MAGNETISMO - ELETROMAGNETISMO

Transcrição

1 MAGNETISMO - ELETROMAGNETISMO MAGNETISMO Estuda os corpos que apresentam a propriedade de atrair o ferro. Estes corpos são denominados imãs ou magnetos. Quando suspendemos um imã deixando que ele gire livremente, verificamos que ele orienta-se paralelamente ao meridiano geográfico do local. A parte do imã que se volta para o norte geográfico da Terra denomina-se região polar norte, e a parte voltada para o sul geográfico da Terra, é a região polar sul. Para efeito matemático, supõe-se que as ações de cada região polar do ímã sejam oriundas de um único ponto, que é denominado respectivamente pólo norte e pólo sul do imã. Por convenção o pólo norte é positivo e o pólo sul é negativo. Os pólos do imã são inseparáveis. Quando repartimos um ímã, cada uma das partes se transforma num imã completo, com os dois pólos. LEI DAS AÇÕES MAGNÉTICAS Pólos de mesmo nome se repelem, e de nomes contrários se atraem. CAMPO DE INDUÇÃO MAGNÉTICA Em volta de todo pólo existe uma região dentro da qual nota-se a presença magnética do pólo. Esta região é denominada de campo de indução magnética do pólo ou simplesmente campo de indução do pólo. A presença magnética do pólo em cada ponto desta região é dada por um vetor, o vetor campo de indução =, que tem: Direção: reta que une o pólo ao ponto Sentido: o pólo norte origina vetores virados para fora. O pólo sul, voltados para dentro, ou seja, para o pólo sul. A unidade do vetor é o Tesla = T S (-) N(+) LINHAS DE INDUÇÃO MAGNÉTICA São linhas imaginárias que representam graficamente a região do campo magnético. São tangentes ao vetor campo de indução, e tem o sentido do campo, saindo do pólo norte e entrando no pólo sul. O vetor indução tem direção da reta tangente à linha de indução, e o sentido desta. Pode-se ter uma visualização destas linhas, colocando-se por cima de um ímã, uma folha de papel, na qual depositamos limalha de ferro. A maneira com que a limalha se distribui pela folha, dá uma idéia da configuração das linhas de indução criadas pelo ímã. OBSERVAÇÕES FINAIS a) Só imã age sobre imã. Imã não atrai ou repele matéria ou carga elétrica. Imã só atrai ou repele outro imã. Quando ele atrai um pedaço de ferro, é que o ferro colocado nas proximidades, por um processo de indução se transforma também num imã. b) A Terra é um grande ímã. Uma bússola (agulha magnética que pode girar livremente) tem seu norte voltado para o pólo norte geográfico da Terra, e o seu sul voltado para o pólo sul geográfico da Terra. Como o pólo norte é atraído pelo pólo sul, concluímos que o pólo Norte geográfico da Terra é, é na verdade, o seu pólo magnético Sul, e o pólo Sul geográfico da Terra, é o seu pólo magnético Norte. A localização dos pólos magnéticos não coincide com os dos pólos geográficos, conforme mostra a figura.

2 ELETROMAGNETISMO 1 O FENÔMENO: Ação de uma corrente sobre o imã. Oersted observou que quando passa corrente elétrica num condutor, os imãs nas proximidades se movimentam. Como só age sobre imã outro imã, concluiu que a corrente elétrica funciona como sendo um imã. Portanto, cria a sua volta uma região dentro da qual nota-se a sua presença magnética. É a região do campo de indução magnética da corrente. Em cada ponto desta região existe um vetor campo de indução, que tem as seguintes características: Direção: perpendicular ao plano que contém o fio (a corrente i), e o ponto considerado. Sentido: Regra da mão direita Mão direita espalmada. Polegar formando 90 0 com a palma. Colocar o polegar na direção e sentido da corrente. Fechar os dedos em volta do fio. Eles vão apontando a direção e sentido do vetor, criado pela corrente, em cada ponto. Convenção do desenho Qualquer grandeza que saia do plano do papel no sentido da vista do leitor, como por exemplo, corrente elétrica, força, vetor campo, etc, é representada pelo símbolo ou simplesmente por um ponto: = µ i / 2πd Quando a grandeza considerada entrar no plano do papel será representada por ou simplesmente um X Intensidade: Para um fio reto, percorrido pela corrente elétrica de intensidade i, é dado por: µ = permeabilidade magnética, que indica como o meio interfere na ação magnética, em T/A. A.m ; i = valor da corrente elétrica, em ampéres;d = distância do ponto ao fio, na perpendicular, em metros Para a espira, que Β = µ.i/ 2.R é um condutor com formato circular ou retangular, o vetor indução magnética, no seu centro tem: Direção: Perpendicular ao plano da espira. Sentido: dado pela regra da mão direita. Intensidade: R= raio da espira S N A espira é um imã, apresentando uma face sendo o pólo Norte e a outra o pólo sul. Para determinar qual a face que é o pólo sul usar a regra da mão direita. Colocando o polegar no sentido da corrente e fechando a mão em volta da espira, os dedos entramna face Sul LINHAS DE INDUÇÃO CRIADAS PELA CORRENTE ELÉTRICA São linhas imaginárias que descrevem graficamente o campo de indução magnética criada pela corrente que percorre um condutor. Formam círculos concêntricos com o fio, tendo o sentido do campo. A regra da mão direita descreve as linhas de indução, ao se fechar a mão em volta do fio. O vetor tem direção tangente à linha de indução, e o sentido da linha. ORIENTAÇÃO DE IMÃS PRÓXIMOS A UMA CORRENTE ELÉTRICA

3 Quando um imã está próximo a uma corrente elétrica, fica sob ação do campo de indução magnética criado pela corrente. O imã se movimenta de maneira à s se colocar na direção do vetor criado pela corrente, e com o seu norte apontando para onde estiver apontando o vetor indução criado pela corrente elétrica, no ponto onde ele estiver colocado. 2º FENÔMENO: Ação de um imã sobre carga elétrica em movimento dentro de um campo de indução magnética. Se a corrente age sobre um imã, pelo princípio da ação e reação o imã age sobre acorrente, exercendo sobre a mesma uma força magnética. Considerando que a corrente é o movimento de cargas elétricas então o imã exerce uma força magnética sobre as cargas elétricas que se movem dentro seu campo magnético. De forma geral, toda carga elétrica que se movimenta dentro de um campo magnético, seja ele criado por F um imã ou por uma corrente, fica sob ação da força magnética F, que tem: Sentido: REGRA DA MÃO ESQUERDA F =.lql.v.senα Os dedos polegar, indicador e médio da mão esquerda, formam um triedro. O primeiro dedo a ser colocado na figura é o polegar na direção e sentido do vetor. Girar o pulso em volta do polegar até que o indicador fique na direção e sentido da velocidade V. O dedo médio dá a direção e sentido da força magnética F. Se a carga elétrica for negativa, inverter o sentido da força. Direção ireção: perpendicular ao plano definido pelo vetor e o vetor velocidade V da carga. Intensidade: é dada pela equação de Lorentz: = valor do vetor campo de indução, dentro do qual a carga se movimenta. Em tesla(t) q = módulo do valor da carga elétrica que se movimenta. Em Coulomb (C). V = valor da velocidade da carga. Em m/s. α = valor do ângulo formado entre o vetor velocidade V e o vetor campo de indução. R TRAJETÓRIA DAS CARGAS ELÉTRICAS NO CAMPO DE INDUÇÃO A trajetória de uma carga elétrica que se movimenta dentro de um campo de indução depende do ângulo α entre o vetor e a velocidade V desta carga. Se: α= = 0 o ou 180 o será um movimento retilíneo uniforme, pois a força magnética é nula (sen0 =0) ângulo α = 0 0 ou ângulo α 0 0,90 0,180 0,270 0 ângulo α = 90 0 ou Se α = 90 0 ou 270 o será um movimento circular uniforme, cujo raio é calculado: A força magnética responde por mudar a direção e sentido do movimento, fazendo com que a carga descreva uma trajetória circular. Então a força magnética faz o papel de resultante

4 centrípeta. Temos: F magnética = R centrípeta e. q.v.sen.v.sen (90 0 ou ) = mv 2 /R. Como sen90 0 ou de é igual a 1, 1 vem:. q.v.v = m.v 2 /R R. q = m.v, donde: R=raio da trajetória; V = velocidade da partícula; q = módulo da carga elétrica em movimento; =valor do campo de indução. Se α 0 o, 90 o, 180 o, 270 o a trajetória da partícula será uma hélice cilíndrica. 3º FENÔMENO: INDUÇÃO MAGNÉTICA Quando um ímã movimenta-se no sentido de atravessar uma espira associada a um amperímetro, nota-se que nela circula uma corrente elétrica que inverte de sentido conforme o ímã se aproxima ou se afasta da mesma. Esse fato, observado por Faraday, deu origem ao fenômeno da indução magnética, sendo o ponto de partida para a construção das usinas elétricas atuais. A esta corrente que aparecia na espira devido ao movimento do ímã, deu-se o nome de Corrente Induzida Faraday não desenvolveu a parte matemática, e que poderia determinar o valor da corrente induzida que aparece na espira. Foi Neumann que conseguiu calcular matematicamente este valor, criando uma grandeza denominada Fluxo de Indução definido por: Φ =. A.cosα Weber (Wb) Unida de: O sentido da corrente elétrica induzida por intermédio da variação do fluxo de indução magnética que atua na área de uma espira é o de criar um vetor campo induzido que seja contrário ao vetor campo indutor Sendo: φ o valor do fluxo de indução, em weber; o valor do vetor indução magnética criado pelo ímã, em tesla; A o valor da área da espira, em m 2 ; α é o ângulo entre o vetordo ímã, e a normal (perpendicular) à superfície da espira. Neumann então concluiu a parte matemática da indução, determinando que a força eletromotriz etromotriz induzida na espira (e), que gera a corrente elétrica induzida, só irá aparecer quando existir uma variação do fluxo de indução sobre ela, conforme a experiência de Faraday e o seu valor é dado por: imã Vetor criado pelo φ φ final φ inicial R = M.V q e = = em Volts ( V ) t t t final t inicial indutor SENTIDODA CORRENTE INDUZIDA O sentido da corrente elétrica induzida na espira é dado pela Lei de Lenz: Seja o pólo norte de um imã se aproxima de uma espira, o vetor indutor que ele cria na espira, tem seu valor aumentado, e, portanto, o fluxo de indução que incide na espira aumenta.

5 Neste caso, a corrente induzida que aparece na espira tenta deter o movimento do imã, e vai girar no sentido de criar na face voltada para o imã, um pólo norte. Quando o fluxo aumenta, o vetor induzido tem sentido oposto ao vetor indutor. Usando-se a regra da mão direita ao contrário, ou seja, colocando-se os quatro dedos fechando no sentido do vetor induzido, o polegar aponta no sentido da corrente induzida. No caso da figura, ela é anti-horária. Se o pólo norte do imã se afasta da espira, o vetor indutor diminui de valor, e o fluxo indutor diminui. Quando o fluxo indutor diminui, o vetor induzido tem o mesmo sentido do indutor, Colocando-se os quatro dedos da mão direita fechando no sentido do vetor induzido, o polegar aponta no sentido da corrente induzida, no exemplo sentido horário.