Relatório Física 3: Magnetismo

Relatório Física 3: Magnetismo

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Laboratório de Física I MAGNETISMO

Professor Emir Baude

Acadêmicos

Luís Felipe Benedito

Vagner Martinello

Igor Gustavo Hoelscher Cristiano Dal Posso

Ministério da Educação

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Campus Pato Branco Curso de Engenharia de Computação

1. INTRODUÇÃO

Nesse relatório vamos discutir a formação de campos magnéticos nos imãs e condutores e a manifestação de forças nesses campos.

Magnetismo é o fenômeno físico que consiste nas forças de atração e repulsão exercidas por certos metais, como o ferro-doce, o cobalto e o níquel, devido à presença de cargas elétricas em movimento. Dá-se também esse nome à disciplina da física que estuda a origem e as manifestações de tais fenômenos magnéticos.

O campo magnético é um campo vetorial, pois possui direção e magnitude. Esse fenômeno é detectado em ímãs e condutores, que acabam provocando uma força externa em outros materiais magnéticos e cargas elétricas em movimento.

2. DESENVOLVIMENTO TEÓRICO

Tradicionalmente, estudam-se dois tipos de fontes de fenômenos magnéticos: os ímãs e as cargas livres nos condutores, que transmitem uma corrente elétrica.

Determinadas pedras (magnetita) tem a propriedade de atraírem pedaços de ferro ou interagirem entre si. Estas foram chamadas de imãs, e os fenômenos, que de modo espontâneo se manifestavam na natureza, foram denominados fenômenos magnéticos. Verificou-se que os pedaços de ferro eram atraídos com maior intensidade por certas partes do ímã, as quais foram denominadas pólos do imã.

Se tomarmos um imã em forma de barra e distribuirmos limalha de ferro sobre ele, notaremos que a limalha se acumulará nas extremidades da barra, isto é, ela é atraída com maior intensidade para estas extremidades. (LUZ, 2009)

Quando um imã é suspenso de forma que ele possa girar livremente uma de suas extremidades apontará para o norte geográfico, que é o sul magnético do imã e a outra apontara para o sul geográfico, que é o norte magnético. Tratando-se de um imã pode-se concluir que os pólos de mesmo nome se repelem e nomes diferentes se atraem. Outro fenômeno importante é o da inseparabilidade dos pólos de um imã, isso significa que se cortamos um imã em duas partes, cada uma destas constitui um novo imã, que embora menor, continua apresentando dois pólos (norte e sul).

A magnitude fundamental do campo magnético é a indução de campo, representada habitualmente pelo símbolo B e dotada de caráter vetorial, já que depende tanto de seu valor numérico como da direção e sentido de máxima variação do campo. A detecção de um campo magnético em um meio é feita pela influência que exerce sobre uma bússola ou carga elétrica em movimento. Assim, pode-se definir a indução de campo magnético como a força que este exerce perpendicularmente sobre uma carga unitária de velocidade, também igual a um.

A expressão matemática desta relação, chamada de Lorentz, é F = qv x

B onde a unidade fundamental no sistema internacional é o tesla (T).

A física considera a existência de três tipos de material, segundo seu comportamento em presença de campos magnéticos: 1- substâncias ferromagnéticas, como o ferro, o cobalto, o níquel, o gadolínio, o disprósio e as ligas, minerais e derivados desses elementos, que ficam permanentemente imantadas ainda que se retire o agente do campo; 2- substâncias paramagnéticas, que apresentam uma imantação temporária e tênue, que desaparece ao eliminar-se o campo; 3- substâncias diamagnéticas, que são repelidas pelos ímãs de forma indiscriminada.

Pode-se representar qualquer campo magnético, através linhas de campo magnético, também conhecidas como linhas de indução magnética, essas linhas são fechadas, saem do pólo norte em direção ao pólo sul e nunca se cruzam. Nos pólos a concentração das linhas é maior e quanto maior a concentração de linhas, mais intenso será o campo magnético numa dada região.

A força que atua sobre uma partícula que se move é sempre perpendicular ao campo magnético e, portanto, é ortogonal alinha de campo magnético que passa pelo ponto onde a partícula esta. A direção da força depende da velocidade da partícula e do sinal da carga, de modo que apenas observar a direção de uma linha de campo magnético não é o suficiente para da determinação da direção da força que atua sobre uma partícula carregada arbitraria que se move. As linhas de campo magnético possuem a mesma direção da agulha magnética de uma bussola colocada em cada ponto do campo.

Para determinar se um determinado material é magnético ou não, basta colocá-lo sobre a influência de um campo magnético, que é gerado pelo movimento de cargas elétricas. O material será magnético se aparecer forças ou torques. (RAMALHO, 1984)

Em 1820, Oersted descobriu que os fenômenos magnéticos não são fenômenos isolados, eles têm relação íntima com os fenômenos elétricos.

Oersted montou um circuito elétrico, tendo nas proximidades uma agulha magnética. Não havendo corrente no circuito, a agulha magnética se orientava na direção norte-sul. Ao estabelecer corrente no circuito, observou que a agulha magnética se desviava, tendendo a se orientar em uma direção perpendicular ao fio. Interrompendo-se a corrente, a agulha retornava à sua posição inicial, ao longo da direção norte-sul.

Pode-se observar que a corrente elétrica podia atuar como se fosse um imã, provocando desvios em uma agulha magnética verificando então a relação entre eletricidade e magnetismo. (LUZ, 2009)

Temos então o conceito de que quando uma corrente elétrica atravessa um fio condutor, cria em torno dele um campo magnético. As linhas de indução do campo magnético gerado por um condutor retilíneo de comprimento infinito são circunferências dispostas em planos perpendiculares ao condutor, com centros neste, cujos sentidos são dados pela regra da mão direita envolvente.

Se o condutor receber a forma de uma espira o campo magnético é concentrado dentro da espira e enfraquecido do lado de fora, quando há colocação de mais espiras forma um solenóide e torna o efeito mais acentuado. Estes dispositivos, também são chamados de eletroímãs ou eletromagnetos e podem gerar campos magnéticos fortes e bem controlados.

Um eletromagneto infinitamente longo possui um campo magnético uniforme internamente e nenhum campo magnético do lado de fora. Um eletromagneto de tamanho finito produz um campo magnético que essencialmente é o mesmo de um magneto permanente da mesma forma e tamanho com uma intensidade (e polaridade) que é controlada pela corrente fornecida.

As linhas de campo magnético são circulares nas proximidades das expiras. Perto do eixo do solenóide as linhas de campo se combinam para produzir um campo magnético paralelo eixo. As linhas de campo com pequeno espaçamento indicam que o campo magnético nessa região é intenso. Do lado de fora do solenóide as linhas de campo são mais espaçadas e o campo é muito mais fraco. (HALLIDAY,2009)

Para relacionar a corrente (i) com o campo magnético (B) usa-se a lei de

Ampére. A Lei de Ampére afirma que o sentido do campo magnético é determinado pelo sentido da corrente. Dessa forma, invertendo o sentido da corrente, invertemos também o sentido do campo. Essa relação é representada pela regra da mão direita.

Com o intuito de determinar o sentido da corrente induzida em uma espira usa-se a Lei de Lenz, a qual descreve que o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que lhe deu origem. Havendo diminuição do fluxo magnético, a corrente criada gerará um campo magnético de mesmo sentido do fluxo magnético da fonte. Havendo aumento, a corrente criada gerará um campo magnético oposto ao sentido do fluxo magnético da fonte.

Quando o fluxo magnético é aumentado, a corrente induzida terá sentido anti-horário e quando o fluxo magnético for diminuído a corrente induzida terá sentido horário. Com a variação do fluxo magnético gera uma corrente elétrica, intensa ou não, depende-se do campo que se forma na espira circular.

3. DESENVOLVIMENTO PRÁTICO

3.1. Material utilizado Kit contendo imãs, limalha de ferro, lâmina de acrílico.

Bobina e fonte;

Um pêndulo com condutor;

Um imã em forma de U;

Fonte de alimentação e cabos de ligação;

Um pêndulo magnético, com hastes diferentes;

Conjunto de canos presos a suportes e imãs circulares;

3.2. Descrição dos Experimentos PARTE A – CAMPO MAGNÉTICO

Nesta etapa, fomos instruídos à analisar as propriedades do magnetismo. Utilizando dois imãs, aproximamos, primeiramente, seus pólos iguais e, em seguida, os pólos diferentes.

Em seguida, usamos o imã de barra para observar as linhas de campo quando o aproximamos da limalha de ferro, que estava disposta sobre um anteparo translucido. O mesmo foi feito com o imã em forma de U.

A mesma experiência ainda foi repetida usando dois imãs de barra, aproximando primeiramente os pólos iguais e, depois, os pólos diferentes.

Usando a bússola, verificamos inicialmente a direção para a qual ela aponta e depois disso, a fim de notar mudança de direção, aproximamos dela um imã.

O passo seguinte seria observar as linhas de campo formadas em uma bobina ligada. No entanto, a atividade não estava funcionando e fomos orientados à não realizar essa experiência. PARTE B – FORÇA MAGNÉTICA

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