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principais propriedades eletromagnéticas
Tipologia: Notas de estudo
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Turma 1001 – Sala 1304 Aluno: Teo Pires Marques Matrícula: 200602116859 Rio de Janeiro Março 2 010
“Não importa o que a vida fez de você, importa o que você fez com que a vida fez de você”.
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
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.
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.
Foto: http://noticias.terra.com.br/mundo/interna/0,,OI1152544-EI294,00.html
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.
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]
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.
O campo B pode ser definido de muitas formas equivalentes baseado nos seus efeitos sobre o ambiente. Por exemplo, uma partícula com carga elétrica, q, movendo-se em um campo B com uma velocidade v, experimenta uma força F, chamada de força de Lorentz (veja abaixo). Nas unidades do SI, a equação da força de Lorentz é: onde × é o produto vetorial. O campo B é medido em tesla no SI, e em gauss em unidades cgs. Tecnicamente, B é um pseudovetor (também chamado de vetor axial - esta é uma afirmação sobre como o campo magnético se comporta quando você reflete o mundo em um espelho, conhecido como paridade). Este fato fica aparente da definição acima de B. B é entendido como sendo a quantidade fundamental, enquanto H é um campo derivado. Este é definido como uma modificação de B devido a campos magnéticos produzidos pelo meio material, tal que (em unidades do SI): onde M é a magnetização do material e μ0 é a permeabilidade do vácuo (ou a constante magnética). O campo H é medido em amperes por metro (A/m) em unidades do SI, e em oersteds (Oe) em unidades cgs. Para muitos materiais, entretanto, não há uma relação simples entre B e M. Exemplo, materiais ferromagnéticos e supercondutores possuem magnetização que é uma função de múltiplos valores de B, devido à histerese (²). Linhas de força de um campo magnético de um ímã, demonstradas por limalha de ferro. A alta permeabilidade magnética das limalhas individuais fazem com que o campo magnético seja maior nas pontas delas. Isto faz com que as limalhas individuais atraiam umas às outras, formando grupos alongados que desenham linhas.
Ímãs permanentes são objetos que produzem seus próprios campos magnéticos persistentes. Todos os ímãs permanentes possuem os pólos sul e norte. Eles são feitos de materiais ferromagnéticos como ferro e níquel que foram magnetizados. A força do ímã é representada pelo seu momento magnético(¹) “ m ”, para magnetos simples, m aponta na direção de uma linha desenhada do pólo sul ao pólo norte do magneto. Tipos de ímãs permanentes e as linhas do campo magnético: reto e de "ferradura". Imagem de http://webfis.df.ibilce.unesp.br/cdf/roem/ele/mag/mag.html Ímã de neodímio (imã de Terras raras) Também chamado de ímã de neodímio-ferro-boro é um poderoso imã feito a partir de uma combinação de neodímio, ferro e boro — Nd2Fe14B. Esses imãs são muito poderosos em comparação a sua massa, mas também são mecanicamente frágeis e perdem seu magnetismo em temperaturas acima de 120°C. Para alcançar à mesma força do imã de neodímio usando imãs de cerâmica é necessário um volume 18 vezes maior do material comparado ao de neodímio. Os ímãs de Nd2Fe14B são usados em muitos tipos de motores elétricos e discos rígidos. Um pequeno imã pode possuir propriedades incríveis. Por exemplo, ao se aproximar de um material não magnético condutor de eletricidade, ele exibe uma
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. O campo magnético gerado por uma corrente elétrica contínua I (um fluxo constante de cargas elétricas em que a carga não está se acumulando ou sofrendo depleção em nenhum ponto) é descrita pela Lei de Biot-Savart (descreve com precisão o campo magnético gerado nas mais diversas distribuições de corrente elétrica): Onde a soma integral em todo o laço de um condutor com dl sendo uma parte infinitesimal deste laço, μ0 é a constante magnética, r é a distância entre a posição de dl e a localização em que o campo magnético está sendo calculado, e é um vetor unitário na direção r. Uma forma um pouco mais geral de relacionar a corrente I com o campo B é através da lei de Ampère (lei que relaciona o campo magnético sobre um laço com a corrente elétrica que passa através do laço): Onde a integral é calculada sobre qualquer caminho fechado arbitrário e I é a corrente envolvida pelo caminho. A lei de Ampère é sempre válida para correntes contínuas e pode ser usada para calcular o campo B para certas situações altamente simétricas, como um condutor infinito ou solenóide infinito. O caso do fio retilíneo condutor infinito é de particular interesse, o campo magnético gerado por tal distribuição devia ser onde R é a distância do fio ao ponto que se deseja calcular o campo. De uma forma modificada que leva em conta os campos elétricos variáveis, a lei de Ampère é uma das quatro equações de Maxwell (grupo de quatro equações, assim chamadas em honra de James Clerk Maxwell, que descrevem o comportamento dos campos elétrico e magnético, bem como suas interações com a matéria.) que descrevem a eletricidade e o magnetismo.
A regra da mão direita: apontando o polegar da mão direita na direção da corrente convencional ou movimento da carga positiva e os dedos na direção do campo B, a força sobre a corrente é apontada pela palma da mão. A força é inversa se a carga for negativa. A direção do vetor B é tangente as linhas de campo O grau de magnetização de um material em resposta a um campo magnético. A permeabilidade absoluta é representada pelo símbolo μ. Onde B é a densidade do fluxo magnético (também conhecida como indução magnética) no material e H é à força do campo magnético. Nas unidades SI, a densidade do fluxo magnético é medida em tesla, a força do campo magnético em amperes por metro e a permeabilidade em Henry por metro, ou Newton por ampere ao quadrado. A permeabilidade relativa, por vezes escrita com o símbolo μr e frequentemente apenas com μ, é a razão entre a permeabilidade absoluta e a permeabilidade do espaço livre (vácuo) μ0:
http://www.searadaciencia.ufc.br/folclore/folclore113.htm Dirac Strings and Magnetic Monopoles in Spin Ice Dy2Ti2O D.J.P. Morris, D.A. Tennant, S.A. Grigera, B. Klemke, C. Castelnovo, R. Moessner, C.Czter-nasty, M. Meissner, K.C. Rule, J.-U. Hoffmann, K. Kiefer, S. Gerischer, D. Slobinsky, R.S. Perry Física Conceptual, 2ªed, Paul G. Hewitt Física II, Maiztegui- Sabato Enciclopedia del Estudiante, La materia y la Energía Encarta 99 Enciclopedia Virtual, Microsoft, La Maquina de Hacer Tareas Enciclopedia Larousse, Química, Física, Matemática Wikipédia – Íman, Pólo Magnético, Campo Magnético, Pirocloro, momento magnético, histerese, Ímã de neodímio, Permeabilidade (física). http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/imas/polo_inseparaveis/ http://scienceblogs.com.br/chivononpo/2009/09/enfim_monopolos_magneticos.ph p Visualização das Linhas de Campo Provocadas por um Solenóide Finito - Danilo Tristao Santos, Carlos A. P. Leite – UNICAMP Eletromagnetismo - Física - Brasil Escola
