Ímã, campo magnético e bússola
Um ímã tem duas pontas chamadas polos: o polo norte (N) e o polo sul (S). Polos iguais se repelem e polos diferentes se atraem. O espaço em volta do ímã onde dá para sentir sua atração ou repulsão é o campo magnético. Um campo tem intensidade e direção, por isso é uma grandeza vetorial.
Uma bússola é só um ímã pequenininho (a agulha) que gira livremente. A ponta N dela aponta no sentido do campo naquele lugar. Sem ímã nem corrente por perto, ela aponta para o norte geográfico da Terra, porque a própria Terra se comporta como um ímã enorme.
Não dá para ver o campo, então desenhamos as linhas de campo magnético: caminhos que um pequeno polo norte livre seguiria. Espalhe limalha de ferro em volta de um ímã e bata de leve no cartão: a limalha se alinha ao longo desses caminhos.
Propriedades das linhas de campo magnético
- Sentido: fora do ímã elas vão de N para S; dentro do ímã voltam de S para N.
- Laços fechados: por isso cada linha é uma curva fechada, sem começo nem fim.
- Nunca se cruzam: se duas linhas se cruzassem, uma bússola nesse ponto teria de apontar em duas direções ao mesmo tempo, o que é impossível.
- A densidade mostra a intensidade: onde as linhas estão juntas o campo é forte (perto dos polos); onde elas se afastam o campo é fraco.
- A tangente a uma linha de campo em qualquer ponto dá a direção do campo ali.
Campo em volta de um fio reto com corrente
Em 1820, Hans Christian Oersted percebeu que a agulha de uma bússola girava sempre que passava corrente num fio próximo. Isso mostrou que a corrente elétrica produz um campo magnético: eletricidade e magnetismo estão ligados.
Em volta de um fio reto e longo, as linhas de campo são círculos concêntricos centrados no fio, em planos perpendiculares a ele.
Regra do polegar da mão direita
Segure o fio com a mão direita, com o polegar apontando no sentido da corrente. Os dedos curvados mostram o sentido das linhas de campo. Inverta a corrente e o campo também se inverte, então a bússola gira para o outro lado.
Do que depende a intensidade
O campo é mais forte quando a corrente é maior e mais fraco quanto mais você se afasta do fio. Perto do fio os círculos ficam apertados; longe, eles se espalham. (A intensidade é diretamente proporcional à corrente e inversamente proporcional à distância.)
Campo de uma espira circular (bobina)
Dobre o fio reto em forma de círculo. Cada pedacinho da espira ainda cria círculos de campo em volta de si. Perto do fio eles parecem pequenos círculos; em direção ao centro ficam maiores e, no centro, as linhas de todas as partes da espira apontam para o mesmo lado e parecem quase retas.
O campo no centro fica mais forte se você aumentar a corrente ou o número de voltas (n voltas funcionam como n vezes uma espira). Uma espira menor também dá um campo mais forte no centro. Vista de uma das faces, a corrente anti-horária faz dessa face um polo norte e a corrente horária faz dela um polo sul.
Solenoide: uma bobina que age como um ímã em barra
Um solenoide é uma bobina longa de muitas voltas juntas de fio de cobre isolado, em forma de cilindro. Quando passa corrente, o padrão do campo é igual ao de um ímã em barra: uma ponta se comporta como N e a outra como S.
Dentro de um solenoide longo, as linhas de campo são retas, paralelas e igualmente espaçadas. Isso significa que o campo é uniforme: mesma intensidade e mesma direção em todos os pontos do interior. Para achar a ponta N, curve os dedos da mão direita no sentido da corrente nas voltas; o polegar aponta para a ponta N.
O campo fica mais forte com (1) mais voltas, (2) mais corrente e (3) um núcleo de ferro doce colocado dentro.
Eletroímã e ímã permanente
Coloque uma barra de ferro doce dentro de um solenoide e passe corrente: a barra vira um ímã forte chamado eletroímã. Desligue a corrente e ele perde quase todo o magnetismo.
| Eletroímã | Ímã permanente |
|---|---|
| É ímã só enquanto passa corrente | Fica magnetizado o tempo todo |
| A intensidade pode ser mudada (corrente, voltas) | A intensidade é fixa |
| Os polos se invertem invertendo a corrente | Os polos são fixos |
| Núcleo: ferro doce | Feito de aço, alnico, ferrite, neodímio |
| Pode ser muito forte | Em geral é mais fraco |
Usos dos eletroímãs: guindastes para sucata de ferro, campainhas elétricas, relés, alto-falantes, motores, aparelhos de ressonância magnética e trens de levitação magnética. O aço é usado em ímãs permanentes porque guarda o magnetismo; o ferro doce é usado em eletroímãs porque o perde rápido.
O que cai na prova
Espere desenhos de linhas de campo (ímã em barra, fio reto, espira, solenoide), a regra do polegar da mão direita, o motivo de as linhas de campo nunca se cruzarem, os fatores que afetam a intensidade do campo e diferenças entre eletroímã e ímã permanente. Em geral são questões de 1 a 3 pontos; nos desenhos, as setas de direção valem pontos, então sempre desenhe-as.
Fórmulas e definições principais
- Fio reto: intensidade do campo B ∝ I e B ∝ 1/r (r = distância ao fio)
- Espira circular (centro): B ∝ n I / r (n voltas, raio r)
- Solenoide (interior): B ∝ n I por unidade de comprimento; campo uniforme
- Unidade SI do campo magnético: tesla (T)
- Regra do polegar da mão direita: polegar = corrente, dedos curvados = campo
- Face da bobina: corrente anti-horária = face N, corrente horária = face S
Exemplos resolvidos
1. Uma bússola é colocada logo a leste de um fio vertical. A corrente sobe pelo fio. Para onde aponta a ponta N da bússola? (Olhe de cima.)
Use a regra do polegar da mão direita: polegar para cima, os dedos se curvam no sentido anti-horário visto de cima. No lado leste, o movimento anti-horário vai para o norte. Então a ponta N da agulha aponta para o norte (o campo do fio e o campo da Terra coincidem aqui).
2. A 5 cm de um fio reto e longo, o campo vale B. Quanto vale o campo a 10 cm se a corrente for dobrada ao mesmo tempo?
B ∝ I/r. Dobrar I dobra B, dobrar r reduz B à metade. Então B fica igual: 2 × ½ = 1, o campo continua sendo B.
3. Um aluno olha para uma face de uma bobina e vê a corrente girando no sentido horário. Que polo é essa face? E se a corrente for invertida?
A corrente horária faz da face um polo Sul. Invertendo a corrente, ela passa a ser anti-horária, e a face vira um polo Norte.
4. Dê duas maneiras de reforçar o campo magnético de um solenoide sem mudar o comprimento da bobina.
Passar mais corrente, acrescentar mais voltas ou colocar um núcleo de ferro doce dentro. Duas quaisquer destas.
5. Por que um solenoide longo cria um campo uniforme por dentro, mas uma bobina de uma volta não?
Num solenoide longo, os campos de muitas voltas se somam lado a lado. Por dentro, as partes que curvariam as linhas se anulam, e as linhas ficam retas, paralelas e igualmente espaçadas. Uma espira só é reta perto do centro e se curva no resto.
Erros comuns
- Desenhar linhas de campo que se cruzam ou que começam e terminam no ar. Elas são sempre laços fechados que nunca se cruzam.
- Usar a mão esquerda na regra do polegar. A regra do sentido do campo de um fio é a do polegar da mão DIREITA (a regra da mão ESQUERDA de Fleming serve para a força sobre um fio, na próxima aula).
- Dizer que as linhas de campo dentro de um ímã em barra vão de N para S. Por dentro elas vão de S para N; só por fora vão de N para S.
- Pensar que um núcleo de ferro doce forma um ímã permanente. O ferro doce perde o magnetismo quando a corrente para; o aço o mantém.