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Física – Prof. Augusto Melo DATA: NOME: Introdução ao Eletromagnetismo Introdução ao Eletromagnetismo O magnetismo é uma área da física que estuda a atração e a repulsão de objetos magnéticos. O imã pode representar esse estudo e é todo material que produz um campo magnético a sua volta. Na natureza existem imãs que são rochas e que possuem a propriedade de atração, são as rochas magnéticas como a magnetita. A Magnetita é um mineral magnético formado pelos óxidos de ferro II e III (FeO e Fe2O3), cuja fórmula química é Fe3O4. A magnetita apresenta na sua composição, aproximadamente, 69% de FeO e 31% de Fe2O3 ou 72,4% de ferro e 26,7% de oxigênio. Já, os imãs artificiais, são aqueles criados por meio de ligas metálicas como o níquel-cromo, eles podem ser encontrados nos imãs de geladeira ou mesmo na porta da geladeira, por exemplo. Esses elementos conseguem expressar a força do magnetismo, mas hoje sabemos que todos os materiais possuem magnetismo, alguns mais, outros menos. Geralmente, os imãs são usados em equipamentos eletrônicos e elétricos. Um dos primeiros a estudar sobre esse fenômeno foi Tales de Mileto, na Grécia. Mas, já haviam evidências de que os chineses já tinham o conhecimento de materiais que podiam atrair outros. Assim, eles utilizavam a bússola para fins militares para se orientar na guerra. Mas o assunto não era tão discutido e apenas após o século XIII, cientistas e estudiosos começaram a se interessar pelo magnetismo. James Clerk Maxwell, em 1873, foi um dos cientistas que finalizou o estudo da eletricidade e do magnetismo, determinando as leis que regem esses fenômenos e atualmente essas duas áreas são estudadas juntas como o eletromagnetismo. Em 1820, Hans Christian Oersted descobriu que cargas elétricas que se movimentavam podiam criar um campo magnético através de sua experiência com uma bússola, mostrando a relação da eletricidade com o magnetismo. Classificação dos materiais: Com base no comportamento de alguns materiais diante de um campo magnético externo, é possível classificá-los em paramagnéticos, diamagnéticos ou ferromagnéticos. As substâncias ferromagnéticas são fortemente atraídas pelos ímãs. Já as substâncias paramagnéticas e diamagnéticas são, na maioria das vezes, denominadas de substâncias não magnéticas, pois seus efeitos são muito pequenos quando estão sobre a influência de um campo magnético. • Paramagnéticos São materiais que possuem elétrons desemparelhados e que, na presença de um campo magnético, alinham-se, fazendo surgir um ímã que tem a capacidade de provocar um leve aumento na intensidade do valor do campo magnético em um ponto qualquer. Esses materiais são fracamente atraídos pelos ímãs. São materiais paramagnéticos: o alumínio, o magnésio, o sulfato de cobre etc. • Diamagnéticos São materiais que, se colocados na presença de um campo magnético, têm seus ímãs elementares orientados no sentido contrário ao sentido do campo magnético aplicado. Assim, estabelece-se um campo magnético na substância que possui sentido contrário ao campo aplicado. São substâncias diamagnéticas: o bismuto, o cobre, a prata, o chumbo etc. • Ferromagnéticos As substâncias que compõem esse grupo apresentam características bem diferentes dos materiais paramagnéticos e diamagnéticos. Esses materiais imantam-se fortemente se colocados na presença de um campo magnético. É possível verificar, experimentalmente, que a presença de um material ferromagnético altera fortemente o valor da intensidade do campo magnético. São substâncias ferromagnéticas somente o ferro, o cobalto, o níquel e as ligas que são formadas por essas substâncias. Desmagnetizado (Ferro doce) Magnetizado (ímã) 2 Introdução ao Eletromagnetismo Magnetismo Terrestre A Terra funciona como um grande imã, pois ela possui um campo magnético criado através do movimento constante de rotação. É por esse motivo que os polos sul e norte ganharam esse nome, porque o planeta também possui um magnetismo proveniente do movimento do seu núcleo. Além disso, é esse magnetismo que mantém os seres humanos firmes na superfície e também nos protege das partículas de eletromagnetismo que vem do espaço. Se soltarmos um imã sobre a Terra, ele irá mostrar os lados norte ou sul, por esse motivo a bússola indica a direção norte, sendo que sua agulha aponta para uma direção de acordo com o magnetismo da Terra. O magnetismo da Terra é mais próximo nos polos e isso é facilmente percebido utilizando um imã, como experiência, e posicionando uma folha de papel sobre ele, e na folha adicionar limalha de ferro. A limalha se acumula nos polos. Na Terra o polo sul magnético encontra-se no Canadá a cerca de 1300 km do polo norte geográfico, e seu polo norte magnético está na costa do continente antártico. Dessa maneira, a Terra comporta-se aproximadamente como o ímã representado, que forma cerca de 11° com a direção norte-sul geográfica. No tempo modernos, os registros fósseis indicam que ocorre uma reversão dos polos terrestres a cada 200.000 ou 300.000 anos. Campo Magnético Campo magnético a região em torno de um ímã permanente ou de um fio condutor percorrido por uma corrente elétrica, capaz de atrai materiais ferromagnéticos, paramagnéticos ou imãs. 3 Introdução ao Eletromagnetismo Os campos gravitacionais, elétrico e magnético tem algumas semelhanças. Para descobrirmos o que é um campo magnético na prática, precisamos utilizar a experiência do imã. Ao colocar uma folha branca sobre o imã e derramarmos a limalha de ferro, nota-se que os grãozinhos tendem a formar curvas que conectam os polos. Essas linhas formadas são conhecidas como linhas de indução magnética. Essas linhas costumam ir do sentido norte para o sul. Assim, essa região formada ao redor do imã é conhecida como campo magnético. O campo magnético possui um vetor chamado de indução magnética, que são as linhas que apontam para um polo do imã através de uma força magnética. Essas linhas representam a estrutura do campo magnético. O vetor de indução magnética será representado pelo símbolo. Para que um corpo fique magnetizado, é necessário que haja um campo magnético anteriormente para que aconteça a indução magnética. Processos de imantação 1. Imantação por indução A imantação por indução ocorre quando um material fica exposto ao campo magnético de um ímã permanente por um determinado tempo a ponto de ser magnetizado. Alfinetes deixados em contato com um ímã permanente adquirem a capacidade de se atrair mutuamente, pois o tempo de exposição ao ímã torna-os magnetizados. 2. Imantação por atrito Quando determinado material é atritado a um ímã permanente, ele adquire propriedade magnética. É necessário que a fricção ocorra em um sentido único, pois o atrito em um sentido anulará a imantação obtida no sentido oposto. Uma maneira fácil de construir uma bússola é imantando uma agulha por atrito e, com a ajuda de um material flutuante, fazê-la boiar sobre a água. A agulha imantada orienta-se segundo o campo magnético terrestre. 3. Imantação por corrente elétrica O estudo de fenômenos eletromagnéticos mostra que a carga elétrica em movimento gera campo magnético e vice-versa. Se um material ferromagnético for enrolado por um fio condutor, a corrente elétrica criará um campo magnético que magnetizará o material. Propriedade dos Imãs Os imãs possuem propriedades específicas: • Polos Magnéticos: áreas em que as ações magnéticas são mais intensas. • Atração e Repulsão: quando aproximados de um mesmo polo tendem a se repelir, quando aproximados de polos diferentes, se atraem. • Inseparabilidade: os polos magnéticos de um imã são inseparáveis, pois quando um imã é dividido ele cria novos polos. • Interação entre polos: os polosse atraem ou repelem de acordo com suas características. Polos de nomes contrários se atraem e polos de mesmo nome se repelem. 4 Introdução ao Eletromagnetismo Exercícios 01. Considere as seguintes afirmações. I. A denominação de Polo Norte de um ímã é a região que se volta para o Norte geográfico da Terra e Polo Sul a região que volta para o Sul geográfico da Terra. II. Ímãs naturais são formados por pedras que contém óxido de ferro 3 4(Fe O ), denominadas magnetitas. III. Ímãs artificiais são obtidos a partir de processos denominados imantação. Com relação às afirmações, podemos dizer que apenas I é correta. apenas I e II são corretas. apenas I e III são corretas. apenas II e III são corretas. todas são corretas. 02. Considere as seguintes afirmações. I. Quando se coloca um ímã em contato com limalha (fragmentos) de ferro, estes não aderem a ele em toda a sua extensão, mas predominantemente nas regiões próximas das extremidades. II. Cortando-se um ímã em duas partes iguais, que por sua vez podem ser redivididas em outras tantas, observa-se que cada uma dessas partes constitui um novo ímã, que embora menor tem sempre dois polos. III. Polos de mesmo nome se atraem e de nomes diferentes se repelem. Com relação às afirmações, podemos dizer que apenas I é correta. apenas I e II são corretas. apenas I e III são corretas. apenas II e III são corretas. todas são corretas. 03. (Puc) Para que se possa efetuar a reciclagem do lixo, antes é necessário separá-lo. Uma dessas etapas, quando não se faz a coleta seletiva, é colocar o lixo sobre uma esteira, para que passe, por exemplo, por um imã. Esse processo permite que sejam separados materiais magnéticos, como o metal alumínio. ferro. cobre. zinco. magnésio. 04. (Eear) Entre as substâncias magnéticas, aquelas que ao serem colocadas próximas a um imã, cujo campo magnético é intenso, são repelidas por ambos os polos do imã, são classificadas como diamagnéticas. paramagnéticas. ferromagnéticas. imãs permanentes. 05. (G1 - cps 2017) Pela primeira vez, cientistas detectaram a presença de partículas de poluição que interferem no funcionamento do cérebro, podendo inclusive ser uma das causas de Alzheimer. A conexão entre esses materiais e o mal de Alzheimer ainda não é conclusiva. Um desses materiais poluentes encontrados no cérebro é a magnetita, um óxido de ferro que constitui um ímã natural. <http://tinyurl.com/hzvm3fh> Acesso em: 30.09.16. Adaptado. Sobre o óxido citado no texto, é correto afirmar que ele apresenta dois polos magnéticos: norte e sul, e ambos atraem o ferro. dois polos magnéticos: norte e sul, mas apenas o polo sul atrai o ferro. dois polos magnéticos: norte e sul, mas apenas o polo norte atrai o ferro. quatro polos magnéticos: norte, sul, leste e oeste, e todos atraem o ferro. quatro polos magnéticos: norte, sul, leste e oeste, mas apenas o norte e o sul atraem o ferro. 06. (G1 - cps) Ímãs podem ser utilizados em muitas brincadeiras. Não é a toa que há uma série de brinquedos em que figuras planas ou tridimensionais podem ser montadas utilizando-se ímãs. Um desses brinquedos consiste em uma grande quantidade de ímãs em formato de bastão. A figura 1 mostra o perfil de um desses ímãs sendo que a parte escurecida corresponde ao polo Norte, enquanto a parte em branco corresponde ao polo Sul. Carlos vai dispor alguns ímãs de acordo com a figura 2, de modo que eles fiquem unidos apenas pela ação da força magnética, sem a ação de atritos ou outras forças. Assinale a alternativa que apresenta corretamente uma possibilidade de arranjo dos ímãs para que Carlos consiga montar a disposição apresentada na figura 2. 5 Introdução ao Eletromagnetismo 07. (Uefs) Magnetismo é o fenômeno de atração ou repulsão observado entre determinados corpos, chamados ímãs, entre ímãs e certas substâncias magnéticas, tais como ferro, cobalto ou níquel, e também entre ímãs e condutores que estejam conduzindo correntes elétricas. Com base nos conhecimentos sobre Eletromagnetismo, é correto afirmar: A força magnética é uma interação de contato entre um fio longo condutor e uma carga elétrica em movimento. Quando um ímã é aquecido, suas propriedades magnéticas são aumentadas significativamente. Uma bússola sempre tende a orientar-se perpendicularmente ao campo magnético aplicado sobre ela, com o polo sul da bússola apontando no sentido do campo. Sempre que uma carga se movimenta na mesma direção do campo magnético, sendo no seu sentido ou contrário, ocorre o aparecimento de uma força eletromagnética que atua sobre ela. Todo ímã apresenta duas regiões distintas, em que a influência magnética se manifesta com maior intensidade, e essas regiões são chamadas de polos do ímã. 08. (Unesp) Um ímã em forma de barra, com seus polos Norte e Sul, é colocado sob uma superfície coberta com partículas de limalha de ferro, fazendo com que elas se alinhem segundo seu campo magnético. Se quatro pequenas bússolas, 1, 2, 3 e 4, forem colocadas em repouso nas posições indicadas na figura, no mesmo plano que contém a limalha, suas agulhas magnéticas orientam-se segundo as linhas do campo magnético criado pelo ímã. Desconsiderando o campo magnético terrestre e considerando que a agulha magnética de cada bússola seja representada por uma seta que se orienta na mesma direção e no mesmo sentido do vetor campo magnético associado ao ponto em que ela foi colocada, assinale a alternativa que indica, correta e respectivamente, as configurações das agulhas das bússolas 1, 2, 3 e 4 na situação descrita. 09. (Uepg) Sobre o fenômeno da magnetização, assinale o que for correto. 01) Um imã pode perder sua magnetização se tiver sua temperatura elevada até um valor conhecido como ponto Curie, o que faz cair drasticamente sua magnetização. 02) O ferro é um material ferromagnético, o que faz com que corpos constituídos deste material, sob a ação de um campo magnético externo, tornem-se imãs. 04) Os corpos constituídos de materiais paramagnéticos, quando na presença de campos magnéticos externos, sofrem um alinhamento parcial de seus imãs elementares. Deste modo, estes corpos são fracamente atraídos por imãs. 08) Uma agulha de ferro em contato com um imã é magnetizada e passa a interagir com agulhas de mesmo material próximas a ela, atraindo-as. 16) Para materiais conhecidos como diamagnéticos, o campo magnético induzido no interior do corpo é orientado no mesmo sentido do campo magnético externo. 10. (Uepg) As cartas magnéticas, muito utilizadas em Geografia, áreas da Engenharia e Ciências, servem para orientação, tanto no campo dos estudos topográficos, navegações aéreas e marítimas, como também no campo econômico, já que grande concentração de minerais ou petróleo pode provocar alterações magnéticas na região. Sobre os fenômenos magnéticos, assinale o que for correto. 01) O planeta Terra apresenta campo magnético natural. Sob a influência do campo magnético terrestre, é possível utilizar uma bússola como referência de orientação. 02) Em um imã, chama-se de polo norte magnético a extremidade que se orienta para o Polo Norte geográfico terrestre. A outra extremidade que se orienta para o Polo Sul geográfico terrestre, chama-se de polo sul magnético. 04) O fenômeno da "inseparabilidade dos polos" só foi observado em materiais ferromagnéticos. 08) A temperatura de Curie é a temperatura na qual um material perde todas as suas propriedades ferromagnéticas. 6 Introdução ao Eletromagnetismo 11. (G1 - ifsp) No mundo, existe uma grande variedade de elementos químicosmetálicos, cujas propriedades físicas e químicas são similares ou bastante distintas. Comumente, os metais são separados em dois grandes grupos: os ferrosos (compostos por ferro) e os não ferrosos (ausência de ferro). O primeiro grupo é considerado magnético, enquanto que o segundo não. Desta forma, uma maneira eficiente e rápida para fazer a separação destes elementos é pela utilização de eletroímãs, que são dispositivos que atraem apenas os metais ferromagnéticos. Considere as quatro barras QR, ST, UV e WX aparentemente idênticas. Verifica- se, experimentalmente, que Q atrai T, repele U e atrai W; R repele V, atrai T e atrai W. Diante do exposto, assinale a alternativa correta. QR e ST são ímãs. QR e UV são ímãs. RS e TU são ímãs. QR, ST e UV são ímãs. As quatro barras são ímãs. 12. (Enem) A magnetohipertermia é um procedimento terapêutico que se baseia na elevação da temperatura das células de uma região específica do corpo que estejam afetadas por um tumor. Nesse tipo de tratamento, nanopartículas magnéticas são fagocitadas pelas células tumorais, e um campo magnético alternado externo é utilizado para promover a agitação das nanopartículas e consequente aquecimento da célula. A elevação de temperatura descrita ocorre porque o campo magnético gerado pela oscilação das nanopartículas é absorvido pelo tumor. o campo magnético alternado faz as nanopartículas girarem, transferindo calor por atrito. as nanopartículas interagem magneticamente com as células do corpo, transferindo calor. o campo magnético alternado fornece calor para as nanopartículas que o transfere às células do corpo. as nanopartículas são aceleradas em um único sentido em razão da interação com o campo magnético, fazendo-as colidir com as células e transferir calor. 13. (G1 - ifsp) Dispõe-se de três ímãs em formato de barra, conforme mostra a figura a seguir: Sabe-se que o polo A atrai o polo C e repele o polo E. Se o polo F é sul, pode-se dizer que: A é polo sul e B polo Sul. A é polo sul e C é polo norte. B é polo norte e D é polo norte. A é polo norte e C é polo sul. A é polo norte e E é polo sul. 14. (Uem 2016) Sobre os campos magnéticos e os materiais magnéticos, assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01) Ímãs são corpos dotados de propriedades magnéticas. Quando construídos no formato de hastes retilíneas, possuem regiões em que o campo magnético se torna mais intenso. Essas regiões são denominadas polos do ímã. 02) Um campo magnético pode ser criado tanto por uma corrente elétrica em um fio quanto por um ímã. 04) Um ímã no formato de uma haste, quando pendurado pelo centro do eixo da haste, de modo que possa girar livremente em torno deste centro, orienta-se segundo o campo magnético terrestre. O polo do ímã que se orienta em direção ao norte geográfico é denominado de polo norte do ímã e o polo do ímã que se orienta em direção ao polo sul geográfico é denominado polo sul do ímã. 08) Ao aproximarmos dois ímãs, verificamos que os polos magnéticos de mesmo nome se atraem e de nomes diferentes se repelem. 16) A Terra, como os ímãs, possui um campo magnético. É por meio deste campo magnético que dispositivos de orientação como a bússola funcionam. Portanto, a Terra também possui dois polos magnéticos. O polo norte magnético da Terra coincide com o polo sul geográfico e o polo sul magnético da Terra coincide com o polo norte geográfico. 15. (Ufu) Três carrinhos idênticos são colocados em um trilho, porém, não se encostam, porque, na extremidade de cada um deles, conforme mostra o esquema abaixo, é acoplado um ímã, de tal forma que um de seus polos fica exposto para fora do carrinho (polaridade externa). Considerando que as polaridades externas dos ímãs (N – norte e S – sul) nos carrinhos são representadas por números, conforme o esquema a seguir, assinale a alternativa que representa a ordem correta em que os carrinhos foram organizados no trilho, de tal forma que nenhum deles encoste no outro: 1 – 2 – 4 – 3 – 6 – 5. 6 – 5 – 4 – 3 – 1 – 2. 3 – 4 – 6 – 5 – 2 – 1. 2 – 1 – 6 – 5 – 3 – 4. 16. (G1 - cps) O Maglev é uma espécie de trem sem rodas que possui eletroímãs em sua base, e há também eletroímãs no trilho que ele percorre. As polaridades desses eletroímãs são controladas por computador, e esse controle permite que o trem levite sobre o trilho bem como seja movido para frente ou para trás. Para demonstrar o princípio do funcionamento do Maglev, um estudante desenhou um vagão de trem em 7 Introdução ao Eletromagnetismo uma caixa de creme dental e colou em posições especiais ímãs permanentes, conforme a figura. O vagão foi colocado inicialmente em repouso e no meio de uma caixa de papelão de comprimento maior, porém de largura muito próxima à da caixa de creme dental. Na caixa de papelão também foram colados ímãs permanentes idênticos aos do vagão. Admitindo-se que não haja atrito entre as laterais da caixa de creme dental, em que se desenhou o vagão, e a caixa de papelão, para se obter o efeito de levitação e ainda um pequeno movimento horizontal do vagão sempre para a esquerda, em relação à figura desenhada, a disposição dos ímãs permanentes, no interior da caixa de papelão, deve ser a que se encontra representada em: 17. (Uemg) Em “Você Verá”, Luiz Vilela valoriza os animais. Por exemplo, no conto “Quando fiz sete anos”, ele se lembra de uma bússola estragada, e de como voou “como um alegre pássaro da manhã”, ao ir para casa, doido para abrir o embrulho onde estava uma bússola estragada, que ganhara do avô. Mas, por que a bússola estava estragada? Alguns candidatos aos cursos da UEMG fizeram algumas hipóteses para responder a essa pergunta: Leonardo: um fio solto fez com que o contato elétrico da bússola estragasse e, por isso, a bússola deixou de funcionar. Lorena: o Polo Norte da agulha da bússola apontava para o Polo Norte geográfico, e isto estava errado, pois ele deveria apontar para o Polo Sul geográfico, pois um Polo Norte é atraído por um Polo Sul. Amanda: a agulha magnética poderia ter se desprendido de seu apoio, e não estava girando livremente para se orientar, segundo o campo magnético da Terra. Fez (fizeram) comentários apropriados apenas Lorena. Leonardo e Lorena. apenas Amanda. Leonardo e Amanda. 18. (Fgv) Desde tempos remotos, muito se especulou acerca da origem e, principalmente, das características do campo magnético terrestre. Recentes pesquisas, usando sondas espaciais, demonstram que o campo magnético terrestre limita-se a uma região de seu entorno chamada magnetosfera, fortemente influenciada pelo Sol. limita-se a uma região de seu entorno chamada magnetosfera, fortemente influenciada pela Lua. é constante ao longo de toda a superfície do planeta, sofrendo forte influência das marés. é constante ao longo de toda a superfície do planeta, mas varia com o inverso do quadrado da distância ao seu centro. é produzido pela crosta terrestre a uma profundidade de 5 a 30km e é fortemente influenciado pela temperatura reinante na atmosfera. 19. Um campo magnético é gerado: por eletrização: o polo norte magnético é positivo e o polo sul magnético é negativo. por cargas elétricas em repouso. por cargas elétricas necessariamente em movimento circular. por cargas elétricas necessariamente em movimento retilíneo. por cargas elétricas em movimento, não importando o formato da trajetória. GABARITO 01 02 03 04 05 E B B A A 06 07 08 09 10 B E C 15 11 11 12 13 14 15 B B D 23 D 16 17 18 19 A C A E
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