. Um ímã artificial é feito de um material sem propriedades magnéticas, mas que pode adquirir permanente ou instantaneamente características de um ímã natural. Os ímãs artificiais também são subdivididos em: permanentes, temporais ou eletroímãs.
•Um ímã permanente é feito de material capaz de manter as propriedades magnéticas mesmo após cessar o processo de imantação, estes materiais são chamados ferromagnéticos.
•Um ímã temporal tem propriedades magnéticas apenas enquanto se encontra sob ação de outro campo magnético, os materiais que possibilitam este tipo de processo são chamados paramagnéticos.
•Um eletroímã é um dispositivo composto de um condutor por onde circula corrente elétrica e um núcleo, normalmente de ferro. Suas características dependem da passagem de corrente pelo condutor; ao cessar a passagem de corrente cessa também a existência do campo magnético.
Propriedades dos ímãs
Polos magnéticos
São as regiões onde se intensificam as ações magnéticas. Um ímã é composto por dois polos magnéticos, norte e sul, normalmente localizados em suas extremidades, exceto quando estas não existirem, como em um ímã em forma de disco, por exemplo. Por esta razão são chamados dipolos magnéticos. Para que sejam determinadosestes polos, se deve suspender o ímã pelo centro de massa e ele se alinhará aproximadamente ao polo norte e sul geográfico recebendo nomenclatura equivalente. Desta forma, o polo norte magnético deve apontar para o polo norte geográfico e o polo sul magnético para o polo sul geográfico. 
Atração e repulsão
Ao manusear dois ímãs percebemos claramente que existem duas formas de colocá-los para que estes sejam repelidos e duas formas para que sejam atraídos. Isto se deve ao fato de que polos com mesmo nome se repelem, mas polos com nomes diferentes se atraem, ou seja:
Figura 5
Esta propriedade nos leva a concluir que os polos norte e sul geográficos não coincidem com os polos norte e sul magnéticos. Na verdade eles se encontram em pontos praticamente opostos, como mostra a figura 6 abaixo:
Figura 6
A inclinação dos eixos magnéticos em relação aos eixos geográficos é de aproximadamente 191°, fazendo com os seus polos sejam praticamente invertidos em relação aos polos geográficos.
Interação entre polos
Dois polos se atraem ou se repelem, dependendo de suas características, à razão inversa do quadrado da distância entre eles. Ou seja, se uma força de interação F é estabelecida a uma distância d, ao dobrarmos esta distância a força observada será igual a uma quarta parte da anterior F/4. E assim sucessivamente.
Inseparabilidade dos polos de um ímã
Esta propriedade diz que é impossível separar os polos magnéticos de um ímã, já que toda vez que este for dividido serão obtidos novos polos, então se diz que qualquer novo pedaço continuará sendo um dipolo magnético.
A seguir veremos na prática o que foi tratado até aqui.
3 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Primeiro experimento: - A bússola
Colocamos a água dentro do recipiente até faltar 1 cm para enchê-lo completamente;
Imantamos a agulha, sempre no mesmo sentido com apenas um dos polos do imã. Utilizamos o polo magnético sul;
A agulha foi envolvida com um material flutuante e colocamos a agulha na água;
Observamos e anotamos o que aconteceu;
Segundo experimento: - As Linhas de indução
Colocamos os imãs sob a bancada ligeiramente afastados com os polos invertidos causando atração;
Utilizamos uma folha de papel acima dos imãs 5 cm, preso nas extremidades;
Espalhamos a limalha de ferro sobre o papel;
Observamos e anotamos o que aconteceu;
Repetimos os procedimentos agora com os imãs ligeiramente afastados com os polos iguais causando repulsão;
Terceiro experimento: - Força magnética sobre uma corrente elétrica
Com o prego envolvido em um fio condutor, aproximamos o clipe metálico na extremidade do prego;
Observamos e anotamos o que aconteceu;
Posteriormente ligamos o fio condutor a uma pilha;
Aproximamos novamente o clipe metálico da extremidade do prego;
Observamos e anotamos o que aconteceu;
Em outro experimento, com os equipamentos fornecidos, utilizamos a regra da mão direita;
Determinamos as polaridades dos imãs, de acordo com o sentido de movimento do fio;
Invertemos o campo magnético e descrevemos o que aconteceu; 
Quarto experimento: - Torque sobre uma espira de corrente
Como espira e os equipamentos fornecidos, fizemos com que a espira girasse;
Descrevemos em que sentido a espira girou, qual o sentido da corrente e o da força magnética;
Informamos o que aconteceu quando invertemos o campo magnético;
4 – RESULTADOS
“A bússola”
Neste experimento, após imantarmos a agulha com polo magnético sul e realizarmos o teste, a agulha apontou para a direção sul geográfico, pois é onde se localiza o norte magnético. Ela sempre vai procurar a polaridade oposta, como estava polarizado como sul, a mesma sempre irá procurar o norte.
Em seguida aproximamos um imã até a ponta da agulha imantada e percebemos que se você aproxima a polaridade sul do imã, ele afasta a agulha e se aproximamos a polaridade norte ele atrai a agulha. Polo magnético é basicamente a força de atração que ocorre entre duas moléculas polares, ligando-as pelos seus respectivos polos, ou seja, o polo positivo de uma molécula se liga ao polo negativo da outra molécula. Dois polos se atraem ou se repelem, dependendo de suas características, à razão inversa do quadrado da distância entre eles. Ou seja, se uma força de interação F é estabelecida a uma distância d, ao dobrarmos esta distância a força observada será igual a uma quarta parte da anterior F/4. E assim sucessivamente.
“As linhas de indução”
Neste experimento, os dois imãs com polaridades iguais percebemos que ocorreu uma repulsão da limalha de ferro sobre o papel.
Em seguida aproximamos dois imãs com polaridades opostas e percebemos que ocorreu uma atração na limalha de ferro sobre o papel.
A limalha de ferro tende a se aproximar do contorno das linhas do campo magnético do ímã. Temos limalha de ferro espalhadas sobre uma folha de papel. Aproximando um ímã por baixo do papel, podemos ver que a limalha se move, se aproximando e induzindo a visualização do contorno das linhas de força do campo magnético do imã. O ferro é um material ferromagnético, portanto, seus dipolos magnéticos se alinham na presença de um ímã.
“Força magnética sobre uma corrente elétrica”
Neste experimento foi enrolado um pedaço de fio condutor em um prego e o ligamos a uma pilha fazendo com que passasse corrente pelo fio. Nesta configuração geométrica do fio condutor, a corrente elétrica gera um campo magnético no sentido perpendicular a uma seção reta do prego fazendo com que apareçam polaridades norte e sul definidos. Ficando a ponta do prego com uma polaridade e a cabeça do prego com outra, como se fosse um ímã natural. Para teste, por se tratar de um material ferromagnético, ao aproximarmos o clipe metálico da extremidade do prego o mesmo foi atraído.
Ainda sobre força magnética sobre uma corrente elétrica, com um trecho de comprimento L de um fio retilíneo longo, transportando uma corrente i colocado num campo magnético uniforme, experimentamos uma força defletora dada por: F = iL*B. Utilizando a regra da mão direita, determinamos as polaridades dos imãs de acordo com o sentido de movimentação da haste. E ao invertermos o fluxo da corrente elétrica ocorreu a inversão do campo magnético, alterando o movimento da haste para o lado contrário.
“Torque sobre uma espira de corrente”
Neste experimento, seja uma espira retangular ACDEA percorrida por uma corrente i, mergulhada no campo magnético uniforme B de um imã permanente em forma de U. O plano d a espirar forma um ângulo zero com a direção do campo. Nessas condições, a espirar gira ao redor do seu eixo por efeito do torque resultante associando as duas forças F e –F. Sobre cada um dos quatro lados da espira existe uma força magnética dada por F=iLxB, onde o vetor L tem módulos dado pela corrente. Assim, as forças que atuam sobre os lados CD e EA se cancelam mutuamente e são as forças sobre os outros dois lados que originam o torque resultante sobre a espira. A existência de um torque sobre uma espira de corrente e o principio básico do funcionamento dos motores elétricos e da maioria dos aparelhos destinados a medidas de corrente elétricas e diferença de potencial.
Com os equipamentos fornecidos, fizemos com que a espira girasse. Ao ligarmos o equipamento a espira girou no sentido horário, ao invertermos o campo magnético o sentido mudou para o anti-horário. E ao modificarmos o fluxo da corrente também ocorreu alteração no sentido do giro da espira. Isso se deve a: - Suponhamos que os lados AC e DE têm comprimento d e os lados CD e EA, comprimento h. Como o torque de uma força F em relação a um ponto que se encontra a uma distância d do ponto de aplicação da força é dado por t = d x F, e como os torques associados às forças F e - F têm a mesma direção e o mesmo sentido (que é a direção do eixo da espira, no sentido de A para C), podemos escrever, para o módulo do torque resultante: {t = 2 ( h / 2 ) [ idB sen 90° ] sen q = ihdB sen q}. Definindo o vetor momento de dipolo magnético por: (m =iAn), onde A = hd é a área plana limitada pela espira e n, o vetor de módulo unitário, direção perpendicular ao plano da espira e sentido dado pelo polegar da mão direita quando os dedos da mesma mão seguem a corrente, vem, para o torque resultante sobre a espira de corrente: t = m x B
Um motor elétrico a corrente contínua (cc) funciona, basicamente, aproveitando o torque sobre uma ou mais espiras numa região de campo magnético.
5 – CONCLUSÃO
Verificamos que através de um imã é possível identificar o deslocamento da agulha da bússola e ao analisarmos o comportamento da limalha de ferro quando se próxima dos imãs, notamos certo padrão. Esse padrão é o mesmo definido para o campo magnético do imã, em que as linhas saem do polo positivo e partem para o negativo sem se sobreporem. Quando utilizamos uma combinação de imãs percebemos que os padrões das linhas se comportaram analogamente. Particularmente, ao aproximarmos polos iguais, as linhas divergem e a distância média entre os imãs notavelmente não possuem limalha, isso por que as linhas saem com mesma direção e se anulam em certa posição. Em outro experimento, no qual é disposto um fio condutor, conduzindo corrente entre um imã em forma de U, podemos confirmar a lei que diz que toda carga em movimento sofre a ação do campo magnético. A diferenciação na direção do movimento, provocado pela força, compete sempre à direção da corrente ou do campo magnético e é dada pela regra da mão direita. Concluímos a partir dos experimentos, as diferentes formas que podemos verificar a formação de um campo magnético e como uma carga elétrica e seu sentido podem modificar a direção e o sentido desse campo magnético.
REFERÊNCIAS
SOUZA, Líria Alves De. "Magnetismo"; Brasil Escola. Disponível em <http://www.brasilescola.com/quimica/magnetismo.htm>. Acesso em 05 de novembro de 2015.
TEIXEIRA, Mariane Mendes. "Força Magnética"; Brasil Escola. Disponível em <http://www.brasilescola.com/fisica/forca-magnetica.htm>. Acesso em 05 de novembro de 2015.
SILVA, Domiciano Correa Marques Da. "Campo magnético"; Brasil Escola. Disponível em <http://www.brasilescola.com/fisica/campo-magnetico.htm>. Acesso em 05 de novembro de 2015.
<http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/CampoMagnetico/imasemagnetos.php> . Acesso em 07 de novembro de 2015.
<http://www2.fc.unesp.br/experimentosdefisica/ele11.htm>. Acesso em 07 de novembro de 2015.
<http://www.grupoescolar.com/pesquisa/torque-sobre-espira-retangular.html>. Acesso em 18 de novembro de 2015.