1 Magnetismo - Ifsp - 31032012.pdf

01/04/2012

Magnetismo

Introdução • As primeiras observações de fenômenos magnéticos são muito antigas. Acredita-se que estas observações foram realizadas pelos gregos, em uma cidade denominada Magnésia. Eles verificaram que existia um certo tipo de pedra que era capaz de atrair pedaços de ferro.

Introdução • Sabe-se atualmente que essas pedras, denominadas ímãs naturais, são constituídas por um óxido de ferro (Fe3O4)
denominado Magnetita. • O termo “magnetismo” foi, então, usado para designar o estudo das propriedades destes ímãs, em virtude do nome da cidade onde foram descobertos. • Observou-se que um pedaço de ferro, colocado nas proximidades de um ímã natural, adquiria as mesmas propriedades de um ímã (imantação), obtendo assim ímãs não-naturais (ímãs artificiais).

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Imantação Transitória e Permanente • Ímãs permanentes são aqueles que, uma vez imantados, conservam suas características magnéticas. • Ímãs transitórios são aqueles que, quando submetidos a um campo magnético, passam a funcionar como ímãs; assim que cessa a ação do campo, ele volta às características anteriores.

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 ímã. • Um ímã sempre possui dois pólos com comportamentos opostos. O pólo norte e o pólo sul magnéticos.

Fenômenos Magnéticos – A Bússola • A bússola foi a primeira aplicação prática dos fenômenos magnéticos. • É constituída por um pequeno ímã em forma de losango, chamado agulha magnética, que pode movimentar-se livremente.

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Fenômenos Magnéticos – A Bússola • O pólo norte do ímã aponta aproximadamente para o pólo norte geográfico. • O pólo sul do ímã aponta aproximadamente para o pólo sul geográfico.

“O Ímã Terra” • A Terra se comporta como um grande ímã cujo pólo magnético norte é próximo ao pólo sul geográfico e vice-versa. • Os pólos geográficos e magnéticos da Terra não coincidem.

GRADIENTE GEOTÉRMICO: VARIAÇÃO DA TEMPERATURA COM A PROFUNDIDADE: Na crosta 30 a 40°C/Km

Parte do núcleo da Terra é fluido Movimento de fluido metálico gera corrente elétrica que induz campo magnético

Composição do Núcleo Fe + Ni e traços de O e S. NÚCLEO DINÁMO AUTO-SUSTENTÁVEL

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O efeito do Sol sobre o campo geomagnético

Fenômenos Magnéticos • Verifica-se que dois ímãs em forma de barra, quando aproximados um do outro apresentam uma força de interação entre eles.

S

N

N

Repulsão

S

S

N

S

N

Atração

Pólos de mesmo nome se repelem e de nomes diferentes se atraem

Fenômenos Magnéticos Ainda não é completamente conhecida a natureza das forças magnéticas de atração e repulsão, embora conhecida as leis que orientam suas ações e como utilizá-las. Assim como qualquer forma de energia, o magnetismo é originado na estrutura física da matéria, ou seja, no átomo. O elétron gira sobre seu eixo (spin eletrônico) e ao redor do núcleo de um átomo (rotação orbital).

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Campo Magnético Defini-se como campo magnético toda região do espaço em torno de um ímã, onde pode-se verificar a existência de força magnética. Ímã em forma de barra:

Ímã em forma de “U”:

Linhas de indução obtidas com limalha de ferro. Cada partícula da limalha comporta--se como uma pequena agulha magnética.

Linhas de Indução O campo magnético é formado por linhas magnéticas de indução fechadas em si, com uma parte externa e uma parte interna ao Imã. As linhas de indução são orientadas externamente do Norte para o Sul e internamente do Sul para o Norte A agulha magnética serve como elemento de prova da existência do campo magnético num ponto e da orientação das linhas de indução. N N

S

N

N

N

Classificação das Substâncias Magnéticas

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Classificação das Substâncias Magnéticas • Substâncias Ferromagnéticas: são aquelas que apresentam facilidade de imantação quando em presença de um campo magnético. Ex: ferro, cobalto, níquel, disprósio, gadolínio e todas as ligas magnéticas etc. • Substâncias Paramagnéticas: são aquelas que a imantação é difícil quando em presença de um campo magnético. Ex: madeira, couro, óleo, etc. • Substâncias Diamagnéticas: são aquelas que se imantam em sentido contrário ao vetor campo magnético a que são submetidas. Corpos formados por essas substâncias são repelidos pelo ímã que criou o campo magnético. Ex: cobre, prata, chumbo, bismuto, ouro, etc.

Propriedades Magnéticas • Quanto à temperatura: limite a partir do qual o efeito magnético desaparece, chamado de Ponto de Curie

Substância

Ponto de Número Curie (°C) Atômico

Magnetita

580

-

Ferro

770

26

Cobalto

1131

27

Níquel

358

28

Gadolínio

16

64

Disprósio

-168

66

Fonte: www.feirade ciencias.com.br e www.mspc.eng.br/quim1/quim1.shtml

Propriedades Magnéticas • Quanto às linhas de Indução: – Permeabilidade Magnética (µ): indica a facilidade com que as linhas de indução magnética atravessam os materiais. Sua unidade é [T.m/A] ou [H/m] ou [Wb/A.m]; – Permeabilidade Magnética Relativa (µr): valor adimensional que indica quanto que a permeabilidade magnética de um material é maior, comparativamente, que a permeabilidade do vácuo:

µ= µr* µo – Permeabilidade Magnética do Vácuo (µo): considerada igual a 4 π 10-7 T.m/A; – Saturação: máxima quantidade de linhas de indução que um material pode permitir.

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Propriedades Magnéticas µ (H/m)

Material

µR

28 000.π.10-7

Ferro

ferromagnética

170

ferromagnética

1 000

ferromagnética

680.π.10-7

Cobalto

4 000.π.10-7

Níquel

Classificação Magnética

7 000

Aluminio

4,000084.π.10-7 1,000021

paramagnética

Oxigenio

4,000008.π.10-7 1,000002

paramagnética

Ar

4,000000.π.10-7 1,000000

paramagnética

Água

3,999964.π.10-7 0,999991

diamagnética

Cobre

3,999980.π.10-7 0,999995

diamagnética

Bismuto

3,999332.π.10-7 0,999833

diamagnética

Fonte: http://minerva.ufpel.edu.br/~egcneves/Textos/mte/caderno_mte/circ_magn.pdf

Propriedades Magnéticas • Quanto aos Pólos: – Inseparabilidade dos Pólos: dividindo um ímã em duas partes iguais, que por sua vez podem ser re-divididas em outras tantas, cada uma dessas partes constitui um novo ímã que, embora menor, tem sempre dois pólos. Esse processo de divisão pode continuar até que se obtenham átomos, que tem a propriedade de um ímã. N

S

N

S

N N

S

S N

S

N N

S

N

N

S

N

S

N

S S S

N

N S

S N

S

N

S

Domínios Magnéticos Em materiais magnéticos, como o ferro e o aço, os campos magnéticos dos elétron se alinham formando regiões da ordem de 10-2 a 10-3 cm que apresentam magnetismo espontâneo (grupos de até 1012 elétrons). Essas regiões são chamadas de domínios. Os domínios são entidades isoladas, isto é, cada domínio é independente dos domínios vizinhos.

Imãs naturais já teriam os domínios naturalmente linhados, de forma a produzir os efeitos magnéticos sem a necessidade de campo externo;

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Domínios Magnéticos Uma barra de ferro é magnetizada quando submetida a um campo magnético externo, resultando no alinhamento de seus ímãs elementares.

Domínios Magnéticos Quando um ímã é submetido a choque mecânico ou aquecimento, pode perder sua imantação: é que a energia fornecida ao material nesses casos pode ser suficiente para desarranjar a orientação dos domínios; Para se magnetizar uma agulha devese "esfregá-la" com o pólo de um ímã passado sempre no mesmo sentido: o ímã produz o papel de campo externo necessário e a movimentação constante promove um alinhamento dos domínios sempre no mesmo sentido

Força Magnética As experiências com imãs mostram que a força mutua entre duas regiões polares têm as seguintes características:

Direção: reta auxiliar que une dois polos

Sentido:

atração
aproximação entre os polos

F

F

repulsão
afastamento entre os polos

F

F

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Força Magnética Intensidade: relacionada com a distância entre os polos e as suas massas magnéticas, dada pela seguinte equação:

F

F d

F
força magnética [N] µ
permeabilidade magnética [Wb/A.m] m1, m2
massas magnéticas [Wb]

F = F

d
distância entre os polos [m]

Exercícios 1. Três polos Nortes são colocados alinhados em um mesmo eixo, conforme a figura. Sabendo-se que o meio é o ar, determinar a força resultante que atua no polo número 2.

F21 F31

F13

F32 F12 30 cm

m1=4 Wb

20 cm m2=6 Wb

F23

m3=5 Wb

F32 =F23 F21 =F12 F31 =F13

Exercícios 2. Um polo Norte e dois polos Sul estão dispostos conforme a figura, formando um triângulo retângulo isósceles de catetos iguais a 16 cm. Sabendo-se que o meio é o vácuo, determinar a força resultante que atua no polo Norte.

F32

m2=4 Wb

F32 =F23

F12

F21 =F12

16 cm

F31 =F13

F21

m1=8 Wb

m3=4 Wb

F31 16 cm F13

F23

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Exercícios 3. Na figura abaixo temos 4 polos Norte nos vértices de um quadrado de lado igual a 10 cm. Um quinto polo Norte é colocado no centro do quadrado. Sabendo-se que o conjunto está no vácuo, determinar a força resultante que atua no centro do quadrado.

m1

m1=10 Wb

m2

m2=20 Wb

F35

F45

m3=15 Wb F25 m3

m5

F15

m4=20 Wb m4

m5=15 Wb

Vetor Campo Magnético • A cada ponto P do campo magnético, associaremos um vetor B , denominado vetor indução magnética ou vetor campo magnético. • No Sistema Internacional de Unidades, a unidade de intensidade do vetor B denomina-se tesla (símbolo T). • Uma agulha magnética, colocada em um ponto dessa região, orienta-se na direção do vetor B . • O pólo norte da agulha aponta no sentido do vetor B .

B1 S

S

N

N

S N

S N

B2

B3

Linhas de Campo Magnético • Em um campo magnético, chama-se linha de campo magnético toda linha que, em cada ponto, é tangente ao vetor B e orientada no seu sentido. • As linhas de campo magnético ou linhas de indução são obtidas experimentalmente. As linhas de indução são uma simples representação gráfica da variação do vetor

B.

B2 2

Linha de indução

B1 1

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Linhas de Indução – Campo Magnético Uniforme • Ímã em ferradura ou em U: N

P1

B

P2

B

P3

B

S

Campo magnético uniforme é aquele no qual, em todos os pontos, o vetor B tem a mesma direção, o mesmo sentido e a mesma intensidade.

EXPRESSÃO EM EXPRESSÃO EM SÍMBOLO UNIDADES SI DE OUTRAS BASE UNIDADES

GRANDEZA

SISTEMA

NOME

fluxo de indução magnética

SI

weber

Wb

m2 . kg . s-2 . A-1

CGS

maxwell

Mx

1Mx=10-8Wb

SI

tesla

T

kg . s-2 . A-1

CGS

gauss

G

1G=10-4T

permeabilidade

SI

henry por metro

H/m

m . kg . s-2 . A-2

campo magnético

SI

ampère por metro

A/m

força

SI

newton

N

indução magnética

V.s

Wb/m2

N/A2 ; T.m/A

m-1 . kg . s-2

Exercícios • 1. (UFSC) Assinale a(s) alternativa(s) correta(s). a) Pólos magnéticos de mesmo nome se atraem, enquanto pólos de nomes contrários se repelem. E b) Num campo magnético uniforme, as linhas de indução magnética são retas paralelas igualmente espaçadas e igualmente orientadas. C c) As linhas de indução magnética “saem” do pólo norte e “chegam” ao pólo sul. C d) As linhas de indução magnética, do campo magnético produzido por uma corrente i, que percorre um condutor reto, são ramos de parábolas situadas em planos paralelos ao condutor. E e) No interior de um solenóide, o campo de indução magnética pode ser considerado como uniforme e têm a direção do seu eixo geométrico. C

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Exercícios • 2. (UFPI) O ímã em forma de barra da figura foi partido em dois pedaços.

N S

A figura que melhor representa a magnetização dos pedaços resultantes é:

a)

b)

c)

d)

e)

N

N S

N N

N S

S S

N S

S

Exercícios 1. Quais foram os primeiros fenômenos magnéticos observados? 2. Cite algumas aplicações atuais dos materiais magnéticos? 3. Caracterize imãs permanentes? 4. O que são domínios? 5. O que quer dizer magnetizar um material? 6. O que é saturação magnética? 7. Diferencie os materiais paramagnéticos?

ferromagnéticos,

diamagnéticos

e

8. O que é permeabilidade magnética? 9. Diferencie os materiais ferromagnéticos, diamagnéticos e paramagnéticos, através da propriedade permeabilidade magnética?

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