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93PROMILITARES.COM.BR CAMPO MAGNÉTICO O Magnetismo pode ser caracterizado como sendo o fenômeno de atração ou repulsão observado entre determinados corpos, chamados ímãs, entre ímãs e certas substâncias magnéticas (como ferro, cobalto ou níquel) e também entre ímãs e condutores que estejam conduzindo correntes elétricas. ÍMÃS E MAGNETOS Um ímã pode ser definido como um objeto que pode provocar um campo magnético ao seu redor e pode ser natural ou artificial. Um ímã natural é feito de minerais com substâncias magnéticas, como por exemplo, a magnetita, que é um óxido férrico e 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 Podemos classificar como sendo regiões onde as ações magnéticas são mais fortes. Um ímã é composto por dois polos magnéticos, norte e sul, comumente 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 determinados estes 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. ATRAÇÕES E REPULSÕES Lm40QDjGvfdukN4Jt4yQHzyo=/0x0:631x235/300x112/s.glbimg.com/po/ek/f/ original/2013/08/26/magnetismo_fisica_enem_3.jpg A diferente natureza dos polos de um ímã, já posta em evidência devido à sua orientação particular, evidencia-se mais ainda quando se notam as ações que os polos de um ímã exercem sobre os polos de outro ímã. 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. MAGNETISMO TERRESTRE A Terra exerce sobre uma agulha magnética a mesma ação que um poderoso ímã. A Terra pode ser então considerada como um grande ímã, cujos polos magnéticos estão próximos dos polos geográficos. A Terra exerce sobre uma agulha magnética uma ação que tende a fazer a agulha orientar-se paralelamente ao campo magnético. Chama-se polo norte de uma agulha magnética (bússola) a extremidade que sempre está voltada para o polo norte da Terra e polo sul a extremidade que se dirige para o polo sul da Terra. Observe que, como o polo Norte Geográfico da Terra atrai a extremidade norte da bússola, ele deve ter as características de um polo sul magnético. O campo magnético da Terra protege o planeta dos chamados raios cósmicos, feixes de partículas de altas energias que vêm do Sol. Ao se aproximar da Terra, as partículas carregadas eletricamente são desviadas, devido à interação magnética, em direção aos polos. Essas partículas são desaceleradas ao entrar na atmosfera, emitindo radiação. A visualização desse fenômeno é chamada de AURORA, que pode ser Boreal (Norte) ou Austral (Sul). http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/CampoMagnetico/figuras/ ima2.gif 94 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR 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. http://s2.glbimg.com/hOBwHCCwx-gCS6bXHrfJi81cCIY=/0x0:300x119/300x119/s. glbimg.com/po/ek/f/original/2013/08/26/magnetismo_fisica_enem_6.png PONTO DE CURIE Pode ser definido como sendo a temperatura na qual o magnetismo permanente de um material se torna um magnetismo induzido. A força do magnetismo é determinada pelo momento magnético. Esse fenômeno foi descoberto pelo francês Pierre Curie, físico e marido de Marie Curie. Os dois ganharam reconhecimento pelos estudos relacionados com a radioatividade. O calor fornecido por uma fonte térmica causa um desarranjo na disposição dos elétrons que compõem o material, proporcionando a perda momentânea das propriedades magnéticas. Essa temperatura é específica de cada material. CAMPO MAGNÉTICO DE UM ÍMÃ Podemos classificar como sendo uma próxima a um ímã que influencia outros ímãs ou materiais ferromagnéticos e paramagnéticos, como cobalto e ferro. Se compararmos o campo magnético com campo gravitacional ou campo elétrico poderemos ver que todos estes têm as características equivalentes. Também é possível definir um vetor que descreva este campo, chamado vetor indução magnética e simbolizado por B . Se pudermos colocar uma pequena bússola em um ponto sob ação do campo o vetor B terá direção da reta em que a agulha se alinha e sentido para onde aponta o polo norte magnético da agulha. Se pudermos traçar todos os pontos onde há um vetor indução magnética associado veremos linhas que são chamadas linhas de indução do campo magnético. Estas são orientadas do polo norte em direção ao sul, e em cada ponto o vetor B tangencia estas linhas. http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/upload/conteudo/images/Linhas%20de%20 inducao%20em%20forma%20de%20barra.jpg As linhas de indução existem também no interior do ímã, portanto são linhas fechadas e sua orientação interna é do polo sul ao polo norte. Assim como as linhas de força, as linhas de indução não podem se cruzar e são mais densas onde o campo é mais intenso. CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME De maneira análoga ao campo elétrico uniforme, é definido como o campo ou parte dele onde o vetor indução magnética B é igual em todos os pontos, ou seja, tem mesmo módulo, direção e sentido. Assim sua representação por meio de linha de indução é feita por linhas paralelas e igualmente espaçadas. http://cepa.if.usp.br/e-fisica/imagens/eletricidade/basico/cap13/fig240.gif A parte interna dos imãs em forma de U aproxima um campo magnético uniforme. BÚSSOLAS São dispositivos que podem auxiliar viajantes a se orientarem, que usam como ponteiro uma agulha magnetizada, ou seja, se comportando como um ímã. Uma bússola sempre tende a orientar-se paralelamente ao campo magnético aplicado sobre ela, com o polo norte da bússola apontando no sentido do campo. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3a/A_b%C3%BAssola_aponta_ no_sentido_das_linhas_de_campo_magn%C3%A9tico..png EXPERIMENTO DE OERSTED Ao realizar diversas experiências, Oersted observou que uma corrente elétrica passando por um condutor desviava uma agulha magnética colocada na sua vizinhança, de tal modo que a agulha assumia uma posição diferente ao plano definido pelo fio e pelo centro da agulha. Oersted inicialmente utilizando de um fio condutor retilíneo, por onde passava uma corrente elétrica, posicionou sobre esse fio uma agulha magnética, orientada livremente na direção norte-sul. Fazendo passar uma corrente no fio, observou que a agulha sofria um desvio em sua orientação, e que esse desvio era perpendicular a esse fio. Ao interromper a passagem de corrente elétrica, a agulha voltou a se orientar na direção norte-sul. Assim, ele concluiu que a corrente elétrica no fio se comportavacomo um ímã colocado próximo à agulha magnética. Ou seja, a corrente elétrica estabeleceu um campo magnético no espaço em torno dela, e esse campo foi responsável pelo desvio da agulha magnética. Assim podemos concluir que cargas elétricas em movimento geram 95 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR um campo magnético próximo a elas. E então o aparecimento de um campo magnético juntamente com a passagem de uma corrente de elétrons foi pela primeira vez observado. Possibilitando a unificação da eletricidade com o magnetismo, que passaram a constituir um importante ramo da física denominado eletromagnetismo. http://brasilescola.uol.com.br/upload/conteudo/images/experimento%20de%20 oersted.jpg CAMPO MAGNÉTICO DE UM FIO RETILÍNEO Quando fazemos passar por um fio retilíneo uma corrente elétrica i, ela gera ao seu redor um campo magnético, cujas linhas do campo são circunferências concêntricas pertencentes ao plano perpendicular ao fio e com centro comum em um ponto dele. Para identificarmos qual o sentido do campo magnético deste fio utilizamos a regra da mão direita. Coloca-se polegar direito no mesmo sentido que a corrente, assim a direção que os demais dedos curvados nos mostrará será o sentido do campo, como mostra a figura abaixo: A lei de Ampère nos permitiu determinar o módulo do campo magnético. Ela nos diz que “o vetor campo magnético é tangente às linhas do campo magnética”. Assim a tangente as linhas do campo magnética será a direção dele, e a intensidade do campo será dado pela equação: Onde μ é a grandeza física que caracteriza o meio no qual o fio condutor está imerso. Essa grandeza é chamada de permeabilidade magnética do meio. A unidade de μ, no SI, é T.m/A (tesla x metro/ ampère). Para o vácuo, a permeabilidade magnética (μo) vale, por definição: μo = 4π ⋅ 10 -7 T.m/A CAMPO MAGNÉTICO EM ESPIRAS Uma espira é um fio condutor dobrado em forma de círculo, como mostra a figura abaixo: http://masimoes.pro.br/fisica_el/_Media/23_med_hr.jpeg Espira de cobre. A corrente elétrica que passa pelo fio gera um campo magnético em seu entorno. Quando percorrido por uma corrente elétrica, um fio retilíneo e longo cria ao seu redor um campo magnético. Pegando esse mesmo fio retilíneo e dobrando-o em forma de uma espira de raio R, veremos que as linhas do campo magnético irão acompanhar o formato da espira. A reta que passa pelo centro, e perpendicular ao plano da espira é uma linha do campo magnético cuja intensidade é denominada pela seguinte fórmula: o iB 2 R µ � � � Para se determinar o sentido das linhas do campo magnético usa-se a regra da mão direita. Coloca-se o dedo polegar sobre a direção da corrente e os dedos nos mostra o sentido do campo. Se considerarmos N espiras de mesmo raio R, lado a lado, de maneira que o comprimento do enrolamento seja desprezível, a intensidade do campo magnético no centro será dado por: Onde N é o número de espiras. Resumindo: uma espira circular percorrida por uma corrente i, cria em seu centro um campo magnético retilíneo perpendicular ao seu plano, cuja intensidade é dada pela fórmula acima, a direção é perpendicular ao plano da espira e o sentido é dado pela regra da mão direita. Devemos notar que um observador colocado acima da espira vai enxergar as linhas de campo saindo. E essa parte representa o polo norte do ímã (espira circular percorrida por corrente elétrica). Já quem estiver abaixo verá as linhas de campo entrando - e essa parte representa o polo sul do ímã. Essas regiões podem ser representadas da seguinte maneira: http://brasilescola.uol.com.br/upload/e/campo%201(4).jpg 96 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR CAMPO MAGNÉTICO NO SOLENOIDE Podemos classificar o solenoide como um condutor longo e enrolado de modo que forma um tubo constituído de espiras igualmente espaçadas. Aplicando uma corrente no fio, ele gera um campo magnético. No ramo da física, podemos chamar de solenoide todo fio condutor longo e enrolado de forma que se pareça com um tubo formado por espiras circulares igualmente espaçadas. Este condutor também pode ser chamado de bobina chata. Portanto, ao se deparar com ambos os nomes, lembre-se que eles são sinônimos, já que nos dois casos temos um agrupamento de espiras. O enrolamento de um fio sobre um tubo de caneta, por exemplo, é um solenoide. Configuramos um solenoide a partir da reunião das configurações das linhas de campo magnético produzidas por cada uma das espiras. Para fazermos um solenoide basta enrolarmos um fio longo sobre um tubo de caneta, por exemplo. A figura abaixo nos mostra um solenoide percorrido por uma corrente elétrica i e de comprimento L. http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/upload/conteudo/campo(3).jpg Como todo fio condutor percorrido por uma corrente elétrica gera ao seu redor um campo magnético, não é diferente para um solenoide. O campo magnético gerado em um solenoide possui as seguintes características: • no interior do solenoide consideramos o campo magnético como sendo uniforme, portanto, as linhas de indução são paralelas entre si; • quanto mais comprido for o solenoide, mais uniforme será o campo magnético interno e mais fraco o campo magnético externo. Para o campo magnético uniforme no interior do solenoide teremos um vetor indução em qualquer ponto interno do solenoide, portanto, como se trata de um vetor, ele terá intensidade, direção e sentido. O módulo, isto é, a intensidade do campo magnético no interior de um solenoide é obtido através da seguinte equação: Onde: μ é a permeabilidade magnética do meio no interior do solenoide e N/L representa o número de espiras por unidade de comprimento do solenoide. A direção do vetor indução magnética é retilínea e paralela ao eixo do solenoide. O sentido é obtido através da regra da mão direita. Como existe um campo magnético no interior do solenoide, podemos dizer que as extremidades de um solenoide são seus polos. EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 01. A configuração do campo magnético terrestre causa um efeito chamado inclinação magnética. Devido a esse fato, a agulha magnética de uma bússola próxima à superfície terrestre, se estiver livre, não se mantém na horizontal, mas geralmente inclinada em relação à horizontal (ângulo α, na figura 2). A inclinação magnética é mais acentuada em regiões de maiores latitudes. Assim, no equador terrestre a inclinação magnética fica em torno de 0º, nos polos magnéticos é de 90º, em São Paulo é de cerca de 20º, com o polo norte da bússola apontado para cima, e em Londres é de cerca de 70º, com o polo norte da bússola apontado para baixo. Esse efeito deve-se ao fato de a agulha magnética da bússola alinhar- se sempre na direção: a) perpendicular às linhas de indução do campo magnético da Terra e ao fato de o polo norte magnético terrestre estar próximo ao polo sul geográfico da Terra. b) tangente à Linha do Equador e ao fato de o eixo de rotação da Terra coincidir com o eixo magnético que atravessa a Terra. c) tangente às linhas de indução do campo magnético da Terra e ao fato de o polo norte magnético terrestre estar próximo ao polo norte geográfico da Terra. d) tangente às linhas de indução do campo magnético da Terra e ao fato de o polo norte magnético terrestre estar próximo ao polo sul geográfico da Terra. e) paralela ao eixo magnético terrestre e ao fato de o polo sul magnético terrestre estar próximo ao polo norte geográfico da Terra. 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: a) apenas I écorreta. b) apenas I e II são corretas. c) apenas I e III são corretas. d) apenas II e III são corretas. e) todas são corretas. 03. 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: 97 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR a) alumínio. b) ferro. c) cobre. d) zinco. e) magnésio. 04. 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 (Fe3O4), denominadas magnetitas. III. Ímãs artificiais são obtidos a partir de processos denominados imantação. Com relação às afirmações, podemos dizer que: a) apenas I é correta. b) apenas I e II são corretas. c) apenas I e III são corretas. d) apenas II e III são corretas. e) todas são corretas. 05. Se um fio metálico retilíneo estiver conduzindo corrente elétrica e for aproximado à parte superior de uma bússola, a) o ponteiro da bússola se alinha com a perpendicular do fio. b) o ponteiro da bússola se alinha em paralelo ao fio. c) o ponteiro da bússola se alinha em uma posição intermediária entre as direções paralela e perpendicular ao fio. d) a bússola não é afetada pela corrente elétrica. 06. Nas linhas de metrô, o dispositivo conhecido como terceiro trilho fornece energia elétrica para alimentar os motores das composições, produzindo um campo magnético em seu entorno, cuja intensidade varia em função da distância. Observe, abaixo, a imagem da plataforma de uma estação. Nela, uma passageira está de pé, a 5,0 m de distância do terceiro trilho. Admita que uma corrente contínua de 5.000 ampères atravesse o terceiro trilho da linha metroviária. Determine, em teslas, a intensidade do campo magnético produzido sobre a passageira na plataforma. 07. A figura e o texto a seguir referem-se à questão a seguir: A figura representa um circuito em que consta um gerador de corrente contínua de força eletromotriz 24V e resistência interna de 2,0 Ω. O gerador alimenta uma associação em paralelo de um resistor ôhmico de 10 Ω e um solenoide com certos comprimento e número de espiras, com resistência ôhmica de 15 Ω. Se o solenoide for substituído por outro, de comprimento duas vezes maior e com o dobro do número de espiras, mas apresentando a mesma resistência elétrica, o campo magnético no interior do novo solenoide, gerado pela corrente elétrica, terá sua intensidade, em relação ao valor inicial, a) quadruplicada. b) duplicada. c) mantida. d) reduzida à metade. e) reduzida à quarta parte. 08. No caso hipotético de uma corrente elétrica por um condutor retilíneo, há geração de um campo magnético: a) na mesma direção do condutor. b) que aumenta proporcionalmente à distância do condutor. c) que é constante e uniforme em torno da direção do condutor. d) em direções perpendiculares à do condutor. 09. Dois fios longos e retilíneos, 1 e 2, são dispostos no vácuo, fixos e paralelos um ao outro, em uma direção perpendicular ao plano da folha. Os fios são percorridos por correntes elétricas constantes, de mesmo sentido, saindo do plano da folha e apontando para o leitor, representadas, na figura, pelo símbolo . Pelo fio 1 circula uma corrente elétrica de intensidade i1 = 9A e, pelo fio 2, uma corrente de intensidade i2 = 16A. A circunferência tracejada, de centro C, passa pelos pontos de intersecção entre os fios e o plano que contém a figura. Considerando 7 0 T m 4 10 , A − ⋅µ = ⋅ π ⋅ calcule o módulo do vetor indução magnética resultante, em tesla, no centro C da circunferência e no ponto P sobre ela, definido pelas medidas expressas na figura, devido aos efeitos simultâneos das correntes i1 e i2. 10. As figuras mostram três espiras circulares concêntricas e coplanares percorridas por correntes de mesma intensidade I em diferentes sentidos. Assinale a alternativa que ordena corretamente as magnitudes dos respectivos campos magnéticos nos centros B1, B2, B3 e B4. a) B2 > B4 > B3 > B1. b) B1 > B4 > B3 > B2. c) B2 > B3 > B4 > B1. d) B3 > B2 > B4 > B1. e) B4 > B3 > B2 > B1. 98 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR EXERCÍCIOS DE TREINAMENTO 01. Quanto à facilidade de imantação, podemos afirmar que: “Substâncias __________ são aquelas cujos ímãs elementares se orientam em sentido contrário ao vetor indução magnética, sendo, portanto, repelidas pelo ímã que criou o campo magnético”. O termo que preenche corretamente a lacuna é: a) diamagnéticas b) paramagnéticas c) ultramagnéticas d) ferromagnéticas 02. 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: a) diamagnéticas. b) paramagnéticas. c) ferromagnéticas. d) imãs permanentes. 03. Uma espira circular com 10π cm de diâmetro, ao ser percorrida por uma corrente elétrica de 500 mA de intensidade, produz no seu centro um vetor campo magnético de intensidade igual a ______⋅10-6 T. Obs. Utilize µ0 = 4π·10 -7 t·m/A a) 1 b) 2 c) 4 d) 5 04. Um fio condutor é percorrido por uma corrente i como mostra a figura. Próximo ao condutor existe um ponto P, também representado na figura. A opção que melhor representa o vetor campo magnético no ponto P é: a) b) c) d) 05. Dois longos fios paralelos estão dispostos a uma distância um do outro e transportam correntes elétricas de mesma intensidade i em sentidos opostos, como ilustra a figura abaixo. Nessa figura o ponto P é equidistante dos fios. Assim, o gráfico que melhor representa a intensidade do campo magnético resultante B, no ponto P, em função da abscissa x, é: a) b) c) d) 06. Dois fios condutores retilíneos, muito longos e paralelos entre si, são percorridos por correntes elétricas de intensidade distintas, i1 e i2, de sentidos opostos. Uma espira circular condutora de raio R é colocada entre os dois fios e é percorrida por uma corrente elétrica i. A espira e os fios estão no mesmo plano. O centro da espira dista de 3R de cada fio, conforme o desenho abaixo. Para que o vetor campo magnético resultante, no centro da espira, seja nulo, a intensidade da corrente elétrica i e seu sentido, tomando como referência o desenho, são respectivamente: a) 1 2i i 3 + e horário b) 1 2i i 3 − π e anti-horário c) 1 2i i 3 − π e horário d) 1 2i i 3 + π e horário e) 1 2i i 3 + π e anti-horário 07. Analise a figura abaixo. 99 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR Um instrumento denominado amperímetro de alicate é capaz de medir a corrente elétrica em um ou mais condutores apenas os envolvendo com suas garras (ver figura). Quando essas são fechadas, o campo magnético produzido pelas correntes envolvidas pode ser medido por um sensor. Considere que dois condutores retilíneos, muito próximos um do outro atravessam o centro da área circular, de raio R, entre as garras do medidor. Sendo assim, o campo magnético medido pelo sensor será: a) zero, se as correntes nos fios forem de mesmo módulo I e tiverem sentidos contrários. b) 0 2 I , R µ π se as correntes forem de mesmo módulo I e tiverem o mesmo sentido. c) 0I , 2 R µ π se as correntes forem de mesmo módulo I e tiverem o mesmo sentido. d) 0I , 4 R µ π se as correntes forem de mesmo módulo I e tiverem sentidos contrários. e) sempre zero. 08. Dois fios “A” e “B” retos, paralelos e extensos, estão separados por uma distância de 2 m. Uma espira circular de raio igual a π/4m encontra-se com seu centro “O” a uma distância de 2 m do fio “B”, conforme desenho abaixo. A espira e os fios são coplanares e se encontram no vácuo. Os fios “A” e “B” e a espira são percorridos por correntes elétricas de mesmaintensidade i = 1A com os sentidos representados no desenho. A intensidade do vetor indução magnética resultante originado pelas três correntes no centro “O” da espira é: Dado: Permeabilidade magnética do vácuo: µ0 = 4π⋅10 -7 T⋅m/A a) 3,0⋅10-7 T b) 4,5⋅10-7 T c) 6,5⋅10-7 T d) 7,5⋅10-7 T e) 8,0⋅10-7 T 09. Na figura abaixo, e1 e e2 são duas espiras circulares, concêntricas e coplanares de raios r1 = 8,0 m e r2 = 2,0 m, respectivamente. A espira e2 é percorrida por uma corrente i2 = 4,0A, no sentido anti-horário. Para que o vetor campo magnético resultante no centro das espiras seja nulo, a espira e1 deve ser percorrida, no sentido horário, por uma corrente i1, cujo valor, em amperes, é de: a) 4,0 b) 8,0 c) 12 d) 16 e) 20 10. Um sistema de espiras circulares concêntricas está disposto em um plano horizontal. Cada espira conduz uma corrente I, que gira no sentido anti-horário, conforme ilustra a figura. O sistema foi montado de forma que os raios das espiras dobram a cada espira colocada. Considerando a permeabilidade magnética do vácuo como igual a µ0, determine o campo magnético produzido no centro dessa estrutura quando o número de espiras tende ao infinito. a) µ0I/R b) µ0I/2R c) µ0I/4R d) µ0I/8R e) µ0I/16R 11. Um equipamento hospitalar de última geração contém uma bobina composta por 200 espiras com raio de 5 cm, com resistência elétrica de 0,001 ohm por centímetro. A bobina é ligada a uma fonte de tensão que suporta uma corrente elétrica máxima de 6A, e que apresenta uma resistência interna de 2 ohms. Quando uma corrente elétrica passa por ela, há a geração de um campo magnético. O módulo do vetor indução magnética no centro dessa espira é aproximadamente igual a: Dados: utilize, caso necessário, π = 3 e considere a permeabilidade magnética do meio como sendo 4π⋅10-7 T⋅m/A. a) 1,2⋅10-4 T b) 1,2⋅10-3 T c) 3,6⋅10-3 T d) 2,4⋅10-4 T e) 4,8⋅10-3 T 12. Para demonstrar o processo de transformação de energia mecânica em elétrica, um estudante constrói um pequeno gerador utilizando: - um fio de cobre de diâmetro D enrolado em N espiras circulares de área A; - dois ímãs que criam no espaço entre eles um campo magnético uniforme de intensidade B; e - um sistema de engrenagens que lhe permite girar as espiras em torno de um eixo com uma frequência f. Ao fazer o gerador funcionar, o estudante obteve uma tensão máxima V e uma corrente de curto-circuito i. Para dobrar o valor da tensão máxima V do gerador mantendo constante o valor da corrente de curto i, o estudante deve dobrar o(a): a) número de espiras. b) frequência de giro. c) intensidade do campo magnético. d) área das espiras. e) à diâmetro do fio. 13. As figuras representam arranjos de fios longos, retilíneos, paralelos e percorridos por correntes elétricas de mesma intensidade. Os fios estão orientados perpendicularmente ao plano desta página e dispostos segundo os vértices de um quadrado. A única diferença entre os arranjos está no sentido das correntes: os fios são percorridos por correntes que entram ou saem do plano da página. O campo magnético total é nulo no centro do quadrado apenas em: 100 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR a) I. b) II. c) I e II. d) II e III. e) III e IV. 14. Ao ligar-se, simultaneamente, cada uma das extremidades de um fio metálico retilíneo a um dos polos de uma pilha e colocar esse fio acima de uma bússola paralelamente à agulha que se encontra inicialmente orientada na direção norte-sul, observa-se que a agulha da bússola sofre uma deflexão que tende a se orientar numa direção ortogonal ao fio com o polo norte apontando para o oeste. Em relação a este experimento, similar ao experimento realizado por Oersted, em 1820, é correto afirmar que: 01) caso a ligação feita entre as extremidades do fio e os polos da pilha seja invertida, a agulha da bússola também sofrerá uma deflexão que tende a se orientar numa direção ortogonal ao fio, mas com o polo norte apontando para o leste. 02) caso a ligação feita entre as extremidades do fio e os polos da pilha seja mantida, a agulha da bússola continuará a sofrer uma deflexão que tende a se orientar numa direção ortogonal ao fio, com o polo norte apontando para o oeste, mesmo que o fio seja posicionado abaixo da bússola paralelamente à agulha que se encontra inicialmente orientada na direção norte-sul. 04) caso o fio ligado à pilha seja posicionado paralelamente à agulha da bússola, ambos à mesma altura do solo (sobre uma mesa, por exemplo), então a agulha sofrerá uma deflexão que tende a se orientar numa direção perpendicular ao fio, com o polo norte apontando para o fio. 08) o experimento mostra que uma corrente elétrica é capaz de produzir efeitos magnéticos. 16) ao substituir a agulha da bússola por outro fio metálico retilíneo, cujas extremidades estejam ligadas aos polos de outra pilha, posicionando-os paralelamente um em relação ao outro, verifica- se atração ou repulsão entre os fios, dependendo do sentido das correntes elétricas que se estabelecem no interior deles. 15. Duas espiras circulares, concêntricas e coplanares, de raios R1 e R2, onde R2 = 5R1, são percorridas pelas correntes de intensidades i1 e i2, respectivamente. O campo magnético resultante no centro das espiras é nulo. Qual é a razão entre as intensidades de correntes i2 e i1? a) 0,2 b) 0,8 c) 1,0 d) 5,0 e) 10 16. Para uma espira circular condutora, percorrida por uma corrente elétrica de intensidade i, é registrado um campo magnético de intensidade B no seu centro. Alterando-se a intensidade da corrente elétrica na espira para um novo valor ifinal, observa-se que o módulo do campo magnético, no mesmo ponto, assumirá o valor 5B. Qual é a razão entre as intensidades das correntes elétricas final e inicial (ifinal I i)? a) 1/5 b) 1/25 c) 5 d) 10 e) 25 17. A ideia de linhas de campo magnético foi introduzida pelo físico e químico inglês Michael Faraday (1791-1867) para explicar os efeitos e a natureza do campo magnético. Na figura a seguir, extraída do artigo “Pesquisas Experimentais em Eletricidade”, publicado em 1852, Faraday mostra a forma assumida pelas linhas de campo com o uso de limalha de ferro espalhada ao redor de uma barra magnética. Sobre campo magnético, é CORRETO afirmar que: 01) o vetor campo magnético em cada ponto é perpendicular à linha de campo magnético que passa por este ponto. 02) as linhas de campo magnético são contínuas, atravessando a barra magnética. 04) as linhas de campo magnético nunca se cruzam. 08) por convenção, as linhas de campo magnético “saem” do polo sul e “entram” no polo norte. 16) as regiões com menor densidade de linhas de campo magnético próximas indicam um campo magnético mais intenso. 32) quebrar um ímã em forma de barra é uma maneira simples de obter dois polos magnéticos isolados. 64) cargas elétricas em repouso não interagem com o campo magnético. 18. Os campos magnéticos produzidos pelo corpo humano são extremamente tênues, variando tipicamente entre 10-15T e 10-9T. O neuromagnetismo estuda as atividades cerebrais, registrando basicamente os sinais espontâneos do cérebro e as respostas aos estímulos externos. Para obter a localização da fonte dos sinais, esses registros são feitos em diversos pontos. Na região ativa do cérebro, um pequeno pulso de corrente circula por um grande número de neurônios, o que gera o campo magnético na região ativa. As dificuldades em medir e localizar esse campo são inúmeras. Para se compreender essas dificuldades, considere dois fios muito longos e paralelos, os quais são percorridos por correntes de mesma intensidade i, conforme ilustrado no arranjo da figura acima. Desconsidere o campo magnético terrestre. Com base no exposto, a) calcule o módulo do campo magnético gerado pela corrente de cada fio no ponto em que se encontra o detector, em função de h, i e µ0; b) determine a intensidade da corrente i, em função de h, de µ0 e do módulo do campo magnético B medidopelo detector. 19. Uma bobina chata representa um conjunto de N espiras que estão justapostas, sendo essas espiras todas iguais e de mesmo raio. Considerando que a bobina da figura abaixo tem resistência de R = 8Ω, possui 6 espiras, o raio mede 10 cm, e ela é alimentada por um gerador de resistência interna de 2Ω e força eletromotriz de 50V, a intensidade do vetor indução magnética no centro da bobina, no vácuo, vale: Dado: 7o 4 . 10 T.m / A −µ = π (permeabilidade magnética no vácuo) 101 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR a) 2π⋅10-5 T b) 4π⋅10-5 T c) 6π⋅10-5 T d) 8π⋅10-5 T e) 9π⋅10-5 T 20. Em relação às propriedades e aos comportamentos magnéticos dos ímãs, das bússolas e do nosso planeta, é correto afirmar que: a) a agulha de uma bússola inverte seu sentido ao cruzar a linha do Equador. b) um pedaço de ferro é atraído pelo polo norte de um ímã e repelido pelo polo sul. c) as propriedades magnéticas de um ímã perdem-se quando ele é cortado ao meio. d) o polo norte geográfico da Terra corresponde, aproximadamente, ao seu polo sul magnético. 21. Os eletroímãs, formados por solenoides percorridos por correntes elétricas e um núcleo de ferro, são dispositivos utilizados por guindastes eletromagnéticos, os quais servem para transportar materiais metálicos pesados. Um engenheiro, para construir um eletroímã, utiliza um bastão cilíndrico de ferro de 2,0 metros de comprimento e o enrola com um fio dando 4 × 106 voltas. Ao fazer passar uma corrente de 1,5A pelo fio, um campo magnético é gerado no interior do solenoide, e a presença do núcleo de ferro aumenta em 1.000 vezes o valor desse campo. Adotando para a constante µ0 o valor 4π × 10 −7 T·m/A, é correto afirmar que, nessas circunstâncias, o valor da intensidade do campo magnético, no interior do cilindro de ferro, em tesla, é de: a) 24 π × 102 b) 12 π × 102 c) 6 π × 102 d) 3 π × 102 e) π × 102 22. Uma criança brincando com um ímã, por descuido, o deixa cair, e ele se rompe em duas partes. Ao tentar consertá-lo, unindo-as no local da ruptura, ela percebe que os dois pedaços não se encaixam devido à ação magnética. Pensando nisso, se o ímã tivesse o formato e as polaridades da figura a seguir, é válido afirmar que o ímã poderia ter se rompido a) na direção do plano α. b) na direção do plano β. c) na direção do plano π. d) na direção de qualquer plano. e) apenas na direção do plano β. 23. Uma corrente I flui em quatro das arestas do cubo da figura (a) e produz no seu centro um campo magnético de magnitude B na direção y, cuja representação no sistema de coordenadas é (0, B, 0). Considerando um outro cubo (figura (b)) pelo qual uma corrente de mesma magnitude I flui através do caminho indicado, podemos afirmar que o campo magnético no centro desse cubo será dado por: a) (– B, – B, – B). b) (– B, B, B). c) (B, B, B). d) (0, 0, B). e) (0, 0, 0). 24. Três barras de ferro de massa forma são identificadas pelas letras A, B e C. Suas extremidades são identificadas por A1 e A2, B1 e B2 e C1 e C2. Quando estas barras são aproximadas vemos que as extremidades A1 e B1 sofrem atração, as extremidades A1 e C2 sofrem repulsão, as extremidades A1 e B2 sofrem atração e as extremidades A1 e C1 sofrem atração. Assim, podemos afirmar, em relação a estas barras, que é (são) ímã(s) permanente(s): a) só A. b) só B. c) só C. d) A e B. e) A e C. 25. Um ímã permanente retilíneo, cujos extremos N e S são os polos norte e sul, respectivamente, acha-se representado na figura (1). Suponha que a barra ímã seja dividida em três partes, segundo mostra a figura (2). Por fim, os segmentos das extremidades são colocados lado a lado, como na figura (3). Nesta situação, é correto afirmar que: a) eles se atrairão, pois x é polo norte e y é polo sul b) eles se atrairão, pois x é polo sul e y é polo norte c) eles se repelirão, pois x é polo norte e y polo sul d) eles se repelirão, pois x é polo sul e y é polo norte EXERCÍCIOS DE COMBATE 01. Considere dois fios retilíneos e muito extensos situados nas arestas AD e HG de um cubo conforme figura a seguir. Os fios são percorridos por correntes iguais a i nos sentidos indicados na figura. O vetor campo magnético induzido por estes dois fios, no ponto C, situa-se na direção do segmento. Obs: Desconsidere o campo 102 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR magnético terrestre. a) CB. b) CG. c) CF. d) CE. e) CA. 02. Uma espira circular de raio R é percorrida por uma corrente elétrica i criando um campo magnético. Em seguida, no mesmo plano da espira, mas em lados opostos, a uma distância 2R do seu centro colocam-se dois fios condutores retilíneos, muito longos e paralelos entre si, percorridos por correntes i1 e i2 não nulas, de sentidos opostos, como indicado na figura. O valor de i e o seu sentido para que o módulo do campo de indução resultante no centro da espira não se altere são respectivamente: a) i = (1/2π)(i1 + i2) e horário. b) i = (1/2π)(i1 + i2) e anti-horário. c) i = (1/4π)(i1 + i2) e horário. d) i = (1/4π)(i1 + i2) e anti-horário. e) i = (1/π)(i1 + i2) e horário. 03. Para uma espira circular condutora, percorrida por uma corrente elétrica de intensidade i, é registrado um campo magnético de intensidade B no seu centro. Alterando-se a intensidade da corrente elétrica na espira para um novo valor ifinal, observa-se que o módulo do campo magnético, no mesmo ponto, assumirá o valor 5B. Qual é a razão entre as intensidades das correntes elétricas final e inicial (ifinal/i)? a) 1/5 b) 1/25 c) 5 d) 10 e) 25 04. Uma espira circular, quando percorrida por uma corrente elétrica de intensidade i, gera um campo magnético que possui como módulo o dobro do valor referente à corrente. Determine o valor do raio da espira sabendo que μ0 = 4·π x 10 –7 T·m/A (utilize π = 3). a) 3 × 10–7m b) 6 × 10–7m c) 3 × 10–4m d) 3 × 10–6m e) 2 × 10–7m 05.Um solenoide de 30 cm de comprimento, contendo 800 espiras e resistência elétrica de 7,5 Ω, é conectado a um gerador de força eletromotriz igual a 15 V e resistência interna de 2,5 Ω . Determine, em tesla (T), o módulo do vetor indução magnética no interior do solenoide. Considere a permeabilidade magnética do meio que constitui o interior do solenoide igual a 4π·10–7T·m·A–1 e π = 3. a) 0,0048 b) 0,0064 c) 0,0192 d) 0,000048 e) 0,000064 06. Na figura estão representados um fio muito longo percorrido por uma corrente i1 e uma espira circular de raio R, percorrida pela corrente i2, ambos num mesmo plano e um tangenciando o outro, conforme a figura. Qual é o valor da razão i1/i2 para que o campo magnético resultante no centro C da espira seja nulo? a) 1/2 b) 1/π c) 2 d) π e) π/2 07. Duas espiras circulares, concêntricas e coplanares de raios 3π m e 5π m, são percorridas por correntes de 3 AW e 4 A, como mostra a figura. O módulo do vetor indução magnética no centro das espiras é igual a: a) 1·10–8 T b) 2·10–8 T c) 3·10–8 T d) 4·10–8 T e) 3,6·10–8 T 08. Uma bobina chata representa um conjunto de N espiras que estão justapostas, sendo essas espiras todas iguais e de mesmo raio. Considerando que a bobina da figura abaixo tem resistência de R = 8 Ω , possui 6 espiras, o raio mede 10 cm, e ela é alimentada por um gerador de resistência interna de 2 Ω e força eletromotriz de 50 V, a intensidade do vetor indução magnética no centro da bobina, no vácuo, vale: Dado: µ0 = 4 π × 10 -7 T·m/A (permeabilidade magnética no vácuo) a) 2 π·10-5 T b) 4 π·10-5 T c) 6 π·10-5 T d) 8 π·10-5 T e) 9 π·10-5 T 09. Dois fios “A” e “B” retos, paralelos e extensos, estão separados por uma distância de 2 m. Uma espira circular de raio igual a 4π m encontra-se com seu centro “O” a uma distância de 2 m do fio “B”, conforme desenho abaixo. A espira e os fios são coplanares e se encontram no vácuo. Os fios “A” e “B” e a espira são percorridos por correntes elétricas de mesma intensidade i = 1A com os sentidos representados no desenho. A intensidade do vetor induçãomagnética resultante originado pelas três correntes no centro “O” da espira é: 103 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR Dado: permeabilidade magnética do vácuo: µ0 = 4π × 10 -7 T·m/A. a) 3,0 × 10-7 T b) 4,5 × 10-7 T c) 6,5 × 10-7 T d) 7,5 × 10-7 T e) 8,0 × 10-7 T 10. Dois fios condutores retilíneos, muito longos e paralelos entre si, são percorridos por correntes elétricas de intensidade distintas, i1 e i2, de sentidos opostos. Uma espira circular condutora de raio R é colocada entre os dois fios e é percorrida por uma corrente elétrica i. A espira e os fios estão no mesmo plano. O centro da espira dista de 3 R de cada fio, conforme o desenho abaixo. Para que o vetor campo magnético resultante, no centro da espira, seja nulo, a intensidade da corrente elétrica i e seu sentido, tomando como referência o desenho, são respectivamente: a) i1 + i2/3 e horário. b) i1 – i2/3 π e anti-horário. c) i1 – i2/3 π e horário. d) i1 + i2/3 π e horário. e) i1 + i2/3 π e anti-horário. DESAFIO PRO 1 A figura mostra um fio por onde passa uma corrente I conectado a uma espira circular de raio a. A semicircunferência superior tem resistência igual a 2R e a inferior, igual a R. Encontre a expressão para o campo magnético no centro da espira em termos da corrente I. 2 A Figura 1 mostra um material ferromagnético envolto por um solenoide, ao qual é aplicado o pulso de tensão senoidal de duração T, conforme mostrado na Figura 2. O pulso produz um aquecimento no material ferromagnético, cuja energia, em joules, é dada por: = 2 maxBE 140 T onde: - energia de aquecimento: E; - duração do pulso de tensão senoidal aplicado ao solenoide: T; - densidade máxima do fluxo magnético: Bmáx. A energia proveniente do aquecimento do material ferromagnético é usada para aquecer 15 L de água de 20 ºC para 100 ºC, sendo que o rendimento desse processo de transferência de calor é 90%. De acordo com os dados do problema, determine: a) a densidade máxima do fluxo magnético Bmáx; b) a energia produzida no aquecimento do material ferromagnético E; c) a duração do pulso de tensão senoidal T. Dados: - comprimento do solenoide: 40 cm; - número de espiras do solenoide: 2.000 espiras; - calor específico da água: ° cal 1 ; g C- 1 cal = 4,2 J; e - permeabilidade magnética do material ferromagnético: −× ⋅ 7 Wb20 10 . A m Considerações: - o comprimento do solenoide é consideravelmente maior que seu raio interno; e - despreze o efeito indutivo do solenoide. 3 Num ponto de coordenadas (0, 0, 0) atua na direção x um campo de indução magnética com 2 × 10-5 T de intensidade. No espaço em torno deste ponto coloca-se um fio retilíneo, onde flui uma corrente de 5A, acarretando nesse ponto um campo de indução magnética resultante de −× 52 3 10 T na direção y. Determine o lugar geométrico dos pontos de intersecção do fio com o plano xy. 4 A figura representa dois fios condutores retilíneos e muito compridos, paralelos e percorridos por correntes elétricas de mesma intensidade F(i ), porém, de sentidos contrários. Entre os fios há uma espira circular de raio R percorrida por uma corrente elétrica de intensidade E(i ). Determine a razão F E i i e o sentido da corrente elétrica na espira circular para que o campo de indução magnética resultante no centro da espira seja nulo. 104 CAMPO MAGNÉTICO PROMILITARES.COM.BR Os fios condutores e a espira circular estão situados no mesmo plano. a) π e o sentido da corrente na espira deve ser anti-horário. b) π e o sentido da corrente na espira deve ser horário. c) 1,5π e o sentido da corrente na espira deve ser horário. d) 1,5π e o sentido da corrente na espira deve ser anti-horário. 5 Duas espiras verticais estacionárias com aproximadamente o mesmo diâmetro d, perpendiculares e isoladas eletricamente entre si, têm seu centro comum na origem de um sistema de coordenadas xyz, na qual também está centrado um imã cilíndrico de comprimento l << d e raio r << l. O imã tem seu polo norte no semieixo x positivo e pode girar livremente em torno do eixo vertical z, sendo mantido no plano xy. Numa das espiras, situada no plano yz, circula uma corrente ( )= ω1I icos t , cujo sentido positivo é o anti-horário visto do semieixo x positivo, e na outra circula uma corrente ( )= ω2I isen t , cujo sentido positivo é o anti-horário visto do semieixo y positivo. a) Desprezando a diferença de diâmetro entre as espiras, obtenha o campo magnético B na origem devido às correntes 1I e 2I , na forma +x yˆ ˆB x B y. b) Explique, por que, partindo do repouso em t = 0, o imã adquire um movimento de rotação em torno de z. Em que sentido (horário ou anti-horário, visto a partir do semieixo z positivo) ocorre este giro? c) Ao se aumentar gradativamente a frequência angular ω das correntes, nota-se que o imã passa a girar cada vez mais rápido. Contudo, com o imã inicialmente em repouso e se são repentinamente aplicadas correntes 2I e 2I de alta frequência angular, nota-se que o imã praticamente não se move. Explique a(s) razão(ões). GABARITO EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 01. D 02. B 03. B 04. E 05. A 06. 2⋅10-4T 07. C 08. D 09. BC=5,6×10 -6T e BP=1×10 -5T 10. C EXERCÍCIOS DE TREINAMENTO 01. A 02. A 03. B 04. A 05. A 06. E 07. A 08. D 09. D 10. A 11. C 12. A 13. D 14. SOMA:25 15. D 16. C 17. SOMA:70 18. a) 0 0 A B 0 A B i i B B 2 h2 r 2 3 3 i B B . 4 h µ µ = = = ⇒ π π µ = = π b) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 A B A B A A A A 0 0 A 0 1 B B B 2B B cos60 B B B 2 B B 3 B 2 3 i 3 i B 3 B B 3 B 4 h 4 h 4 hB i . 3 = + + ° ⇒ = + + ⇒ = ⇒ µ µ = ⇒ = ⇒ = ⇒ π π π = µ 19. C 20. D 21. B 22. C 23. B 24. E 25. D EXERCÍCIOS DE COMBATE 01. C 02. D 03. C 04. A 05. A 06. D 07. D 08. C 09. D 10. E DESAFIO PRO 01. r 2 1 r I I B B B 6a 12a I B 12a µ µ = − = − µ ∴ = 02. a) 1T b) 5,6⋅106 J c) 5⋅10-3 s 03. F F F F 1 x d sen 2,5 x 1,25 cm 2 3 y d cos 2,5 y 1,25 3 cm 2 = − ⋅ θ = − ⋅ ⇒ = − = ⋅ θ = ⋅ ⇒ = 04. D 05. a) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 1 x 0 1 0 2 x y 0 2 y 0 0 0 I B I Id ˆ ˆ ˆ ˆ B B x B y B x y I d d B d icos t i sen t ˆ ˆB x y d d i ˆ ˆB cos t x sen t y . d µ = µ µ ⇒ = + ⇒ = + ⇒ µ = µ ω µ ω = + ⇒ µ = ω + ω b) ( ) ( ) 2 02 2 2 2 2 2 x y 0 i ˆB B B B cos t sen t y d i B . d µ = + ⇒ = ω + ω ⇒ µ = Sendo T o período o período de oscilação das correntes I1 e I2, analisando a expressão do vetor indução magnética obtida no item anterior, obtemos esse vetor para diferentes instantes, como mostrado na figura 3, concluindo que esse vetor gira no plano xy no sentido anti-horário, quando visto a partir o semieixo z positivo. Como o ímã tende a se alinhar com o campo magnético, ele também gira no sentido anti-horário, quando visto na mesma condição, como indicado na figura 4. c) Se as correntes aumentarem gradativamente a frequência angular ω, nota-se que o ímã aumenta gradativamente sua velocidade angular, acompanhando o vetor indução magnética; mas, se são aplicadas repentinamente correntes de alta frequência angular, o vetor varia muito rapidamente, não dando tempo de vencer a inércia do ímã que, estando em repouso, tende apenas a oscilar em torno dessa posição, praticamente não se movendo.
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