Já vimos que ao redor de uma partícula P portadora de carga elétrica q existe um campo elétrico E, cujas linhas de campo são radiais em relação a ela.
Mas, se essa partícula estiver em movimento, além do campo elétrico, existe também um campo magnético B, cujas linhas de campo são circunferências concêntricas ao eixo do movimento.
O sentido de circulação das linhas de campo em torno da direção do movimento depende do sinal da carga elétrica.
Uma regra utilizada para se determinar o sentido da circulação das linhas de campo para uma partícula positiva, é apontar o polegar da mão direita no sentido da velocidade, e os demais dedos mostram o sentido de circulação das linhas de campo:
As linhas de campo para uma partícula negativa circulam no sentido oposto ao da regra acima.
O vetor campo magnético em determinado ponto da linha de campo é tangente a mesma, e tem o mesmo sentido.
Campo Magnético de uma Partícula com Carga Elétrica em Movimento
O campo magnético B em certo ponto é tangente à linha de campo, e tem o mesmo sentido.
De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de medida de campo magnético é o tesla (T), em homenagem a um dos grandes estudiosos dos fenômenos magnéticos, Nikola Tesla (1856-1943).
O campo magnético é um vetor, como o campo elétrico ou o campo gravitacional, por isso, apresenta intensidade, direção e sentido.
Exemplos:
Vetores que tenham direção normal ao plano da tela do computador, ou seja, que entrem ou saiam na direção perpendicular à tela, são representados assim:
O módulo do campo magnético B em um ponto P, a uma distância r da partícula com carga q, em movimento com velocidade constante v, é determinado por:
Onde μ corresponde a uma propriedade do meio onde a partícula eletrizada está em movimento chamada permeabilidade magnética. μₒ corresponde à permeabilidade magnética do vácuo (μₒ=4π.10⁻⁷ Tm/A).
O campo magnético B produzido pela partícula eletrizada em movimento é sempre perpendicular ao elétrico E, também produzido por ela. Imagine uma partícula positiva (em movimento) saindo do plano da tela que você está lendo. Os respectivos campos magnético B e elétrico E em certo ponto K, seriam assim:
Campo Magnético Produzido por um Condutor Retilíneo Atravessado por uma Corrente Elétrica
Quando uma corrente elétrica (convencional) i atravessa um condutor, as linhas do campo magnético envolvem todo seu comprimento. Lembre-se, corrente elétrica são partículas portadoras de carga elétrica em um movimento ordenado!
A intensidade do campo magnético B, a uma distância r do condutor é dada por:
Campo Magnético no Centro de uma Espira Atravessada por uma Corrente Elétrica
Se o condutor formar um círculo (espira), as linhas de campo terão o seguinte aspecto:
A intensidade do vetor campo magnético B no centro da espira, que tem um raio R, é dada pela expressão:
Campo Magnético no Centro de uma Bobina Atravessada por uma Corrente Elétrica
Se o condutor der várias voltas, e formar uma bobina (chata):
A intensidade do vetor campo magnético B no centro da bobina, que tem um raio R, é dada de forma semelhante ao da espira:
Onde N é o número de voltas do condutor na bobina.
Campo Magnético no Interior de um Solenóide Atravessado por uma Corrente Elétrica
Se o condutor também der várias voltas, mas formar um solenóide com comprimento ℓ:
No interior do solenóide, o campo magnético B é praticamente uniforme em qualquer ponto, ou seja, tem mesma intensidade e sentido, e seu módulo é dado por:
onde:
μ – permeabilidade magnética do meio
N – número de espiras
L – comprimento do solenoide (m)
i – corrente elétrica (A)
Para se determinar a circulação da corrente elétrica i e o sentido do campo magnético B, dentro do solenóide, usamos também uma regra com a mão direita , descrita abaixo:
As espiras, bobinas e solenóides se comportam como os ímas.
Internamente, a extremidade de onde as linhas de campo magnético saem é chamada de polo sul (S), e extremidade onde chegam de polo norte (N). Externamente, saem do polo norte (N) e chegam ao polo sul (S).
Força Magnética (Fᴍ) sobre uma Partícula com Carga Elétrica em um Campo Magnético
Quando uma partícula com carga elétrica Q e velocidade V entra numa região onde já existe um campo magnético B, (produzido por um íma, um condutor, uma espira, um solenóide) ela passa a ficar sob ação de uma força magnética Fₘ, que muda sua trajetória.
Onde,
é o "produto vetorial" entre os vetores velocidade V e campo magnético B.
O produto vetorial tem como resultado um outro vetor, que tem direção normal ao plano que contém os dois vetores do produto.
O módulo do produto vetorial é definido por:
Sendo assim, o módulo da força magnética Fₘ pode ser determinada pela expressão:
Se V for perpendicular a B, θ=90ᵒ, sen90ᵒ=1, e o módulo de B é determinado por:
O vetor força magnética Fₘ tem direção normal ao plano que contém os vetores V e B. Mas ele pode ter sentido para dentro do plano, ou para fora do plano. Mas como saber?
Usamos a regra da mão direita para carga elétrica Q positiva:
Se Q for negativa, basta inverter o sentido da força magnética obtido pela regra descrita.
Se o campo magnético for uniforme na região onde a partícula está em movimento, a força magnética sobre ela será uma força centrípeta. Ou seja, fará a partícula descrever uma trajetória circular, mudando apenas a direção do vetor velocidade, mas não a sua intensidade. A força magnética sempre apontará para o centro da curva.
Considere uma região onde exista um campo magnético uniforme B, que tem direção normal a esta página, e sentido para fora (saindo desta página), e uma partícula com carga positiva e velocidade V entre nessa região, como mostra a figura a seguir. Então, descreverá um arco de circunferência como representado abaixo:
Força Magnética (Fᴍ) sobre um Condutor Retilíneo em um Campo Magnético Uniforme
Quando um trecho ℓ de condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica i fica submetido a um campo magnético uniforme B, que faz um ângulo θ com o condutor, cada partícula portadora de carga elétrica positiva que atravessa o condutor fica submetida a uma força magnética fₘ dentro do condutor, conforme estudamos anteriormente:
Cada partícula leva um intervalo de tempo Δt para percorrer a distância ℓ dentro do condutor, desse modo, a velocidade delas será:
A força magnética resultante Fₘ sobre o condutor corresponde ao somatório das "n" forças sobre cada partícula que compõem a corrente elétrica i:
Assim:
Como a corrente elétrica i tem a mesma direção e sentido da velocidade V das partículas (positivas), podemos usar a regra da mão direita para verificar a direção da força magnética sobre o condutor:
Os Ímãs
As propriedades magnéticas dos ímãs estão relacionadas à forma com que os elétrons giram nesses materiais. Quando os elétrons giram em torno do núcleo criam um chamado “momento magnético orbital”, quando os elétrons giram em torno de si mesmos (rotação) criam um chamado "momento magnético de spin". Ou seja, a revolução (em torno do núcleo) e rotação em torno do prórpio eixo (spin) dos elétrons produzem campo magnético, como pequeníssimas espiras.
O momento magnético resultante m de um átomo corresponde à soma dos momentos magnéticos orbitais e spins dos seus elétrons. Os átomos se comportam como pequeníssimos ímãs.
Força Magnética (Fᴍ) entre Ímãs
Quando dois ímas estão com polos iguais voltados um para o outro, eles se repelem magneticamente:
"Polos iguais se repelem"
Quando dois ímas estão com polos diferentes voltados um para o outro, eles se atraem magneticamente:
"Polos diferentes se atraem"
Quando um íma é submetido a um campo magnético B externo, a força magnética sobre ele produz um torque que tende a girá-lo, alinhando-o com as linhas daquele campo. O sul do íma aponta para o norte do campo externo, o norte do íma aponta para o sul do campo externo.
É o que acontece, por exemplo, com as agulhas imantadas das bússolas e o campo magnético da Terra. Lembre-se, o norte geográfico da Terra (polo Norte) fica próximo ao sul magnético do planeta, e vice-versa:
Por isso, o norte (magnético) da bússola aponta aproximadamente para o norte geográfico do planeta, que é o sul magnético da Terra.
Inseparabilidade dos Polos Magnéticos de um Ímã
Se você quebrar um imã, e em seguida continuar dividindo os imãs resultantes, você observará que cada pedaço partido continuará sendo um novo imã com dois polos, norte e sul. Não existem polos isolados.
Curiosidade:
Se você partir um ímã assim:
a força entre as partes será de atração.
Mas, se partir assim:
a força entre as partes será de repulsão.
Materiais Ferromagnéticos
Nos metais ferromagnéticos, como o ferro, o níquel e o cobalto, e suas ligas, os átomos têm seus momentos magnéticos alinhados em pequenas regiões, como mostramos abaixo:
A soma dos momentos magnéticos dos átomos por unidade de volume representa a magnetização M do material. Nos materiais ferromagnéticos, o momento magnético total de uma região acaba sendo cancelada por outra, de forma que a magnetização acaba sendo nula, ou quase nula.
Mas, se esses metais são expostos a um campo magnético externo, seus átomos se alinham com o mesmo, passando a ter uma magnetização não nula (M≠0), ou seja, ficam magnetizados:
Mesmo depois que o campo magnético externo desaparecer, essa magnetização permanece por certo tempo, já que as regiões do material vão se desalinhando magneticamente, perdendo os poucos a magnetização.
A magnetita é uma liga encontrada na natureza, formado pelos óxidos de ferro II e III (FeO.Fe₂O₃), que tem muitas regiões permanentemente alinhadas magneticamente, de modo que apresentam constante magnetização (M≠0).
A magnetita é a pedra-ímã natural mais magnética de todos os minerais da Terra, e a existência desta propriedade foi utilizada para a fabricação de bússolas. O nome magnetita vem da região onde a mesma era antigamente encontrada, que era a Magnésia (região da Grécia), e magnésia quer dizer "lugar das pedras mágicas", pois estas pedras se atraem "magicamente", que hoje sabemos ser a atração magnética).
Eletroíma
Quando um material ferromagnético é colocado no interior de um solenóide, os momentos magnéticos dos átomos se alinham com o campo no seu interior, e passa a se comportar como um ímã. Esse dispositivo é chamado de eletroíma.
Clique aqui para ver como fazer um eletroíma.
