Propriedades Eletromagnéticas

Propriedades Eletromagnéticas

(Parte 1 de 2)

Campus Praça XI Curso de Engenharia Elétrica

- Principais propriedades eletromagnéticas - Professor Paulo Ferreira

Turma 1001 – Sala 1304

Aluno: Teo Pires Marques Matrícula: 200602116859

Rio de Janeiro Março 2010

1. Considerações Iniciais3
2. Atração Magnética4
3. Orientação Magnética5
4. Atração e Repulsão Magnética6
4.1. Aplicações7
5. Dipolo Magnético8
5.1. Monopolo Magnético9
6. Campo Magnético1
6.1. Campo Magnético de imãs permanentes14
6.2. Campo Magnético gerado por correntes elétricas15
7. Bibliografia20

“Não importa o que a vida fez de você, importa o que você fez com que a vida fez de você”. Jean-Paul Charles Aymard Sartre

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Considerações Iniciais:

Foi o filósofo grego Tales de Mileto (624-546) quem fez, provavelmente, por volta de 600 a.C., a primeira observação sobre um fenômeno elétrico ao atritar um bastão de âmbar (elektron, em grego) com um pedaço de lã, e notar que o mesmo atraía corpos leves em sua proximidade. Foi também de Tales a observação de que certas pedras encontradas na Tessália, uma província ao norte da Grécia antiga (mais tarde conhecida como Magnésia), apresentavam a propriedade de atrair pedaços de ferro. Essas pedras, que passaram a ser conhecidas como magnetita ou ímã natural, são hoje reconhecidas

quimicamente como óxido de ferro (). Observe-se que, segundo o enciclopedista romano Plínio, O Velho (23-79), o nome Magnésia decorreu de uma descoberta feita por um pastor de ovelhas, o grego de nome Magnes. Este, em seu pastoreio pela Tessália, observou que a ponta de ferro de seu cajado era atraída por pedras que se encontravam ao longo do caminho que percorria ao conduzir suas ovelhas.

Em 1269, o erudito francês Petrus Peregrinus de Maricourt (n.c.1240), em carta que escreveu a um amigo, relatando suas experiências com a agulha magnética. Entediado por estar tomando conta de um sítio de uma cidade italiana pelo exército de Luís IX (1214-1270), do qual era engenheiro, Peregrinus começou a realizar experiências com a agulha magnética. Nessas experiências, observou também que os pólos de mesmo sinal se repelem e de sinais contrários se atraem, e, mais ainda, que quando limalhas de ferro eram colocadas em um pedaço de papel sob o qual se encontrava um ímã, tais limalhas se orientavam em direções determinadas e em linhas que se dirigiam de um pólo a outro do ímã. Observe-se que, somente em 1838, as experiências de Peregrinus com limalhas de ferro foram retomadas pelo físico e químico inglês Michael Faraday (1791-1867). Assim, para explicar a figura formada pelas limalhas, Faraday passou a visualizar as forças magnéticas e elétricas como uma espécie de “tubos de borracha” que se estendiam a partir de fios condutores, ou de ímãs, ou de corpos eletrizados, “tubos” esses que receberam dele a denominação de linhas de força.

O magnetismo origina-se na organização atômica dos materiais. Cada molécula de um material é um pequeno imã natural, denominado de imã molecular ou domínio. Quando, durante a formação de um material, as moléculas se orientam em sentidos diversos, os efeitos magnéticos dos imãs moleculares se anulam, resultando em um material sem magnetismo natural.

Se, durante a formação do material, as moléculas assumem uma orientação única ou predominante, os efeitos magnéticos de cada imã molecular se somam, dando origem a um imã com propriedades magnéticas naturais.

Na fabricação de imãs artificiais, as moléculas desordenadas de um material sofrem um processo de orientação a partir de forças externas.

Este trabalho de pesquisa tem como objetivo descrever algumas propriedades magnéticas e suas características predominantes.

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1ª Propriedade: Atração magnética

O magnetismo é produzido por ímãs naturais ou artificiais. Os ímãs têm diferentes pólos denominados norte e sul localizados em suas extremidades, as forças de atração magnética de um imã se manifestam com maior intensidade nessas extremidades e decresce para o centro do imã. Cada um dos pólos apresenta propriedades magnéticas específicas ( no norte acontece a geração das linhas de campo magnetico e no sul há o chamado “sumidouro” das linhas de campo) , na região central do imã, estabelece-se uma linha onde as forças de atração magnética do pólo sul e do pólo norte são iguais e se anulam. Essa linha é denominada de linha neutra, divisória entre os pólos do imã.

Quando você unir um ímã a um pedaço de ferro, o ferro por sua vez adquire a capacidade de atrair outras peças de ferro o que é chamado indução magnética (fenômeno pelo qual um corpo se imanta quando é colocado perto de um ímã já existente) que depende exclusivamente da intensidade de imantação do ímã que produz o campo, e não depende do meio.

Fotos: http://fisicawatchatcha.blogspot.com/2009/09/guindaste-com-eletroima.html UNESA – Eletromagnetismo - Propriedades Magnéticas - Pesquisa por Teo Pires Marques4

2ª Propriedade: Orientação magnética

Os pólos magnéticos são dois pontos da superfície da Terra onde se encontram as suas linhas de forças magnéticas: Pólo norte magnético, Pólo sul magnético.

A Terra age como um enorme imã devido a existência de uma massa de ferro no seu núcleo. Correntes elétricas no núcleo geram a maior parte do campo magnético, embora 10% sejam produzidos por correntes da ionosfera.

Os pólos mudam de posição lentamente, mas permanecem a cerca de 1.600 km dos pólos geográficos que determinam o eixo de rotação da Terra. Ao contrário do que ocorre com os pólos geográficos, os dois polos magnéticos não são exatamente opostos.

A linha imaginária que os une (eixo magnético), não passa pelo centro exato da terra, mas a cerca de 530 km do mesmo.

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Suspendendo-se um ímã em forma de barra, de modo que possa girar livremente em torno de seu centro, observa-se que ele sempre se orienta em uma mesma direção, a direção Norte-Sul da Terra. Esta propriedade dos ímãs é utilizada na construção de bússolas. Os pólos de um ímã recebem o nome de “pólo norte magnético” e “pólo sul magnético”. Pólo norte de um ímã é aquele que aponta para o norte geográfico da Terra quando o ímã pode girar livremente, pólo sul é aquele que aponta para o sul geográfico da Terra. Pólos magnéticos de mesmo nome se repelem e pólos de nomes diferentes se atraem.

Devido a esta propriedade do magnetismo possuímos equipamentos de orientação (bússola) e com a relação entre magnetismo e eletricidade, podemos ter instrumentos como o galvanómetro que pode medir correntes elétricas de baixa intensidade, ou a diferença de potencial elétrico entre dois pontos.

3ª Propriedade: Atração e repulsão magnética

Sabemos que as forças de atração magnética de um imã se manifestam com maior intensidade nas suas extremidades. Por isso, as extremidades dos imãs são denominadas de pólos magnéticos. Se você tentar unir os pólos sul de dois ímãs estes irão se repelir, o mesmo ocorrerá ao se tentar unir os pólos norte, assim como o pólo sul com o pólo norte se atraem.

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Foto: http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/imas/atracao_repulsao/

A atração ou repulsão entre dois pólos magnéticos diminui com o aumento do quadrado da distância entre eles. Com base no experimento de Stern-Gerlach, que estabeleceu a natureza quântica dos dipolos magnéticos associados com átomos e elétrons. Matematicamente, a força em um magneto de momento magnético(¹) m

é:onde o gradiente é a mudança da quantidade m·B por

unidade de distância e a direção é aquela do aumento máximo de m·B. O produto vetorial m·B = |m||B|cos(θ), onde | | representa a magnitude do vetor e θ é o ângulo entre eles. A força entre dois magnetos é bastante complicada e depende da orientação dos magnetos e da distância relativa entre eles. A força é particularmente sensível a rotações dos magnetos devido ao torque magnético.

Na região central do imã, estabelece-se uma linha onde as forças de atração magnética do pólo sul e do pólo norte são iguais e se anulam. Essa linha é denominada de linha neutra é, portanto, a linha divisória entre os pólos do imã.

Aplicações

Essa propriedade aplicada poder ser útil por exemplo para criar uma máquina motriz onde a repulsão magnética, entre um corpo de material supercondutor e um corpo gerador de campo magnético, é utilizada de maneira coordenada, como uma forma de acionamento mecânico.

Outro exemplo é o trem eletromagnético que é impulsionado por uma corrente eletromagnética alternada liberada por um sistema eletrônico. Com o trem flutuando sobre uma série de ímãs com pólos negativos e positivos, a corrente faz com que um pólo seja atraído pelo próximo enquanto sofre uma repulsa do anterior. Assim, o trem se move flutuando sobre os trilhos, chegando a uma velocidade de 450 km/h. Para pará-lo, basta que a corrente eletromagnética seja invertida.

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Foto: http://noticias.terra.com.br/mundo/interna/0,,OI1152544-EI294,0.html

4ª Propriedade: Inseparabilidade Magnética (dipolo magnético)

Os pólos de um ímã são inseparáveis. Se cortarmos um ímã, os pólos norte e sul não ficam isolados. Na parte correspondente ao pólo norte aparece um novo pólo sul; e na parte correspondente ao pólo sul primitivo aparece um novo pólo norte (conforme a figura abaixo). Na natureza não existe um único pólo magnético norte ou sul isolado: eles sempre existem aos pares, formando um ímã. Mas, algumas vezes temos necessidade de estudar a influência de um único pólo magnético, norte ou sul. Nesse caso, supomos um ímã muito comprido, de tal modo que possamos desprezar a influência do pólo norte sobre o pólo sul, e reciprocamente.

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O Monopolo Magnético

O fato de não se poder isolar um pólo ou carga magnética (monopolo magnético), isto é, não se poder dividir um imã magnético de dois pólos em um, norte ou sul sempre foi um desafio para a ciência e para os pesquisadores.

Em 1931, o físico britânico Paul Dirac - defendeu a existência desses chamados monopolos - pólos magnéticos solteiros, independentes dos seus irmãos siameses.

Segundo ele, os monopolos existiriam na extremidade de tubos que conduzem campos magnéticos. Esses tubos passaram a ser conhecidos como cordas de Dirac. Mas isso era apenas teoria, sem que ninguém tivesse conseguido detectar os monopolos.

Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie conseguiram, em cooperação com colegas de Dresden, St. Andrews, La Plata e Oxford, observar pela primeira vez monopolos magnéticos e a maneira pela qual eles emergem em um material real. Eles publicaram o resultado no jornal Science dentro do website Science Express em 3 de setembro de 2009.

Os pesquisadores detectaram os monopolos magnéticos em um único cristal de titanato de disprósio, por meio de um experimento de espalhamento de nêutrons.

O titanato de disprósio cristaliza-se em uma geometria absolutamente incomum, chamada estrutura piroclórica(³). Com o auxílio do espalhamento de nêutrons, os pesquisadores demonstraram que os momentos magnéticos no interior do material se reorganizam para formar o assim chamado "espaguete de spins". Esse nome vem do ordenamento dos próprios dipolos, de tal forma que cria-se uma rede de tubos (ou cordas) retorcidos, através dos quais o fluxo magnético é transportado - a corda de Dirac. Os monopolos magnéticos podem ser visualizados através de sua interação com os nêutrons, eles próprios detentores de um momento magnético(¹). Dessa forma, os nêutrons se espalham de uma forma que revela os momentos das cordas de Dirac.Durante as medições do espalhamento de nêutrons, os pesquisadores aplicaram um campo magnético ao titanato de disprósio. Com este campo, eles conseguiram influenciar a simetria e a orientação das cordas, reduzindo a densidade das redes de cordas e fazendo com que os monopolos se dissociassem. Como resultado, sob temperaturas entre 0,6 e 2 Kelvin, as cordas ficaram visíveis, apresentando os monopolos magnéticos nas suas extremidades.

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Espaguete de spins das cordas de Dirac. [Imagem: HZB / D.J.P. Morris & A. Tennant]

O experimento demonstra que os monopolos magnéticos são estados emergentes da matéria, isto é, eles surgem como uma propriedade resultante do arranjo dos dipolos e são completamente diferentes dos elementos constituintes do material.

Esquema do experimento de espalhamento de nêutrons, que são disparados contra a amostra e, quando um campo magnético é aplicado às cordas de Dirac, alinham-se com os monopolos magnéticos na extremidade dessas cordas. [Imagem: HZB / D.J.P. Morris & A. Tennant]

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5ª Propriedade: Campo Magnético

Em 1819, o físico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851), foi o primeiro cientista a notar a deflexão sofrida pela agulha de uma bússola quando colocada nas proximidades de um fio percorrido por corrente elétrica. Esta observação teve importância fundamental, pois sugeriu imediatamente que deve haver alguma ligação entre eletricidade e magnetismo. Foi observado também que as linhas de campo em torno de um fio longo percorrido por corrente, formam círculos concêntricos que obedecem a conveniente Regra da Mão Direita.

As descobertas de Oersted influenciaram trabalhos de outros grandes cientistas que tiveram importantes contribuições no estudo das relações entre eletricidade e magnetismo. Entre os principais nomes podemos citar: Jean Baptiste Biot, Felix Savart, André-Marie Ampère, Joseph Henry, Michael Faraday, Heinrich Lenz, entre outros. Poucas semanas após a descoberta de Oersted, o brilhante físico francês André-Marie Ampère (1775-1836) mostrou experimentalmente que, quanto aos efeitos magnéticos externos, um ímã permanente pode ser substituído por um solenóide conveniente. (Uma bobina, ou solenóide, é constituída por um fio enrolado várias vezes, tomando uma forma cilíndrica. Cada uma das voltas do fio da bobina é uma espira.)

Solenóide característico, mostrando as linhas de campo e o sentido de B dado pela Regra da Mão Direita.

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Ligando-se as extremidades da bobina a uma bateria, isto é, estabelecendo-se uma corrente em suas espiras, essa corrente cria um campo magnético em torno do solenóide. Se o comprimento do solenóide for da ordem ou maior que cerca de dez vezes o seu diâmetro, o campo magnético produzido em seu centro, quando percorrido por uma corrente, é bastante uniforme. Seu valor, ao longo do eixo central, depende da intensidade da corrente elétrica, do número de espiras e do comprimento do solenóide. Se o solenóide não é longo, então, a densidade de fluxo magnético em um ponto P no eixo no solenóide, pode ser calculada a partir da Lei de Ampère (um fio ao conduzir uma corrente elétrica, gera um campo magnético, de linhas de força perpendiculares a ele.), obtendo-se então:

Onde n e o numero de espiras por unidade de comprimento (N/L), μ0 a permeabilidade magnética do vácuo.

Campos magnéticos cercam materiais e correntes elétricas e são detectados pela força que exercem sobre outros materiais magnéticos e cargas elétricas em movimento. O campo magnético em qualquer lugar possui tanto uma direção quanto uma magnitude (ou força), por tanto é um campo vetorial.

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