CAMPO MAGNÉTICO: INTENSIDADE, CARACTERÍSTICAS, FONTES, EXEMPLOS - FISICA - 2024

O campo magnético é a influência que as cargas elétricas em movimento exercem no espaço que as circunda. As cargas sempre têm um campo elétrico, mas apenas aquelas que estão em movimento podem gerar efeitos magnéticos.

A existência do magnetismo é conhecida há muito tempo. Os antigos gregos descreveram um mineral capaz de atrair pequenos pedaços de ferro: era a magnetita ou magnetita.

Figura 1. Amostra de magnetita. Fonte: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Os sábios Tales de Mileto e Platão estavam ocupados registrando efeitos magnéticos em seus escritos; a propósito, eles também conheciam a eletricidade estática.

Mas o magnetismo não se tornou associado à eletricidade até o século 19, quando Hans Christian Oersted observou que a bússola se desviava nas proximidades de um fio condutor que conduzia a corrente.

Hoje sabemos que eletricidade e magnetismo são, por assim dizer, as duas faces da mesma moeda.

Campo magnético em física

Em física, o termo campo magnético é uma grandeza vetorial, com módulo (seu valor numérico), direção no espaço e sentido. Também tem dois significados. O primeiro é um vetor, por vezes, chamado de indução magnética e é denotada por B.

A unidade de B no Sistema Internacional de Unidades é o tesla, abreviado T. A outra grandeza também chamada de campo magnético é H, também conhecida como intensidade do campo magnético e cuja unidade é ampere / metro.

Ambas as quantidades são proporcionais, mas são definidas dessa forma para levar em conta os efeitos que os materiais magnéticos têm nos campos que passam por eles.

Se um material é colocado no meio de um campo magnético externo, o campo resultante dependerá disso e também da própria resposta magnética do material. É por isso que B e H estão relacionados por:

B = μ _m H

Aqui μ _m é uma constante que depende do material e tem unidades adequadas para que ao multiplicar por H o resultado seja tesla.

C

-O campo magnético é uma magnitude vetorial, portanto possui magnitude, direção e sentido.

-A unidade do campo magnético B no Sistema Internacional é o tesla, abreviado como T, enquanto H é ampere / metro. Outras unidades que aparecem com frequência na literatura são o gauss (G) e o oersted.

-As linhas de campo magnético são sempre loops fechados, saindo de um pólo norte e entrando no pólo sul. O campo é sempre tangente às linhas.

-Os pólos magnéticos são sempre apresentados no par Norte-Sul. Não é possível ter um pólo magnético isolado.

-Tem sempre origem no movimento de cargas elétricas.

-Sua intensidade é proporcional à magnitude da carga ou da corrente que a produz.

-A magnitude do campo magnético diminui com o inverso do quadrado da distância.

-Os campos magnéticos podem ser constantes ou variáveis, tanto no tempo como no espaço.

-Um campo magnético é capaz de exercer uma força magnética em uma carga em movimento ou em um fio que transporta corrente.

Pólos de um ímã

Uma barra magnética sempre tem dois pólos magnéticos: o pólo norte e o pólo sul. É muito fácil verificar que os pólos do mesmo signo se repelem, enquanto os de tipos diferentes se atraem.

Isso é bastante semelhante ao que acontece com as cargas elétricas. Pode-se observar também que quanto mais próximos estão, maior é a força com que se atraem ou se repelem.

Os ímãs em barra têm um padrão distinto de linhas de campo. São curvas acentuadas, saindo do pólo norte e entrando no pólo sul.

Figura 2. Linhas de campo magnético de uma barra magnética. Fonte: Wikimedia Commons.

Um experimento simples para observar essas linhas é espalhar limalha de ferro sobre uma folha de papel e colocar uma barra magnética por baixo.

A intensidade do campo magnético é dada em função da densidade das linhas de campo. Eles são sempre mais densos perto dos pólos e se espalham à medida que nos afastamos do ímã.

O ímã também é conhecido como dipolo magnético, no qual os dois pólos são precisamente os pólos magnéticos norte e sul.

Mas eles nunca podem ser separados. Se você cortar o ímã ao meio, obterá dois ímãs, cada um com seus respectivos pólos norte e sul. Os pólos isolados são chamados de monopólos magnéticos, mas até agora nenhum foi isolado.

Fontes

Pode-se falar de várias fontes de campo magnético. Eles variam de minerais magnéticos, através da própria Terra, que se comporta como um grande ímã, até eletroímãs.

Mas a verdade é que todo campo magnético tem sua origem no movimento de partículas carregadas.

Mais tarde veremos que a fonte primordial de todo magnetismo reside nas minúsculas correntes dentro do átomo, principalmente aquelas que são produzidas devido aos movimentos dos elétrons ao redor do núcleo e aos efeitos quânticos presentes no átomo.

Porém, quanto à sua origem macroscópica, pode-se pensar em fontes naturais e fontes artificiais.

As fontes naturais em princípio não "desligam", são ímanes permanentes, mas deve-se ter em conta que o calor destrói o magnetismo das substâncias.

Quanto às fontes artificiais, o efeito magnético pode ser suprimido e controlado. Portanto, temos:

-Imãs de origem natural, constituídos por minerais magnéticos como magnetita e maghemita, ambos óxidos de ferro, por exemplo.

-Correntes elétricas e eletroímãs.

Minerais magnéticos e eletroímãs

Na natureza, existem vários compostos que exibem propriedades magnéticas notáveis. São capazes de atrair pedaços de ferro e níquel, por exemplo, além de outros ímãs.

Os óxidos de ferro mencionados, como magnetita e maghemita, são exemplos dessa classe de substâncias.

A susceptibilidade magnética é o parâmetro utilizado para quantificar as propriedades magnéticas das rochas. As rochas ígneas básicas são as que apresentam maior susceptibilidade, devido ao seu alto teor de magnetita.

Por outro lado, enquanto você tiver um fio que conduza corrente, haverá um campo magnético associado. Aqui temos outra forma de gerar um campo, que neste caso, assume a forma de círculos concêntricos com o fio.

A direção do movimento do campo é dada pela regra do polegar direito. Quando o polegar da mão direita aponta na direção da corrente, os quatro dedos restantes indicam a direção em que as linhas de campo são dobradas.

Figura 3. Regra do polegar direito para obter a direção e o sentido do campo magnético. Fonte: Wikimedia Commons.

Um eletroímã é um dispositivo que produz magnetismo a partir de correntes elétricas. Tem a vantagem de poder ligar e desligar à vontade. Quando a corrente cessa, o campo magnético desaparece. Além disso, a intensidade do campo também pode ser controlada.

Os eletroímãs fazem parte de vários dispositivos, incluindo alto-falantes, discos rígidos, motores e relés, entre outros.

Força magnética em uma carga móvel

A existência de um campo magnético B pode ser verificada por meio de uma carga elétrica de teste - chamada q - e que se move com velocidade v. Para isso, a presença de campos elétricos e gravitacionais está descartada, pelo menos por enquanto.

Nesse caso, a força experimentada pela carga q, que é denotada como F _B, é inteiramente devido à influência do campo. Qualitativamente, o seguinte é observado:

-A magnitude de F _B é proporcional a qe uma velocidade v.

-Se v for paralelo ao vetor campo magnético, a magnitude de F _B é zero.

-O força magnética é perpendicular a ambos v e B.

-Finalmente, a magnitude da força magnética é proporcional a sen θ, onde θ é o ângulo entre o vetor velocidade e o vetor campo magnético.

Todas as opções acima são válidas para cargas positivas e negativas. A única diferença é que a direção da força magnética é invertida.

Essas observações concordam com o produto vetorial entre dois vetores, de modo que a força magnética experimentada por uma carga pontual q, movendo-se com velocidade v no meio de um campo magnético, é:

F _B = q v x B

Cujo módulo é:

Figura 4. Regra da mão direita para a força magnética em uma carga de ponto positivo. Fonte: Wikimedia Commons.

Como um campo magnético é gerado?

Existem várias maneiras, por exemplo:

- Por magnetizar uma substância apropriada.

- Passagem de corrente elétrica por um fio condutor.

Mas a origem do magnetismo na matéria é explicada lembrando que ele deve estar associado ao movimento das cargas.

Um elétron orbitando o núcleo é essencialmente um minúsculo circuito fechado de corrente, mas capaz de contribuir substancialmente para o magnetismo do átomo. Existem muitos elétrons em um pedaço de material magnético.

Essa contribuição para o magnetismo do átomo é chamada de momento magnético orbital. Mas há mais, porque a translação não é o único movimento do elétron. Ele também tem um momento de spin magnético, um efeito quântico cuja analogia é a de uma rotação do elétron em seu eixo.

Na verdade, o momento magnético de rotação é a principal causa do magnetismo de um átomo.

Tipos

O campo magnético é capaz de assumir várias formas, dependendo da distribuição das correntes que o originam. Por sua vez, pode variar não só no espaço, mas também no tempo, ou em ambos ao mesmo tempo.

-Na vizinhança dos pólos de um eletroímã existe um campo aproximadamente constante.

-Também dentro de um solenóide é obtido um campo uniforme e de alta intensidade, com as linhas de campo direcionadas ao longo do eixo axial.

-O campo magnético da Terra se aproxima muito bem do campo de uma barra magnética, especialmente nas proximidades da superfície. Mais longe, o vento solar modifica as correntes elétricas e as deforma visivelmente.

-Um fio que transporta corrente tem um campo em forma de círculos concêntricos com o fio.

Sobre se o campo pode ou não variar ao longo do tempo, temos:

-Campos magnéticos estáticos, quando nem sua magnitude nem sua direção mudam com o tempo. O campo de uma barra magnética é um bom exemplo desse tipo de campo. Também aqueles que se originam de fios que transportam correntes estacionárias.

-Campos variáveis ​​ao longo do tempo, se alguma de suas características variar ao longo do tempo. Uma forma de obtê-los é por meio de geradores de corrente alternada, que aproveitam o fenômeno da indução magnética. Eles são encontrados em muitos dispositivos comumente usados, por exemplo, telefones celulares.

Lei de Biot-Savart

Quando for necessário calcular a forma do campo magnético produzido por uma distribuição de correntes, pode-se usar a lei de Biot-Savart, descoberta em 1820 pelos físicos franceses Jean Marie Biot (1774-1862) e Felix Savart (1791-1841).)

Para algumas distribuições de correntes com geometrias simples, uma expressão matemática para o vetor do campo magnético pode ser obtida diretamente.

Suponha que temos um segmento de fio de comprimento diferencial dl que transporta uma corrente elétrica I. O fio também será considerado no vácuo. O campo magnético que produz esta distribuição:

-Diminui com o inverso do quadrado da distância ao fio.

-É proporcional à intensidade da corrente I que passa pelo fio.

-Sua direção é tangencial à circunferência de raio r centrada no fio e sua direção é dada pela regra do polegar direito.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B é um diferencial de campo magnético.

- I é a intensidade da corrente que flui pelo fio.

- r é a distância entre o centro do fio e o ponto onde você deseja encontrar o campo.

-r é o vetor que vai do fio ao ponto onde você deseja calcular o campo.

Exemplos

Abaixo estão dois exemplos de campo magnético e suas expressões analíticas.

Campo magnético produzido por um fio retilíneo muito longo

Por meio da lei de Biot-Savart, pode-se obter o campo produzido por um fino fio condutor finito que carrega uma corrente I. Integrando ao longo do condutor e tomando o caso limite em que é muito longo, a magnitude do campo resultado:

Campo criado pela bobina de Helmholtz

A bobina de Helmholtz é composta por duas bobinas circulares idênticas e concêntricas, para as quais é passada a mesma corrente. Eles servem para criar um campo magnético aproximadamente uniforme dentro dele.

Figura 5. Esquema das bobinas de Helmholtz. Fonte: Wikimedia Commons.

Sua magnitude no centro da bobina é:

Y é direcionado ao longo do eixo axial. Os fatores da equação são:

- N representa o número de voltas das bobinas

- I é a magnitude da corrente

- μ _o é a permeabilidade magnética do vácuo

- R é o raio das bobinas.

Referências

1. Figueroa, D. (2005). Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 1. Cinemática. Editado por Douglas Figueroa (USB).
2. Força de campo magnético H. Recuperado de: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Physics: A Look at the World. 6ª edição resumida. Cengage Learning.
4. Campo magnético e forças magnéticas. Recuperado de: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Física para Ciência e Engenharia. Volume 2. 7º. Ed. Cengage Learning.
7. Universidade de Vigo. Exemplos de magnetismo. Recuperado de: quintans.webs.uvigo.es