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Unidade IV – Magnetismo

Existem várias histórias sobre como surgiu o magnetismo, porém o real início é desconhecido. Os gregos já sabiam desde a antigüidade, que certas pedras da região da Magnésia, na Ásia menor, atraíam pedaços de ferros. A rocha encontrada era na realidade um tipo de minério de ferro, chamado magnetita

(Fe3O4). As rochas que contém o minério que apresenta este poder de atração são chamadas de imãs naturais.

Os imãs naturais foram pouco usados no começo de sua descoberta, até que se descobriu que um imã montado com liberdade de movimento giraria de tal maneira que um de seus extremos apontasse sempre para o norte. Os pedaços de magnetita suspensos por um fio, foram chamados de pedras guias, e foram usados pelos chineses há mais de 2000 anos como bússolas primitivas para viagens nos desertos. Bússolas primitivas, feitos de imãs naturais, foram também aproveitadas pelos marinheiros nos primeiros descobrimentos marítimos.

Em 1263, Pierre de Mare Court descobriu ao colocar sobre um imã esférico natural (magnetita), em várias posições, e marcar as direções do equilíbrio da agulha, que as linhas que envolviam o imã eram da mesma forma que os meridianos que envolviam a Terra, e passavam por dois pontos situados sobre as extremidades de um diâmetro das esferas. Esses dois pontos foram denominados os pólos dos imãs.

Muitos observadores verificaram que, não importando a forma do imã, sempre haveria dois pólos, o pólo norte e o pólo sul, onde a força do imã seria mais intensa. Em 1600, William Gilbert descobriu a razão de a agulha de uma bússola orientar-se em direções definidas: a Terra é um imã permanente. E o fato de pólo norte da agulha ser atraído pelo pólo norte geográfico da Terra, quer dizer que este pólo é, na realidade, pólo sul magnético. Isso se verifica ao saber que pólos de mesmo nome de dois imãs repelem-se e de nomes opostos se atraem.

A atração e repulsão dos pólos magnéticos foram estudadas quantitativamente por John Michele, em 1750. Usando uma balança de torção, Michele mostrou que a atração e a repulsão dos pólos de dois imãs tinham igual intensidade e variavam inversamente com o quadrado da distância entre os pólos. Estes resultados foram confirmados logo após por Coulomb. Coulomb admitiu que o magnetismo está contido em cada molécula do imã, por isso, os pólos sempre são aos pares. Mesmo dividindo-se um imã em pedaços muito pequenos, sempre irão haver dois pólos.

Embora as forças elétricas e magnéticas estejam relacionadas, são de natureza complemente diferentes. As forças eletrostáticas e as forças magnéticas não interagem na ausência de movimento. Porém, se um dos campos de força estiver em movimento, surge um fenômeno que prova a interação entre as forças. Como o elétron é a menor partícula da matéria, foi desenvolvida uma teoria que estabelece a relação entre eletricidade e o magnetismo, trata-se da teoria eletrônica do magnetismo.

O elétron possui uma carga negativa, carga esta que produz um campo eletrostático, representado por linhas perpendiculares, vindas de todas as direções. O elétron possui movimentos orbitais e rotacionais (SPINS) que dão origem a um campo magnético, este campo é formado por linhas circulares concêntricas em torno do elétron. A combinação dos dois campos é chamado de campo eletromagnético.

4.3. Ímãs

São substâncias que possuem a maior parte ou todos os seus domínios magnéticos orientados em um único sentido, e tem ao seu redor um campo magnético, onde exercem ações magnéticas, como por exemplo a magnetita, que é um ímã natural.

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Todo ímã possui duas regiões denominadas pólos (são os extremos de cada ímã onde este exerce de forma mais intensa ações magnéticas), o Pólo Norte e o Pólo Sul. Estes nomes foram dados em conseqüência de quando um ímã é suspenso, “sem atrito algum”, ele se orienta de acordo com os pólos geográficos da Terra.

A existência do campo magnético é facilmente percebida com o auxílio de uma bússola, colocada em vários pontos ao redor de um imã em forma de barra. O campo magnético é representado por linhas traçadas tangentes ao redor do campo magnético.

4.3.1. Campo Magnético de um Ímã

O campo magnético é a região do espaço em torno de um material magnético onde se observam seus efeitos magnéticos; isto é, a sua atração e repulsão com outros corpos. O campo magnético é invisível.

Para a facilidade do estudo adotou-se o conceito de linhas de indução ou linhas de força magnéticas. Tais linhas são coincidentes com as linhas formadas pela orientação da limalha de ferro quando espargidas sobre um pedaço de vidro que se encontra sobre um ímã em forma de barra.

Conforme a distribuição do campo magnético no espaço, obtêm-se um espectro característico com o formato de cada ímã. De qualquer forma convencionou-se que o sentido das linhas de indução é tal que elas saem do pólo norte e entram no pólo sul fora do ímã, e saem do pólo sul e entram no pólo norte dentro do ímã.

Quebrando-se um ímã em forma de barra, em duas partes, não obteremos dois

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UFSM – Colégio Técnico Industrial Eletrotécnica 2005 ímãs, um com somente um pólo sul e o outro somente com o pólo norte mas sim dois ímãs menores com ambos os pólos. Se continuarmos dividindo o mesmo ímã, obteremos sempre o mesmo resultado. Isto se deve ao fato de que as propriedades magnéticas são intrínsecas às moléculas que constituem o material.

4.3.3. Interação Magnética entre Dois Ímãs

Através da limalha de ferro pode-se observar o comportamento das linhas de campo quando interagimos pólos de mesmo nome e pólos de nomes contrários.

Naturais: O único ímã natural é a magnetita. Sua utilidade é, no entanto, apenas histórica, pois é rara, fraca e de difícil industrialização. A magnetita não passa de dióxido de ferro (Fe3O4).

Artificiais: É todo e qualquer objeto que tenha adquirido propriedades magnéticas através de processos de imantação que serão vistos posteriormente. Porém, nos interessa em nosso estudo os que são imantados pelo uso de corrente elétrica, sendo que estes podem ser classificados em artificiais permanentes e artificiais temporários. Os Artificiais Permanentes tem a característica de conservarem o seu próprio campo magnético, mesmo depois de cessado o campo indutor ou a corrente elétrica, tal como o aço. Os Artificiais Temporários tem a característica de não conservarem o campo magnético após cessado o campo indutor ou a corrente elétrica, tal como o ferro.

4.4. Materiais Magnéticos e Não- Magnéticos

Materiais magnéticos são aqueles que permitem a orientação de seus ímãs elementares, tais como ferro, aço e níquel.

Já os materiais não magnéticos são aqueles onde os efeitos magnéticos de seus ímãs elementares anulam-se completamente, não reagindo a um campo magnético externo, tais como plásticos, madeiras e borracha.

4.5. Processos de Magnetização

Como um material pode magnetizar-se alinhando suas moléculas, a melhor maneira de fazê-lo é aplicando-lhe uma força magnética. Tal força deverá agir contra o campo magnético de cada molécula, orientando-as.

Isso pode ser feito principalmente por duas maneiras:

Atrito: quando um ímã é atritado sobre a superfície de um pedaço de ferro não magnetizado, o campo magnético do ímã orienta as moléculas do ferro e magnetiza-o.

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Por Indução: a magnetização ocorre através da aproximação entre o indutor e o induzido. As moléculas do induzido, imersas no campo magnético do indutor, orientam seus domínios magnéticos.

Corrente Elétrica: quando uma bobina é ligada a uma bateria, a corrente elétrica produz um campo magnético, que magnetiza o ferro. A magnetização do ferro se produz pela ação do campo magnético, que se origina da corrente elétrica, ao circular pelas espiras. As linhas de força orientam os domínios magnéticos do ferro numa só direção imantando o núcleo.

4.6. Classificação dos Materiais Magnéticos

Materiais Ferromagnéticos: São aqueles que na presença de um campo magnético são atraídas fortemente pelos dois pólos dos imãs. São compostos de determinadas substâncias que se magnetizam intensamente. Ex.: ferro, cobalto, níquel, aço doce.

Materiais Paramagnéticos: São aqueles que, na presença de um campo magnético, são atraídas fracamente pelos dois pólos dos imãs. Ex.: ar, paládio, alumínio.

Materiais Diamagnéticos: São aqueles que, na presença de um campo magnético, são repelidos pelos dois pólos dos imãs. São substâncias que se magnetizam em sentido contrário. Ex.: bismuto.

4.7. Processos de Desmagnetização

Um imã pode ser desmagnetizado utilizando-se alguma forma de alterar sua estrutura magnética, ou seja, desorientando seus domínios magnéticos. Isto pode ser feito através de: - choque mecânico;

- aquecimento;

- aplicação de um campo magnético alternado.

A partir da necessidade de atribuir um valor quantitativo de magnetismo, Coulomb realizou uma experiência onde dois ímãs compridos e finos foram dispostos a uma certa distância, conforme a figura abaixo:

A força exercida entre os dois ímãs depende do meio em que se verifica o fenômeno e varia em razão inversa ao quadrado da distância que as separa.

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Onde: F ⇒ força magnética {Newton (N) }; h ⇒ constante magnética do meio; m ⇒ massa magnética {Weber (Wb)}; r ⇒ distância entre os corpos {metros (m)}.

“A força de atração entre dois ímãs é diretamente proporcional ao produto das massas magnéticas dos corpos e inversamente proporcional ao quadrado das distâncias entre eles e depende ainda do meio em que se encontra o fenômeno.”

4.9. Fluxo Magnético (φ [Wb])

É definido como o número total de linhas de campo magnético que atravessam determinada seção. Sua unidade no SI é o Weber (Wb). Um Weber é igual a 1.108 linhas de campo magnético.

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