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1 CAMPO MAGNÉTICO PRODUZIDO POR CORRENTER ÍNDICE CAMPO MAGNÉTICO DE UM FIO RETILÍNEO CAMPO MAGNÉTICO DE UMA ESPIRA CIRCULAR CAMPO MAGNÉTICO DE UM SOLENÓIDE INTERAÇÃO ENTRE CORRENTES 2 CAMPO MAGNÉTICO DE UM FIO RETILÍNEO Um fio é esticado na direção norte-sul, sobre uma agulha de bússola. Não havendo corrente elétrica, a agulha toma a direção norte-sul, paralela ao fio: Ligando um gerador ao fio, surge nele uma corrente e a agulha se move. Sendo a corrente suficientemente intensa, a agulha fica praticamente perpendicular ao fio: Com essa experiência concluímos que uma corrente elétrica gera um campo magnético no espaço circundante. A origem do campo magnético está relacionada com a passagem da corrente pelo condutor e, portanto, com o movimento dos transportadores de carga. O campo gerado por um fio percorrido por corrente pode ser facilmente visualizado. Para tanto, passamos o fio perpendicularmente através de um papelão coberto com limalha de ferro. Sacudindo ligeiramente o papelão, as pequenas agulhas magnéticas se dispõem em circunferências concêntricas cujo centro é o fio. Essa distribuição da limalha corresponde à disposição das linhas do campo magnético: As linhas do campo magnético gerado por um fio percorrido por corrente são evidenciados pela limalha de ferro, que age como pequenas bússolas. As limalhas de ferro formam linhas de 3 campo circulares com centro no fio. Observando a orientação do pólo norte de agulhas de bússolas colocadas nas vizinhanças do fio, podemos determinar o sentido das linhas desse campo: Existe uma regra prática que nos permite obter o sentido do campo magnético em torno do fio. Essa regra é chamada de "regra de Ampère" ou "regra da mão direita". A regra estabelece que, dispondo o polegar da mão direita ao longo do condutor, no sentido da corrente, e os demais dedos envolvendo o condutor, estes dedos nos indicarão o sentido das linhas de indução: Na figura abaixo, uma corrente elétrica percorre o fio num sentido: 4 Se invertermos o sentido da corrente: Vamos considerar um condutor percorrido por uma corrente de intensidade “i”, criando um campo magnético de intensidade “B” num ponto situado a uma distância “r” do condutor: Podemos determinar que a intensidade do campo magnético produzido pelo fio percorrido por corrente é diretamente proporcional à intensidade de corrente que percorre o fio e inversamente proporcional à distância ao fio: B r i ou onde 0 é uma constante chamada permeabilidade magnética do ar ou do vácuo. Essa constante é característica do meio onde o condutor está imerso e seu valor é igual a: 0 = 4. . 10-7 T.m/A B B = r i ..2 .0 5 Um fio percorrido por corrente pode ser observado segundo ângulos de observação diferentes. Observe a figura abaixo: EXERCÍCIO RESOLVIDO: A figura mostra um condutor retilíneo, perpendicular ao plano da figura, percorrido por uma corrente de intensidade i = 2,0 A, no ar, cujo sentido está orientado para o observador: Os pontos 1, 2 e 3 estão contidos no plano da figura, à distância r1 = 0,10 m; r2 = 0,20 m e r3 = 0,30 m do condutor. Represente graficamente 1B , 2B e 3B em cada ponto. SOLUÇÃO: Da expressão B = r i ..2 .0 , temos: Para o ponto 1: B1 = 1 0 ..2 . r i = 10,0..2 10..4 7 . Logo: B1 = 4,0 x 10 -6 T Para o ponto 2: B2 = 2 0 ..2 . r i = 20,0..2 10..4 7 . Logo: B1 = 2,0 x 10 -6 T 6 Para o ponto 3: B3 = 3 0 ..2 . r i = 30,0..2 10..4 7 . Logo: B1 = 1,3 x 10 -6 T Aplicando a regra da mão direita, teremos a direção e o sentido dos vetores 1B , 2B e 3B : CAMPO MAGNÉTICO DE UMA ESPIRA CIRCULAR Vamos considerar um fio condutor ao qual foi dada a forma de uma circunferência, constituindo uma “espira circular”. Se esta espira for percorrida por corrente elétrica, um campo magnético será estabelecido no espaço em torno da espira. Vamos estudar apenas o campo magnético estabelecido no centro da espira. Se colocarmos uma pequena agulha magnética no centro da espira, observaremos que esta agulha irá se orientar como mostrado na figura abaixo: Isso significa que o vetor campo magnético neste ponto é perpendicular ao plano da espira e tem o sentido indicado Se invertermos o sentido da corrente, verificaremos que o vetor B continua perpendicular ao plano da espira, porém com seu sentido invertido. A “regra da mão direita” pode ser usada para determinar o sentido do campo magnético( polegar no sentido da corrente e os outros quadro dedos envolvendo a espira): 7 O módulo do campo magnético criado no centro da espira é diretamente proporcional à intensidade de corrente “i” e inversamente proporcional ao raio “R” da espira: EXERCÍCIO RESOLVIDO: Duas espiras circulares e coplanares, de raios 4 m e 5 m, são percorridas por correntes de intensidades 2 A e 5 A, conforme a figura: Calcular a intensidade do vetor indução magnética no centro das espiras. SOLUÇÃO: A corrente i1, de acordo com a regra da mão direita, cria um campo magnético perpendicular ao plano da espira e saindo do plano: B1 = 1 0 .2 . R i = .4.2 2.10..4 7 B1 = 10 -7 T B2 = 2 0 .2 . R i = .5.2 5.10..4 7 B2 = 2 x 10 -7 T O vetor campo magnético resultante, no centro, será perpendicular ao plano das espiras, entrando no plano, pois a intensidade de 2B é maior que a de 1B . O módulo co campo resultante será: BR = B2 – B1 = 2 x 10 -7 – 1 x 10-7 = 1 x 10-7 T B = R i .2 .0 8 CAMPO MAGNÉTICO DE UM SOLENÓIDE Chamamos de solenóide todo condutor enrolado na forma de uma hélice ou espiral. A palavra “bobina” pode ser usada como sinônimo de “solenóide”: Ligando-se o solenóide a uma bateria, uma corrente elétrica circulará por suas espiras, estabelecendo um campo magnético em pontos do interior quanto do exterior da bobina. Na figura abaixo estão representadas algumas linhas de indução deste campo magnético: Distribuindo limalhas de ferro nas proximidades do solenóide, podemos materializar as linhas de indução magnéticas criadas pelo solenóide:Podemos observar que o campo magnético de um solenóide apresenta uma configuração muito semelhante à de um imã em forma de barra. Portanto, um solenóide possui praticamente as mesmas propriedades magnéticas de um imã.. Por exemplo, suas extremidades se comportam como os pólos de um imã. A extremidade da qual as linhas de indução estão emergindo se comporta como um pólo norte e a extremidade na qual elas penetram no solenóide como um pólo sul. Um solenóide constitui um eletroímã, isto é, um imã obtido por meio de uma corrente elétrica. Para determinar o sentido do campo magnético criado por um solenóide podemos usar a “regra da mão direita”. Considerando a espira de uma das extremidades da bobina e dispondo o polegar no sentido da corrente, os demais dedos indicarão se as linhas de indução, nesta extremidade, estão entrando ou saindo do solenóide. 9 Na figura abaixo, os dedos indicam que as linhas estão penetrando na extremidade F da bobina e, portanto, o campo magnético no interior do solenóide está dirigido de /f para G: invertendo o sentido da corrente nas espiras, o sentido do campo magnético no interior do solenóide também se inverterá: O módulo do campo magnético no interior do solenóide é proporcional à intensidade da corrente que circula em suas espiras. Um outro fator importante tem influência no valor de B : o número de espiras por unidade de comprimento. Este número é obtido dividindo-se o número total N, de espiras pelo comprimento L, do solenóide, isto é n = L N . Assim, existindo ar ou vácuo no interior do solenóide, o módulo do campo magnético no interior do solenóide é dado por: As sustâncias ferromagnéticas, ao serem colocadas em um campo magnético,se imantam fortemente, de modo que o campo magnético que elas estabelecem é muitas vezes maior do que o campo aplicado. Em virtude da presença de uma substância ferromagnética, o campo magnético resultante pode se tornar centenas e até mesmo milhares de vezes maior do que o campo magnético inicial. As substâncias ferromagnéticas são apenas o ferro, o cobalto e o níquel e as ligas que contêm esses elementos. Esta propriedade das substâncias ferromagnéticas é aproveitada quando desejamos obter campos magnéticos de valores elevados. É comum colocar um pedaço de ferro no interior de uma bobina: N S N S B = 0 . i . n 10 Em virtude da imantação deste pedaço de ferro, o campo magnético resultante é muitas vezes maior do que o campo criado apenas pela corrente que passa na bobina. Este conjunto (bobina + pedaço de ferro) constitui, então, um eletroímã muito forte, sendo o pedaço de ferro denominado “núcleo do eletroímã”. EXERCÍCIO RESOLVIDO: um solenóide de 10 cm de comprimento é construído com 1 000 espiras: a) Determine a intensidade do vetor indução magnética no interior do solenóide, quando este é percorrido no vácuo por uma corrente de 5,0 A, conforme a figura. b) Quais os pólos magnéticos em A e em B? Dados: N = 1 000 espiras L = 10 cm = 0,1 m i = 5,0 A 0 = 4 . . 10-7 T.m/A a) B = 0 . i . n = 0 . i . L N = 4. .10-7. 5 . 1,0 103 B = 2. . 10-2 T b) Aplicando-se a regra da mão direita: Em A, as linhas de indução magnéticas estão saindo; portanto,tem-se pólo Norte. Em B, as linhas de indução magnéticas estão entrando; portanto,tem-se pólo Sul. 11 INTERAÇÃO ENTRE CORRENTES Vamos considerar dois condutores (1) e (2), retilíneos, paralelos e muito longos, percorridos por correntes elétricas de intensidades i1 e i2, respectivamente, e situados a uma distância “d” . Cada corrente elétrica gera um campo magnético que exerce na outra corrente uma força. Teremos duas possibilidades: a) As correntes elétricas têm o mesmo sentido: A corrente elétrica i1 gera no espaço que a envolve um campo magnético. Seja 1B o vetor indução magnética gerado por i1 onde está i2. O sentido de 1B é determinado pela regra da mão direita. 1B exerce em i2 uma força 2F , cujo sentido é mostrado na figura. Reciprocamente, i2 gera onde está i1 um campo magnético de indução 2B . 2B exerce em i1 uma outra força 1F . Correntes elétricas de mesmo sentido se atraem. b) As correntes elétricas têm sentidos opostos: Fazendo o mesmo estudo para correntes elétricas de sentidos opostos, constataremos que entre elas ocorre repulsão: Podemos concluir que condutores paralelos percorridos por correntes elétricas de mesmo sentido atraem-se e de sentidos contrários se repelem. Em ambos os casos, o módulo das forças resultantes de interação entre esses condutores é: F = . ..2 ... 210 d ii 12 EXERCÍCIO RESOLVIDO: Dois fios retos e muito longos estão situados a 30 cm um do outro e são percorridos por correntes de intensidades 6,0 A e 20 A, respectivamente, no mesmo sentido. a) Entre os condutores há atração ou repulsão? b) Qual a intensidade da força que um condutor exerce sobre um comprimento igual a 1,0 m do outro? SOLUÇÃO: a) b) F = . ..2 ... 210 d ii = 2 7 10.30..2 0,1.20.0,6.10..4 = 8,0 x 10 -5 N EXERCÍCIOS 1) (UFSM) Considere as seguintes afirmações: I. A passagem de uma corrente elétrica por um fio cria, ao seu redor, um campo magnético apenas se a corrente varia no tempo. II. Uma partícula carregada que se propaga no vácuo cria, ao seu redor, um campo magnético. III. As linhas de indução associadas ao campo magnético criado por uma corrente elétrica num condutor retilíneo são circunferências concêntricas. Está(ão) correta(s) a) apenas I. b) apenas I e II. c) apenas II e III. d) apenas III. e) I, II e III. 2) (UFMG) Nesta figura, estão representados dois fios, percorridos por correntes elétricas de mesma intensidade e de sentidos contrários, e dois pontos, K e L: Os fios e os pontos estão no mesmo plano. O ponto L é eqüidistante dos dois fios e o ponto K está à esquerda deles. 13 Considerando-se essas informações, é CORRETO afirmar que o campo magnético, a) em K é nulo e, em L, está entrando no papel. b) em K, está entrando no papel e, em L está saindo dele. c) em K, está saindo do papel e, em L, é nulo. d) em K, está saindo do papel e, em L, está entrando nele. 3) (UFMG) A figura representa um longo fio conduzindo corrente elétrica i. Em um dado instante, duas cargas, uma positiva e outra negativa, estão com velocidade V uma de cada lado do fio. A configuração que melhor representa as forças do fio sobre cada uma das cargas é 4) (UFU) Considere as informações, bem como a figura abaixo. Por um fio retilíneo muito extenso passa uma corrente i = 2A. A permeabilidade magnética do meio é µ0 = 4 x10 -7 Tm/A. A intensidade do vetor indução magnética (campo magnético) no ponto P, distante 2 cm do fio, será: A) 2 x10-7 T, saindoda página no ponto P. B) 4 x10-5 T, saindo da página no ponto P. 14 C) 2x10-7 T, entrando na página no ponto P. D) 2x10-5 T, entrando na página no ponto P. 5) (PUC RS) A figura abaixo representa um fio metálico longo e retilíneo, conduzindo corrente elétrica i, perpendicularmente e para fora do plano da figura. Um próton move-se com velocidade v, no plano da figura, conforme indicado. A força magnética que age sobre o próton é a) paralela ao plano da figura e para a direita. b) paralela ao plano da figura e para a esquerda. c) perpendicular ao plano da figura e para dentro. d) perpendicular ao plano da figura e para fora. e) nula. 6) (UFU) Um fio retilíneo longo é percorrido por uma corrente elétrica I, com o sentido indicado na figura abaixo. Os pontos A, B, C e D e o fio encontram-se no plano do papel, e os pontos B e C são eqüidistantes do fio. Da intensidade e sentido do campo magnético gerado pela corrente elétrica em cada ponto, é correto afirmar que A) o módulo do campo magnético no ponto C é maior que no ponto B e o sentido dele no ponto D está saindo da folha de papel, perpendicularmente à folha. 15 B) o módulo do campo magnético no ponto B é maior que no ponto A e o sentido dele no ponto D está entrando na folha de papel, perpendicularmente à folha. C) o módulo do campo magnético no ponto A é maior que no ponto B e o sentido dele no ponto B está de B para A. D) o módulo do campo magnético nos pontos A e B são idênticos e o sentido dele no ponto B está entrando da folha de papel, perpendicularmente à folha. 7) (UFOP) As agulhas de bússolas, colocadas nas vizinhanças de um fio reto muito longo, perpendicular ao plano do papel, percorrido por uma corrente elétrica muito forte, entrando no papel, se orientarão como na figura: 8) (UFLA) A figura a seguir representa duas espiras circulares e coplanares, alimentadas por uma mesma fonte e constituídas de fios de mesma secção transversal com resistividade elétrica diferentes. O fio da espira externa possui alta resistividade e o da espira interna, baixa resistividade. Considerando como região A o espaço dentro da espira interna e, região B, o espaço entre as espiras, então pode-se afirmar que o vetor campo magnético resultante está a) saindo da região A entrando na região B b) saindo da região A saindo da região B c) entrando na região A saindo da região B d) entrando na região A entrando na região B e) nulo na região A saindo da região B 16 9) (FAAP) O condutor retilíneo muito longo indicado na figura é percorrido pela corrente I = 62,8A. O valor da corrente I na espiral circular de raio R, a fim de que seja nulo o campo magnético resultante no centro O da mesma, será igual a: a) nulo b) 1A c) 1000A d) 100A e) 10A 10) (UFMG) Na figura, estão representados uma bobina (fio enrolado em torno de um tubo de plástico) ligada em série com um resistor de resistência R e uma bateria. Próximo à bobina, está colocado um ímã, com os pólos norte (N) e sul (S) na posição indicada. O ímã e a bobina estão fixos nas posições mostradas na figura. Com base nessas informações, é CORRETO afirmar que a) a bobina não exerce força sobre o ímã. b) a força exercida pela bobina sobre o ímã diminui quando se aumenta a resistência R. c) a força exercida pela bobina sobre o ímã é diferente da força exercida pelo ímã sobre a bobina. d) o ímã é repelido pela bobina. 11) (FEI) A intensidade do campo magnético produzido no interior de um solenóide muito comprido percorrido por corrente depende basicamente: a) só do número de espirais do solenóide b) só da intensidade da corrente c) do diâmetro interno do solenóide d) do número de espiras por unidade de comprimento e da intensidade da corrente e) do comprimento do solenóide 17 12) (UFV) A figura a seguir ilustra a vista superior de uma montagem experimental disposta sobre uma mesa sem atrito, em uma situação de equilíbrio estático. Nesta montagem, uma bobina está posicionada entre as extremidades de duas barras, AB e NS, sendo pelo menos esta última imantada. A extremidade de polaridade norte (N) da barra NS atrai a extremidade A da barra AB, enquanto as outras extremidades de S e B, são repelidas pela bobina. Sabendo-se que o comprimento e o diâmetro da bobina são pequenos, comparados com qualquer dimensão das barras, pode-se afirmar que, das possibilidades a seguir, a que pode configurar a situação de equilíbrio descrita é: a) A barra AB não está imantada e nenhuma corrente flui na bobina. b) A barra AB não está imantada e flui na bobina uma corrente contínua do ponto 1 para o ponto 2. c) A barra AB não está imantada e flui na bobina uma corrente contínua do ponto 2 para o ponto 1. d) A barra AB está imantada e flui na bobina uma corrente contínua do ponto 2 para o ponto 1. e) A barra AB está imantada e flui na bobina uma corrente contínua do ponto 1 para o ponto 2. 13) (UFRS) Selecione a alternativa que preenche corretamente as lacunas do texto abaixo, na ordem em que elas aparecem. A figura a seguir representa dois fios metálicos paralelos, A e B, próximos um do outro, que são percorridos por correntes elétricas de mesmo sentido e de intensidades iguais a I e 2I, respectivamente. A força que o fio A exerce sobre o fio B é ........., e sua intensidade é ........ intensidade da força exercida pelo fio B sobre o fio A. a) repulsiva - duas vezes maior do que a b) repulsiva - igual à c) atrativa - duas vezes menor do que a d) atrativa - duas vezes maior do que a e) atrativa - igual à 18 14) (UFMG) Dois fios paralelos, percorridos por correntes elétricas de intensidades diferentes, estão se repelindo. Com relação às correntes nos fios e às forças magnéticas com que um fio repele o outro, é CORRETO afirmar que a) as correntes têm o mesmo sentido e as forças têm módulos iguais. b) as correntes têm sentidos contrários e as forças têm módulos iguais. c) as correntes têm o mesmo sentido e as forças têm módulos diferentes. d) as correntes têm sentidos contrários e as forças têm módulos diferentes. 15) (PUC MG) Dois fios condutores retilíneos cruzam-se perpendicularmente. A corrente no condutor X tem intensidade i e, no condutor Y, a corrente é 3i. Seja B o módulo do campo magnético criado pela corrente de X, no ponto P. O módulo do campo resultante em P é: a) zero b) B c) 2B d) B 2 e) B 3 GABARITO 1 – C 6 – B 11 – D 2 – D 7 – C 12 – D 3 – B 8 – C 13 – E 4 – D 9 – E 14 – B 5 – D 10 – B 15 - C 19 RESOLUÇÃO CAMPO MAGNÉTICO PRODUZIDO POR CORRENTE SÉRIE A 1) I – Falsa – Todo fio percorrido por corrente gera um campo magnético independente das características da corrente elétrica. II – Verdadeiro – Toda carga em movimento cria um campo magnético. III – Verdadeiro – LETRA: C 2) No ponto L tanto o fio 1 quanto o fio 2 criam um campo que penetra no plano. No ponto K, o fio 1 cria um campo que penetra no campo e o fio 2 cria um campo que sai do plano. Como a distância do fio 2 ao ponto K é menor, o campo criado por ele é mais intenso e o campo resultante sai do plano. LETRA: D 3) Acima do fio, o campo magnético criado sai do plano. Se colocarmos os 4 dedos da mão direitapara fora do plano (sentido do campo magnético) e o polegar para esquerda (sentido da velocidade), a palma da mão nos dará o sentido da força que atua na carga positiva ( para baixo). Abaixo do fio, o campo magnético criado penetra no plano. Se colocarmos os 4 dedos da mão direita para dentro do plano (sentido do campo magnético) e o polegar para esquerda (sentido da velocidade), a palma da mão nos dará o sentido da força que atuaria sobre uma carga positiva ( para cima). Como a carga é negativa, temos que inverter o sentido. A força atua para baixo. LETRA: B 4) P 1 2 20 == 2 7 102..2 2.10..4 x = 2,0 x 10 -5 T , entrando no ponto P LETRA: D 5) LETRA: D 6) No ponto D, o campo penetra no plano e nos pontos A, B e C, o campo sai do plano. Como os pontos C e B estão à mesma distância do fio, o valor do campo magnético nos dois pontos é igual. Como a distância de D ao fio é maior que as distância de C e B, o campo magnético em D é menor que em C e B. Se a é o ponto mais distante do fio, o campo magnético em A terá o menor valor. LETRA: B 7) LETRA: C B = r i ..2 .0 = B O campo magnético criado aponta para cima. Se colocarmos os 4 dedos da mão direita para cima (sentido do campo magnético) e o polegar para esquerda (sentido da velocidade), a palma da mão nos dará o sentido da força que atua na carga positiva ( para fora do plano). 21 9) Campo magnético produzido pelo fio no centro da espira: BF = r iF ..2 .0 = R2..2 8,62.0 Campo magnético criado pela espira no seu centro: BE = R iE 2 .0 Para que o campo magnético no centro da espira seja nula, os dois campos devem ter o mesmo valor e sentidos contrários: R2..2 8,62.0 = R iE 2 .0 iE = .2 8,62 = 14,3.2 8,62 = 10 A LETRA: E 10) o campo magnético criado por uma bobina é dado por: Se “R” aumenta “i” diminui “B” diminui força diminui LETRA: B 15) O campo criado pelo fio x está entrando no plano. O campo criado pelo fio y está saindo do plano. Os dois fios estão equidistantes do ponto P, mas a corrente no fio y é três vezes mais intensa que no fio X. assim, se o campo magnético criado pelo fio x tem intensidade B, o campo magnético criado pelo fio y tem intensidade 3B. Como esses campos têm sentidos contrários, o campo magnético resultante tem intensidade igual a 3B – B = 2 B LETRA: C B = 0 . i . n
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