Magnetismo Professor: Marcelo Toscano

Magnetismo Relatos históricos: Filósofo grego Tales de Mileto (625-556 a.C.), região da Turquia chamada Magnésia Os pastores Hoje é claro que o magnetismo e a eletricidade são fenômenos diretamente relacionados. Esta relação só foi claramente estabelecida no século dezenove. A História do magnetismo iniciou-se muito cedo com os nossos antepassados pertencentes as civilizações da Ásia Menor e foi nesta região conhecida como Magnésia que foram encontradas algumas rochas que tinham o poder de atrair uma outra.         Os primeiros fenômenos magnéticos observados foram, sem dúvida, aqueles associados aos chamados imãs naturais, fragmentos das rochas (minério de ferro) encontradas perto da cidade de Magnésia. Esses imãs naturais têm a propriedade de atrair ferro desmagnetizado, o efeito sendo mais pronunciado em certas regiões do imã conhecidas como pólos. Os chineses já sabiam, desde 121 D.C., que um barra de ferro, depois de colocada perto de um imã natural, adquiria e retinha essa propriedade do imã e que quando uma dessas barras era suspensa livremente em torno de um eixo vertical, ela se dispunha, aproximadamente, ao longo da direção geográfica Norte-Sul. Este fenômeno levou a utilização dos imãs como instrumentos de navegação, pelo menos, desde o século XI. Isto significa que a Terra tem um campo magnético próprio, como mostra a Fig. 1. Podemos observar que os pólos Norte e Sul geográficos terrestre estão invertidos com relação aos pólos Norte e Sul magnéticos. Durante muitos anos, o estudo dos fenômenos magnéticos esteve restrito aos imãs feitos desse modo. Até 1819, não havia sido mostrada conexão alguma entre os fenômenos elétricos e magnéticos. Naquele ano, o cientista dinamarquês Hans Christian Oersted (177-1851) observou que um imã pivotado (um agulha de bússola) era defletido quando colocado na vizinhança de um fio por onde passava uma corrente elétrica. Doze anos mais tarde, depois de tentativas que se estenderam por vários anos, o físico inglês Michael Faraday (1791-1867) verificou que aparecia uma corrente momentânea em um circuito quando, em um circuito vizinho, se iniciava ou se interrompia uma corrente. Pouco depois, seguiu-se a descoberta de que o movimento de um imã se aproximando ou se afastando de um circuito produziria o mesmo efeito. Joseph Henry (1797-1878), um cientista americano que veio a ser, mais tarde, havia se antecipado de cerca de uma às descobertas de Faraday; como este último foi o primeiro a publicar os seus resultados, os créditos são-lhe, usualmente, atribuídos. O trabalho de Oersted demonstrou, pois, que efeitos magnéticos podiam ser produzidos por cargas elétricas em movimento, enquanto os de Faraday e de Henry mostraram que correntes podiam ser produzidas por imãs em movimento.         Acredita-se, hoje em dia, que os chamados fenômenos magnéticos resultam de forças entre cargas elétricas em movimento. Isto é, cargas em movimento, relativo a um observador, criam tanto um campo magnético quanto um campo elétrico e esse campo magnético exerce força sobre um segunda carga que esteja em movimento em relação ao observador. Como os elétrons nos átomos estão em movimento em torno dos núcleos atômicos e como cada elétron parece estar em rotação contínua em torno de um eixo passando por ele, espera-se que todos os átomos exibam efeitos magnéticos; de fato, verifica-se que este é o caso. A possibilidade de que as propriedades magnéticas da matéria resultassem de minúscula correntes atômicas foi, primeiramente, sugerida por Ampère em 1820.         Vimos em aulas anteriores que duas cargas em repouso interagem entre si produzindo uma força. Esta força de interação é dada pela lei de Coulomb:                                                                           (1) Quando ambas as cargas se movem em nosso sistema de referência com velocidades v, como mostra a Fig.1, observa-se experimentalmente que a força agindo em ambas cargas é reduzida de um fator que depende da velocidade das partículas. Veja a animação na Fig. 2. Fig. 2  - Interação magnética entre cargas elétricas em movimento         A força resultante assume a seguinte forma;                                               (2) onde c é a velocidade da luz. Observe que a força como definida na equação (2) é composta por dois termos, sendo um deles dependente da velocidade. O termo dependente da velocidade é denominada força magnética (Fm). Assim, a força resultante é composta de duas forças: uma eletrostática (Fe) e a outra magnética (Fm). Observe que Fm só existirá enquanto as partículas estiverem em movimento.         Veja na seção "Força de Lorentz" mais algumas propriedades desta força magnética, assim como a sua conexão com a eletricidade.

Magnetita Formula química: Fe3O4

Imãs Tipos de imãs Naturais: Artificiais: Magnetita (óxido de ferro) permanentes temporais eletroímãs

Propriedades dos imãs Todo imã apresenta dois pólos Um pólo Norte e pólo Sul N S S N N S N S

Propriedades dos imãs Pólos iguais se repelem Pólos diferentes se atraem

Propriedades dos imãs Inseparabilidade dos pólos S S S N N N Não é possível separar os pólos magnéticos de um imã Sempre que um imã for dividido, os pedaços serão novos imãs N S N S N S

Propriedades dos imãs A intensidade do campo magnético é maior nas extremidades

Propriedades dos imãs Ponto de Curie Todo imã natural perde o poder magnético ao atingir uma determinada temperatura Ferro: Temperatura de Curie: 770°C Cobalto: Temperatura de Curie: 1075°C Níquel: Temperatura de Curie: 365°C

Campo Magnético Região do espaço em torno de um condutor percorrido por corrente elétrica ou em torno de um ímã. Seu sentido se dá do pólo Norte para o pólo Sul Existem linhas de forças 1a) Duas linhas de força de um campo magnético nunca se cruzam. 2a) As linhas de força do campo magnético produzido por uma única massa magnética seriam retilíneas. E as do campo produzido por mais que uma massa magnética são curvas. Como na natureza não existe uma massa magnética isolada, mas elas existem aos pares, formando os ímãs, concluímos que as linhas de força dos campos magnéticos dos ímãs são curvas. A figura 239 mostra a forma das linhas de força do campo de ímã em forma de barra. 3a) Convencionamos que o sentido da linha de força seja o sentido de deslocamento de uma massa magnética puntiforme norte colocada sobre a linha. Com essa convenção concluímos que as linhas de força “saem” do polo norte e “entram” no polo sul (fig. 239). O ângulo formado entre o pólo norte magnético e o verdadeiro pólo norte geográfico da Terra é chamado de ângulo de variação ou declinação campo magnético da Terra é mais forte aos pólos norte e sul magnéticos. Ele é mais fraco próximo ao equador

Campo Magnético

Campo Magnético

Campo Magnético

Bússola A 1ª grande invenção tecnológica com o imã Acredita-se que foi inventa pelo chineses

A terra, um grande imã Em 1600 Gilbert, considerado o “Pai do Magnetismo”. Foi o primeiro a dizer que a Terra era uma grande magneto William Gilbert (1544-1603): De Magnete S O núcleo da Terra é composto principalmente de ferro e níquel, e ambos podem ser metais magnéticos. O núcleo interno é sólido, e o núcleo externo é líquido. O magnetismo da Terra não parece se originar do metal em si. Teorias científicas atuais atribuem o magnetismo da Terra a correntes de convecção que movimentam o metal líquido no núcleo externo, aproximadamente 3.000 quilômetros sob a superfície da Terra. Estas podem estar criando correntes elétricas ou, de alguma forma, orientando a magnetização local do metal. O campo magnético da Terra é, em sua maior parte, dipolar – o que significa que ele tem um pólo norte magnético e um pólo sul magnético, semelhante a um imã de barra (como de geladeira). O Norte e o Sul magnéticos não são os mesmos que o Norte e o Sul geográficos. Isso é chamado de “Declinação Magnética”. A quantidade de diferença depende de sua localização na Terra, e muda gradualmente com o passar do tempo. Quando usamos uma bússola para ler um mapa, precisamos conhecer e levar em conta a declinação magnética. Você também pode ver mapas e calcular a declinação magnética de qualquer localidade do mundo nas páginas de Geomagnetismo do Centro Nacional Americano de Dados Geofísicos (em inglês). Por exemplo: Para o Rio de Janeiro, em 2005, a declinação magnética é de 18° 52' W, mudando 0° 5' W/ano Para Moscou, em 2005, a declinação magnética é de 9° 36' E, mudando 0° 6' E/ano Além de se mover geograficamente, a força do campo magnético também muda com o passar do tempo. Os geólogos podem obter informações sobre o campo magnético de tempos antigos a partir de rochas, principalmente aquelas sob nossos oceanos. Descobriu-se que o campo magnético, às vezes, sofre uma grande diminuição em sua força, e depois se torna forte novamente. Isso é chamado de “excursão”. Em outras épocas, houve uma reversão magnética, na qual o pólo norte magnético se transformou em pólo sul, e o pólo sul se transformou em pólo norte. Nos últimos 10 milhões de anos, tem havido uma média de 4 a 5 reversões a cada milhão de anos. Em outros momentos da história da Terra, houve períodos muito maiores em que não ocorreu nenhuma reversão. N

A terra, um grande imã

Novas invenções

Materiais Magnéticos Ferromagnéticos(ferro, níquel, cobalto e ligas metálicas (alnico) ) , paramagnéticos (alumínio, cromo, platina, manganês e estanho), diamagnéticos (prata, ouro, mercúrio, chumbo, zinco, cobre) Os ferromagnéticos Como se comportam no seu interior

COBALTO CO Elemento metálico de transição cinza claro. Z = 27, configuração eletrônica: [Ar] 4s2 3d7, MA = 58,933, d = 8,9 g.cm-3, PF = 1495ºC, PE = 2870ºC. O cobalto é ferromagnético abaixo da sua temperatura de Curie 1150ºC. Pequenas quantidades de cobalto metálico estão presentes em meteoritos, mas geralmente é extraído de depósitos minerais localizados principalmente no Canadá, México e Congo (ex Zaire). Está presente nos minerais cobaltita (CoAsS), esmaltita (CoAs3) e eritrita ou flores de cobalto (Co3(AsO4)2.8H2O), e também associado a cobre e níquel nos sulfetos e arsenetos. Os minérios de cobalto são geralmente aquecidos ao ar para formação dos óxidos e então reduzidos com carvão ou vapor de água. O cobalto é importante componente de ligas metálicas. É usado em aços inoxidáveis e em ligas resistentes à oxidação em altas temperaturas, para hélices de turbinas e ferramentas de corte.

Eletromagnetismo Experimento de Oersted

Campo Magnético Em um fio condutor Quando um fio condutor é percorrido por uma corrente elétrica, cria-se um campo magnético em torno do fio.

PILHA 1,5 V PILHA PILHA PILHA 1,5 V

Campo Magnético Sentido das linhas de campo magnético O sentido das linhas de campo magnético é determinado pela regra da mão esquerda.

Exemplos Defina o sentindo dos campos magnético nos condutores abaixo:

Campo em uma espira

Exemplos Defina o sentindo dos campos magnético nos condutores abaixo:

Campo em um Bobina

Bobinas AUMENTANDO O NÚMERO DE ESPIRAS DA BOBINA AUMENTA O CAMPO MAGNÉTICO

Eletroímã

Eletroímã

Exemplos