Campo Magnético

Fonte bibliográfica:

ANJOS, Ivan Gonçalves dos. Coleção Horizontes - Física. São Paulo, Editora IBEP.

Campo magnético de uma corrente elétrica

Inicialmente, a eletricidade e o magnetismo foram estudados de forma separada, pois filósofos gregos pensavam que esses dois ramos da física não tinham relação. Porém, após os experimentos de Christian Oersted foi possível verificar que eletricidade e magnetismo tinham sim uma relação. 

Em seus experimentos, Oersted pôde comprovar que um fio percorrido por uma corrente elétrica gerava a sua volta um campo magnético. Essa comprovação veio através da movimentação da agulha de uma bússola. 

Oersted colocou uma bussola próximo a um condutor percorrido por uma corrente elétrica e verificou que ela se orientava em um sentido diferente do sentido que assumia quando cessava a corrente elétrica no fio.  

Após diversos estudos, verificou-se que a corrente elétrica produz um campo magnético proporcional à intensidade da corrente, isto é, quanto mais intensa for a corrente elétrica que percorre o fio, maior será o campo magnético produzido a sua volta.  

Podemos determinar o sentido do campo magnético em torno do fio condutor através de uma simples regra conhecida como regra da mão direita. Nesta regra usamos o polegar para indicar o sentido da corrente elétrica e os demais dedos indicam o sentido do campo magnético.

A intensidade do campo magnético gerado ao redor do fio condutor retilíneo é dada pela seguinte equação:

Onde μ é a grandeza física que caracteriza o meio no qual o fio condutor está imerso. Essa grandeza é chamada de permeabilidade magnética do meio. A unidade de μ, no SI, é T.m/A (tesla x metro/ampere). Para o vácuo, a permeabilidade magnética (μo) vale, por definição:  

μo = 4π.10⁻⁷T.m/A

Exemplo:

Suponha que temos um fio percorrido por uma corrente de intensidade igual a 5 A. Determine o campo magnético de um ponto situado a 2 cm do fio.  

Calculamos o campo através da equação acima, portanto, temos que as grandezas envolvidas no exemplo são: i = 5 A, R = 2 cm = 2 x 10⁻² m. Calculemos.

Observação:

O ferro (Fe) é um elemento  que possui magnetismo natural  em razão da configuração de seus elétrons. Por isso, a maior  parte dos objetos que têm ferro em sua  constituição possui algum grau de magnetismo; por exemplo, uma lata de alimento  em conserva (lata de azeite ou de molho de tomate).

Corpos eletrizados e magnetizados podem gerar atração e repulsão. Nos dois casos, essa  interação ocorre a distância.

O campo magnético  da Terra continua existindo, porém, sua ação na bússola  é superada pela ação do campo magnético associado à corrente que percorre o condutor.

As linhas de campo geradas pelo fio são circulares e o campo magnético em cada ponto é tangente à curva.

Fonte bibliográfica:

Caderno do professor – Física, Ensino Médio, 3ª Série, Volume 1. São Paulo: Nova Edição, 2014 – 2017.  

http://brasilescola.uol.com.br/fisica/campo-magnetico-gerado-por-um-fio-condutor.htm

http://fisica-mentee.blogspot.com.br/2014/09/exercicios-resolvidos-sobre-campo.html?view=classic

Exercícios:

01.(Fund. Carlos Chagas-SP) Uma espira circular é percorrida por uma corrente elétrica contínua, de intensidade constante. Quais são as características do vetor campo magnético no centro da espira? Ele:  

a) é constante e perpendicular ao plano da espira 

b) é constante e paralelo ao plano da espira 

c) é nulo no centro da espira 

d) é variável e perpendicular ao plano da espira 

e) é variável e paralelo ao plano da espira

02.(FCM Santa Casa-SP) O campo magnético, produzido no centro de uma espira circular de raio R por uma corrente elétrica de intensidade I, é diretamente proporcional a:  

a) I.R 

b) I/R 

c) R/I 

d) 1/(R.I)

03.(OSEC-SP) Uma espira circular de 4 cm de diâmetro é percorrida por uma corrente de 8,0 ampères (veja figura). Seja mo = 4 π x 10⁻⁷ T.m/A. O vetor campo magnético no centro da espira é perpendicular ao plano da figura e orientado pra:  

a) fora e de intensidade 8,0 π x 10⁻⁵ T 

b) dentro e de intensidade 8,0 π x 10⁻⁵ T 

c) fora e de intensidade 4,0 π x 10⁻⁵ T 

d) dentro e de intensidade 4,0 π x 10⁻⁵ T

04.(FUVEST-SP) Uma espira condutora circular, de raio R, é percorrida por uma corrente de intensidade i, no sentido horário. Uma outra espira circular de raio R/2 é concêntrica com a precedente e situada no mesmo plano que ela. Qual deve ser o sentido e qual o valor da intensidade de uma corrente que, percorrendo essa segunda espira, anula o campo magnético resultante no centro O? Justifique.

05. (FEI-SP) Uma espira circular de raio R = 20 cm é percorrida por uma corrente elétrica de intensidade i = 40 A. Qual a intensidade do vetor-indução-magnética criada por essa corrente elétrica no centro O da espira? Dado: mo = 4p x 10⁻⁷ T.m/A.

06. (UnB) Considere um solenóide infinito de raio r, no qual circula uma corrente elétrica i. Quanto ao vetor campo magnético no interior do solenóide, podemos dizer que: 

a) seu módulo não depende de R 

b) sua direção é paralela ao eixo do solenóide 

c) seu sentido se inverte, se invertemos a direção da corrente no solenóide 

d) seu módulo também duplicará, se a intensidade da corrente elétrica for duplicada 

e) é um campo uniforme

07. (OSEC-SP) Um solenóide compreende 5000 espiras por metro. A intensidade do vetor-indução-magnética originada na região central pela passagem de uma corrente elétrica de 0,2 A é de: 

a)4 x 10⁻⁴ T. 

b) 8 x 10⁻⁴ T. 

c) 4 x 10⁻³ T. 

d) 2 x 10⁻⁴ T. 

e) nda

08. Um solenóide compreende 10.000 espiras por metro. Sendo 0 = 4 . 10⁻⁷ T m/A, calcule a intensidade do vetor indução magnética originado na região central pela passagem da corrente i = 0,4 A.

09. Uma corrente elétrica constante "i" está percorrendo um fio condutor comprido e retilíneo, no sentido indicado na figura.

No ponto P localizado no plano da figura, o vetor indução magnética:  

a) Tem mesmo sentido e direção da corrente 

b) é perpendicular ao plano da figura e aponta para o leitor 

c) é perpendicular ao plano da figura e entra na página 

d) pertence à reta que passa por P e é perpendicular ao fio, e aponta para a esquerda do leitor 

e) pertence à reta que passa por P e é perpendicular ao fio, e aponta para a direita do leitor.

10. (PUC-SP) Na experiência de Oersted, o fio de um circuito passa sobre a agulha de uma bússola. Com a chave C aberta, a agulha alinha-se como mostra a figura a.  Fechando-se a chave C, a agulha da bússola assume nova posição (figura b).

A partir desse experimento, Oersted concluiu que a corrente elétrica estabelecida no circuito:  

a) gerou um campo elétrico numa direção perpendicular à da corrente. 

b) gerou um campo magnético numa direção perpendicular à da corrente. 

c) gerou um campo elétrico numa direção paralela à da corrente. 

d) gerou um campo magnético numa direção paralela à da corrente. 

e) não interfere na nova posição assumida pela agulha da bússola que foi causada pela energia térmica produzida pela lâmpada.

Conhecendo as linhas de campo magnético de um ímã

O campo magnético da Terra é equivalente a um grande ímã, sendo possível, com o auxílio da bússola, determinar seus polos magnéticos. Os polos magnéticos da Terra não coincidem com os polos geográficos.

Não se pode encostar cartões de banco, disquetes, pen drives, fitas cassetes e outros objetos que armazenam informações em ímãs, pois há risco de perder as informações.

Em razão da baixa intensidade do campo magnético terrestre, é possível armazenar informações sem correr o risco de perdê-las. O campo magnético, tanto do ímã quanto da Terra, é tridimensional.

Os polos magnéticos ainda não foram encontrados separadamente, ou seja, a busca do “monopolo” magnético tem sido frustrada até o momento. Mesmo em escala microscópica, um polo magnético não existe isoladamente.

Se você quebrar um ímã ao meio, o que acontecerá ao tentar uni-lo novamente?  As novas extremidades (provenientes da quebra) se tornarão polos opostos, que se atraem.

Biomagnetismo

A Terra dispõe de um campo magnético que geralmente não pode ser detectado por seres humanos desprovidos de uma bússola. No entanto, algumas espécies de animais têm capacidade de detectar esse campo e podem utilizá-lo em suas migrações. 

Os morcegos e as tartarugas marinhas utilizam informações magnéticas para encontrar seu caminho. 

Algumas espécies de bactérias podem até depender apenas do campo magnético como orientação.

Pequenas partículas de um mineral magnético chamado magnetita foram localizadas no cérebro de certas espécies. Essas partículas podem reagir ao campo magnético e ativar nervos de maneira a enviar informações direcionais ao cérebro do animal.

Origem do magnetismo nos materiais

Muitos dispositivos que utilizamos no nosso cotidiano funcionam a partir do magnetismo. Alguns exemplos são os motores elétricos, geradores, transformadores, cartões magnéticos, rádio, entre vários outros.

O magnetismo dos materiais tem origem na combinação entre o momento angular orbital e o momento angular de spin dos átomos, que dão origem aos dipolos magnéticos microscópicos, fazendo com que cada átomo se comporte como um pequeno ímã.

1. Materiais diamagnéticos

Quando um material diamagnético é colocado na presença de um campo magnético externo, estabelece-se em seu interior outro campo magnético em sentido oposto ao qual ele foi submetido e que desaparece quando o campo externo é removido.  Esse tipo de material é repelido pelo campo magnético.

Esses materiais são caracterizados por não serem atraídos pelos ímãs.  Alguns exemplos são a água, madeira, plástico e alguns metais, como o mercúrio, o ouro e a prata.

2. Materiais Paramagnéticos

São aqueles que têm seus momentos angulares alinhados ao serem colocados nas proximidades de um campo magnético. Esse alinhamento ocorre paralelamente ao campo magnético externo e faz com que o material se comporte da mesma forma que o ímã normal. Sendo assim, eles são atraídos pelos ímãs e passam a ter as mesmas características que eles. 

Entretanto, quando o campo externo é retirado, o material perde suas propriedades magnéticas e volta “a comportar-se normalmente”.  Exemplos: alumínio, sódio, magnésio e cálcio.

3. Materiais Ferromagnéticos

São os materiais que possuem memória magnética, isto é, quando são submetidos a um campo magnético externo, eles têm seus momentos angulares alinhados e passam a comportar-se da mesma forma que o ímã. 

Além disso, essas características permanecem mesmo após o ímã ser removido. Alguns exemplos são o ferro, níquel, cobalto e algumas ligas.

Fonte bibliográfica:

Fonte: Caderno do professor – Física, Ensino Médio, 3ª Série, Volume 1. São Paulo: Nova Edição, 2014 – 2017.  

http://ciencia.hsw.uol.com.br/migracao-animal4.htm 

http://alunosonline.uol.com.br/fisica/classificacao-dos-materiais-magneticos.html
http://www.fisicapaidegua.com/teoria/exercicios_mag/introducao.htm
http://fisicaevestibular.com.br/novo/eletricidade/eletromagnetismo/exercicios-imas-e-campo-magnetico/

Exercícios

01. (UFB) Uma bússola tem sua agulha magnética orientada com um polo (M) indicando Roraima e o outro (N) indicando o Paraná. A seguir, aproxima-se a agulha magnética dessa bússola bem perto da extremidade de um imã cujos polos são (P) e (Q), até que o equilíbrio estável seja atingido.
a) Quais são os polos magnéticos M e N da agulha magnética da bússola?  
b) Quais são os polos P e Q do imã?

02. (UFB) Pares de imãs em forma de barra são dispostos conforme indicam as figuras a seguir:

A letra N indica o polo Norte e o S o polo Sul de cada uma das barras. Entre os imãs de cada um dos pares anteriores (a), (b) e (c) ocorrerão, respectivamente, forças de:  
a) atração, repulsão, repulsão; 
b) atração, atração, repulsão; 
c) atração, repulsão, atração; 
d) repulsão, repulsão, atração; 
e) repulsão, atração, atração.

03. (PUC-PR) Pendura-se um alfinete pela ponta em uma tesoura. Em seguida, pendura-se um outro alfinete em contato somente com o anterior. Pode-se dizer que:  
a) o segundo alfinete é atraído pela tesoura 
b) só o primeiro alfinete foi induzido a funcionar como ímã 
c) o segundo alfinete é suspenso devido ao seu pouco peso  
d) os dois alfinetes funcionam como ímãs 
e) nada dito acima explica o fato

04. (Cesgranrio-RJ) Aproxima-se uma barra imantada de uma pequena bilha de aço, observa-se que a bilha:    

a) é atraída pelo pólo norte e repelida pelo pólo sul 
b) é atraída pelo pólo sul e repelida pelo pólo norte 
c) é atraída por qualquer dos pólos 
d) é repelida por qualquer dos pólos 
e) é repelida pela parte mediana da barra

05. (UFPA) A Terra é considerada um imã gigantesco, que tem as seguintes características:    
a) O polo Norte geográfico está exatamente sobre o polo sul magnético, e o Sul geográfico está na mesma posição que o norte magnético.  
b) O polo Norte geográfico está exatamente sobre o polo norte magnético, e o Sul geográfico está na mesma posição que o sul magnético.  
c) O polo norte magnético está próximo do polo Sul geográfico, e o polo sul magnético está próximo do polo Norte geográfico.  
d) O polo norte magnético está próximo do polo Norte geográfico, e o polo sul magnético está próximo do polo Sul geográfico.  
e) O polo Norte geográfico está defasado de um ângulo de 45º do polo sul magnético, e o polo Sul geográfico está defasado de 45º do polo norte magnético.

Campos e sua natureza

 Campo elétrico

É o campo de força provocado por cargas elétricas ou sistemas de cargas elétricas. Estão sujeitas a uma força elétrica. 

O campo elétrico age de acordo com a sua carga elétrica, de forma que se um corpo estiver com carga elétrica positiva e outro com carga elétrica negativa eles se atraem, e se ambos corpos estiverem com cargas elétricas positivas ou negativas, eles se repelem.

Um exemplo típico é a interação do cabelo de uma pessoa com a tela de uma televisão convencional, pois as cargas elétricas da televisão interagem com os cabelos deixando-os eriçados.

Campo magnético

É o campo produzido por um ímã ou por cargas elétricas em movimento. Quando aproximamos dois ímãs eles se repelem ou se atraem, esse acontecimento ocorre graças ao campo magnético. 

Um ímã atrai outro quando os pólos deles são opostos, e se repelem quando os pólos são iguais.

Algo interessante sobre o campo magnético é a indução magnética onde quando encostamos um ímã em um metal não magnetizado, o metal magnetizado adquire características do ímã.

Campo gravitacional

É o campo de ação gravitacional de um corpo maciço, ou seja, que tenha massa, sem especificar o corpo que é atraído.

Todos os corpos ou matérias são constituídos por átomos, e estes são formados por partículas menores denominadas elétrons, prótons e nêutrons. 

Prótons e elétrons possuem carga elétrica de mesma intensidade (valor), mas de sinais contrários, em que o próton é a carga positiva e o elétron, a carga negativa.

No átomo em seu estado natural não existe uma predominância de carga elétrica, por que o número de prótons é igual ao número de elétrons, o que o torna neutro. No entanto, quando ele perde ou ganha elétrons dizemos que está eletrizado.

1. Eletrização por atrito

Quando dois corpos inicialmente neutros são atritados, se eletrizam e, em virtude do atrito ocasionado, um corpo ficará com carga positiva e o outro com carga negativa.

2. Eletrização por contato

Quando dois corpos (um eletrizado e outro inicialmente neutro) entram em contato, o corpo neutro fica com a mesma carga do eletrizado.

3. Eletrização por indução

É quando a eletrização de um corpo inicialmente neutro (induzido) acontece por simples aproximação de um corpo carregado (indutor), sem que haja contato entre os corpos.  

O induzido deve estar ligado a Terra ou a um corpo maior que possa lhe fornecer elétrons ou que dele os receba num fluxo provocado pela presença do indutor.

Condutores e isolantes elétricos

Condutores são partículas elétricas que se movimentam com facilidade. 

Quando esse movimento acontece com muita dificuldade, ou não acontece, dizemos que este corpo é um isolante elétrico.

O equilíbrio eletrostático acontece quando o corpo eletrizado chega a uma estabilidade, ou seja, quando não é possível ter um movimento ordenado das cargas elétricas.

Essa definição foi criada a partir de um experimento conhecido como esfera de Coulomb: coloca-se dentro de uma esfera oca um corpo qualquer e nota-se, através disso, que as cargas elétricas ficam na superfície da esfera, em busca de estabilidade, enquanto o corpo de prova não se eletriza quando toca na parte interna da esfera.

Tal experimento é conhecido como blindagem eletrostática, pois é capaz de proteger os corpos ou o corpo que está no seu interior das influências das cargas elétricas externas.

Lei de Coulomb

A Lei de Coulomb foi proposta pelo físico Charles Augustin Coulomb, no ano de 1725, e faz uma relação entre a intensidade da força eletrostática entre dois corpos carregados eletricamente.

Essa lei enuncia que a intensidade da força eletrostática entre duas cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto dos módulos das cargas elétricas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. 

Podemos escrever:

F → é a força elétrica entre as cargas 

k → é a constante eletrostática no vácuo (ko = 9 x 109 N.m2/C2) 

Q → carga elétrica 

d → distância 

Unidades no SI: 

Cargas Q1 e Q2 – coulomb (C) 

Distância d – metro (m) 

Força elétrica F – newton (N) 

Constante eletrostática k – N.m2/C2

Exercícios

01. Calcule a intensidade da força elétrica de repulsão entre duas cargas puntiformes 3.10ˉ⁵ e 5.10ˉ⁶ que se encontram no vácuo, separadas por uma distância de 15 cm.

02. (UEL-PR) Duas cargas iguais de 2.10-6C, se repelem no vácuo com uma força de 0,1N. Sabendo-se que a constante elétrica do vácuo é 9,0.109 N.m2/C2, a distância entre as cargas, em metros, é de:

a) 0,9                          

b) 0,6                          

c) 0,5                            

d) 0,3                              

e) 0,1

03. (UNIFESP-SP) Duas partículas de cargas elétricas Q = 4,0x10-16 C e q‚ = 6,0×10-16 C estão separadas no vácuo por uma distância de 3,0x10-9m. Sendo k = 9,0x109 N.m2/C2, a intensidade da força de interação entre elas, em newtons, é de :

a) 1,2x10-5                     

b) 1,8x10-4                 

c) 2,0x10-4               

d) 2,4x10-4                      

e) 3,0x10-3

04. (UEL-PR) Duas cargas iguais de 2x10-6C, se repelem no vácuo com uma força de 0,1N. Sabendo-se que a constante elétrica do vácuo é 9,0x109 N.m2/C2, a distância entre as cargas, em metros, é de:

a) 0,9                         

b) 0,6                         

c) 0,5                           

d) 0,3                             

e) 0,1

05. Duas cargas puntiformes encontram-se no vácuo a uma distância de 10cm uma da outra. As cargas valem Q1 = 3,0x10-8C e Q2 = 3,0x10-9C. Determine a intensidade da força de interação entre elas.

06. (Cesgranrio - RJ) A bússola representada na figura abaixo repousa sobre sua mesa de trabalho. O retângulo tracejado representa a posição em que você vai colocar um ímã, com os polos respectivos nas posições indicadas. Em presença do ímã, a agulha da bússola permanecerá como em: 

07. Os antigos navegantes usavam a bússola para orientação em alto mar, devido à sua propriedade de se alinhar de acordo com as linhas do campo geomagnético. Analisando a figura onde estão representadas estas linhas, podemos afirmar que:

a) o pólo sul do ponteiro da bússola aponta para o Pólo Norte geográfico, porque o norte geográfico corresponde ao sul magnético. 

b) o pólo norte do ponteiro da bússola aponta para o Pólo Sul geográfico, porque o sul geográfico corresponde ao sul magnético.

c) o pólo sul do ponteiro da bússola aponta para o Pólo Sul geográfico, porque o sul geográfico corresponde ao sul magnético.

d) o pólo norte do ponteiro da bússola aponta para o Pólo Sul geográfico, porque o norte geográfico corresponde ao norte magnético. 

e) o pólo sul do ponteiro da bússola aponta para o Pólo Sul geográfico, porque o norte geográfico corresponde ao sul magnético.

08. (UFU-MG) O átomo é a menor partícula que identifica um elemento químico. Ele possui duas partes, a saber: uma delas é o núcleo, constituído por prótons e nêutrons, e a outra é a região externa – a eletrosfera-, por onde circulam os elétrons. Alguns experimentos permitiram a descoberta das características das partículas constituintes do átomo. 
Em relação a essas características, indique a alternativa correta.

a) prótons e elétrons possuem massas iguais e cargas elétricas de sinais opostos. 

b) entre as partículas atômicas, os elétrons têm maior massa e ocupam maior volume no átomo. 

c) entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm maior massa e ocupam maior volume no átomo. 

d) entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm mais massa, mas ocupam um volume muito pequeno em relação ao volume total do átomo.

09. Marque a alternativa que melhor representa os processos pelos quais um corpo qualquer pode ser eletrizado. Eletrização por:

a) atrito, contato e aterramento 

b) indução, aterramento e eletroscópio 

c) atrito, contato e indução 

d) contato, aquecimento e indução 

e) aquecimento, aterramento e carregamento

10. (FEI-SP) Atrita-se um bastão de vidro com um pano de lã, inicialmente nêutrons. Pode-se afirmar:

a) só a lã fica eletrizada.

b) só o bastão fica eletrizado.

c) o bastão e a lã se eletrizam com cargas de mesmo sinal.

d) o bastão e a lã se eletrizam com cargas de mesmo valor absoluto e sinais opostos.

e) nenhuma das anteriores.

Fonte bibliográfica:

Caderno do professor – Física, Ensino Médio, 3ª Série, Volume 1. São Paulo: Nova Edição, 2014 – 2017. 

http://oblogdefisicadowill.blogspot.com.br/2009/06/campos-eletricos-magneticos-e.html http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/processos-eletrizacao.htm http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/condutores-isolantes-eletricos.htm http://carlamcoelho.blogspot.com.br/2012/03/questoes-resolvidas-lei-de-coulomb.html http://www.estudantedigital.org/2012/07/exercicios-resolvidos-de-fisica_15.html

http://brasilescola.uol.com.br/fisica/lei-coulomb.htm http://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-lei-coulomb.htm#questao-1 http://tudodeconcursosevestibulares.blogspot.com.br/2014/12/questoes-resolvidas-de-vestibulares.html http://exercicios.brasilescola.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-os-processos-eletrizacao.htm