Intensidade do campo magnético, características, fontes, exemplos

Ele campo magnético É a influência de mover cargas elétricas no espaço circundante. As cargas sempre têm campo elétrico, mas apenas aqueles em movimento podem gerar efeitos magnéticos.

A existência de magnetismo é conhecida há muito tempo. Os gregos antigos descreveram um mineral capaz de atrair pequenos pedaços de ferro: era o magnete ou pedra de magnetita.

figura 1. Amostra de magnetita. Fonte: Wikimedia Commons. Rojinegro81 [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)].

Os sábios de Miletus e Platão cuidaram de registrar os efeitos magnéticos em seus escritos; A propósito, eles também conheciam eletricidade estática.

Mas o magnetismo não se associou à eletricidade até o século XIX, quando Hans Christian Oersted observou que a bússola foi desviada perto de um fio de motorista que transportou a corrente.

Hoje sabemos que a eletricidade e o magnetismo são, por assim dizer, dois lados da mesma moeda.

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Campo magnético em física

Na física, o termo campo magnético É uma magnitude vetorial, com um módulo (seu valor numérico), direção no espaço e direção. Também tem dois significados. O primeiro é um vetor que às vezes é chamado indução magnética E é denotado com B.

A unidade de B No sistema internacional de unidades está o Tesla, abreviado T. A outra magnitude também chamada de campo magnético é H, também conhecido como Intensidade do campo magnético E cuja unidade é amperio/medidor.

Ambas as magnitudes são proporcionais, mas são definidas dessa maneira para levar em consideração os efeitos que os materiais magnéticos têm nos campos que estão passando por eles.

Se um material for colocado no meio de um campo magnético externo, o campo resultante dependerá disso e também da resposta magnética do material. Por isso B e H Eles estão relacionados através de:

B = μ_mH

Aqui μ_m  É uma constante que depende do material e possui unidades adequadas para que multipliquem por H O resultado é Tesla.

Características de um campo magnético

-O campo magnético é uma magnitude do vetor, portanto, tem magnitude, direção e significado.

-A unidade do campo magnético B No sistema internacional, é o Tesla, abreviado como T, enquanto H É ampere/medidor. Outras unidades que frequentemente aparecem na literatura são o gauss (g) e o oersted.

-As linhas de campo magnéticas são sempre laços fechados, que deixam um pólo norte e entram em um pólo sul. O campo é sempre tangente às linhas.

-Pólos magnéticos sempre aparecem no casal norte-sul. Não é possível ter um poste magnético isolado.

-Sempre se origina no movimento de cargas elétricas.

-Sua intensidade é proporcional à magnitude da carga ou da corrente que a produz.

-A magnitude do campo magnética diminui com o inverso para o quadrado da distância.

-Campos magnéticos podem ser constantes ou variáveis, tanto tempo quanto espaço.

-Um campo magnético é capaz de exercer uma força magnética em uma carga móvel ou em um fio que o transporte de corrente.

Pólos de um ímã

Um ímã de barra sempre tem dois pólos magnéticos: o Pólo Norte e o Pólo Sul. É muito fácil verificar se os pólos de igual sinal repelem, enquanto os de diferentes tipos são atraídos.

É exatamente como o que acontece com cargas elétricas. Também pode ser visto que quanto mais próximos eles estão, maior a força com a qual eles atraem ou repelir.

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Ímãs de barra têm um padrão distinto de linhas de campo. São curvas fechadas, que deixam o Pólo Norte e entram no Pólo Sul.

Figura 2. Linhas de campo magnéticas de um ímã de barra. Fonte: Wikimedia Commons.

Um experimento simples para observar essas linhas, consiste em espalhar arquivos de ferro em cima de uma folha de papel e colocar um ímã de barra abaixo.

A intensidade do campo magnético é dada de acordo com a densidade das linhas de campo. Estes são sempre mais densos perto dos postes e se estendem à medida que nos afastamos do ímã.

O ímã também é conhecido como um dipolo magnético, no qual os dois pólos são precisamente os pólos magnéticos norte e sul.

Mas eles nunca podem se separar. Se o ímã for cortado pela metade, dois ímãs serão obtidos, cada um com seus respectivos postes norte e sul. Os pólos isolados são chamados Monopoles magnéticos, Mas até o momento ninguém foi capaz de isolar.

Fontes

Você pode falar sobre várias fontes de campo magnético. Eles variam de minerais magnéticos, através da própria terra, que se comporta como um grande ímã, até você chegar a eletroímãs.

Mas a verdade é que todo campo magnético tem sua origem no movimento de partículas carregadas.

Mais tarde, veremos que a fonte primária de todo o magnetismo está nas pequenas correntes dentro do átomo, principalmente aquelas que ocorrem devido aos movimentos dos elétrons ao redor do núcleo e para os efeitos quânticos presentes no átomo.

No entanto, em termos de origem macroscópica, você pode pensar em fontes naturais e fontes artificiais.

Fontes naturais em princípio não "desligam" são ímãs permanentes, no entanto, deve -se levar em consideração que o calor destrói o magnetismo de substâncias.

Quanto às fontes artificiais, o efeito magnético pode ser suprimido e controlado. Portanto, temos:

-Ímãs de origem natural, feitos de minerais magnéticos, como magnetita e maghemita, ambos óxidos de ferro, por exemplo.

-Correntes elétricas e eletroimans.

Minerais magnéticos e de eletromagnet

Na natureza, existem vários compostos que exibem propriedades magnéticas notáveis. Eles são capazes de atrair peças de ferro e níquel, por exemplo, assim como outros ímãs.

Os óxidos de ferro mencionados, como magnetita e maghemita, são exemplos desse tipo de substâncias.

O Susceptibilidade magnética É o parâmetro usado para quantificar as propriedades magnéticas das rochas. As rochas ígneas básicas são a maior suscetibilidade, devido ao seu alto teor de magnetita.

Por outro lado, desde que haja um fio atual, haverá um campo magnético associado. Aqui temos outra maneira de gerar um campo, que neste caso adota a forma de circunferências concêntricas com o fio.

A sensação de circulação do campo é dada pela regra do polegar direito. Quando o polegar da mão direita aponta na direção da corrente, os quatro dedos restantes indicarão o sentido em que as linhas de campo são curvas.

Figura 3. Regra do polegar direito para obter a direção e o significado do campo magnético. Fonte: Wikimedia Commons.

Um eletroímã é um dispositivo que produz magnetismo a partir de correntes elétricas. Tem a vantagem de poder ligar e desligar à vontade. Quando a corrente cessa, o campo magnético desaparece. Além disso, a intensidade do campo também pode ser controlada.

Os eletromagnes fazem parte de vários dispositivos, entre os quais falantes, discos rígidos, motores e relés, entre outros.

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Força magnética em uma carga móvel

Você pode verificar a existência de um campo magnético B através de uma carga de teste elétrico -chamado q- E isso se move com velocidade v. Para isso, a presença de campos elétricos e gravitacionais é descartada pelo menos no momento.

Nesse caso, a força que a carga experimenta q, que é denotado como F_B, É completamente devido à influência do campo. Qualitativamente o seguinte é observado:

-A magnitude de  F_B  É proporcional a  q E na velocidade v.

-Sim v é paralelo ao vetor de campo magnético, a magnitude de F_B É zero.

-A força magnética é perpendicular a ambos v Como a B.

-Finalmente, a magnitude da força magnética é proporcional a sin θ, ser θ O ângulo entre o vetor de velocidade e o vetor de campo magnético.

Tudo isso é válido para cargas positivas e negativas. A única diferença é que o significado da força magnética é revertido.

Essas observações concordam com o produto vetorial entre dois vetores, para que a força magnética experimentada por uma carga pontual q, que se move com velocidade v No meio de um campo magnético é:

F_B = q v x B

Cujo módulo é:

F_B = q.v.B.sin θ

Figura 4. Regra da mão direita para a força magnética em uma carga pontual positiva. Fonte: Wikimedia Commons.

Como um campo magnético é gerado?

Existem várias maneiras, por exemplo:

-Por meio de uma substância apropriada.

-Passando uma corrente elétrica através de um fio de motorista.

Mas a origem do magnetismo no assunto é explicada lembrando que deve estar associado ao movimento de cargas.

Um elétron que orbita o núcleo é, em essência, um pequeno circuito fechado de corrente, mas capaz de contribuir substancialmente para o magnetismo do átomo. Existem muitos elétrons em um pedaço de material magnético.

Essa contribuição para o magnetismo do átomo é chamada Momento magnético orbital. Mas há mais, porque a tradução não é o único movimento do elétron. Isso também possui Momento magnético de Spin, Um efeito quântico cuja analogia é a de uma rotação de elétrons em seu eixo.

De fato, o momento magnético de Espín é a principal causa do magnetismo de um átomo.

Pessoal

O campo magnético é capaz de adotar muitas formas, dependendo da distribuição de correntes que o originam. Por sua vez, pode variar não apenas no espaço, mas também no tempo ou ambos ao mesmo tempo.

-Nas proximidades dos pólos de um eletroímã, há um campo aproximadamente constante.

-Também dentro de um solenóide, é obtido um campo de alta intensidade e uniforme, com as linhas de campo direcionadas ao longo do eixo axial.

-O campo magnético da Terra está muito bem no campo de um ímã de barra, especialmente nas proximidades da superfície. Além disso, o vento solar modifica as correntes elétricas e a deforma significativamente.

-Um fio que transporta corrente tem um campo na forma de circunferências concêntricas com o fio.

Quanto a se o campo pode ou não variar a tempo, eles têm:

-Campos magnéticos estáticos, quando nem sua magnitude nem sua direção mudaram com o tempo. O campo de um ímã de barra é um bom exemplo desse tipo de campo. Também aqueles que se originam de fios que transportam correntes estacionárias.

-Campos variáveis ​​ao longo do tempo, se alguma de suas características variar ao longo do tempo. Uma maneira de obtê -los é de geradores atuais alternados, que fazem uso do fenômeno de indução magnética. Eles são encontrados em vários dispositivos de uso comum, por exemplo, telefones celulares.

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A Lei Biot-Savart

Quando é necessário calcular a forma do campo magnético produzido por uma distribuição de correntes, a lei de Biot-Savart pode ser usada, descoberta em 1820 pelos físicos franceses Jean Marie Biot (1774-1862) e Felix Savart (1791-1841).

Para algumas distribuições atuais com geometrias simples, uma expressão matemática para o vetor de campo magnético pode ser obtida diretamente.

Suponha que você tenha um segmento de fio de comprimento diferencial dl que transporta uma corrente elétrica Yo. Também será assumido que o fio está no vácuo. O campo magnético que produz esta distribuição:

-Diminui com o inverso para o quadrado da distância até o fio.

-É proporcional à intensidade da corrente Yo que viaja no fio.

-Seu endereço é tangencial à circunferência do rádio r centrado no fio e seu significado é dado, pela regra do polegar direito.

Essas observações são combinadas na seguinte expressão:A constante de proporcionalidade é a Permeabilidade a vácuo μ_qualquer, pelo qual é obtido:Onde:

-μ_qualquer = 4π. 10^-7 T.m/ a 

-dB É um diferencial de campo magnético.

-Yo É a intensidade da corrente que circula no fio.

-r É a distância entre o centro do fio e o ponto em que você deseja encontrar o campo.

-deu É o vetor cuja magnitude é o comprimento do segmento diferencial dl.

-r É o vetor que vai do fio até o ponto em que você deseja calcular o campo.

Exemplos

Abaixo, existem dois exemplos de campo magnético e suas expressões analíticas.

Campo magnético produzido por um fio retilíneo muito longo

Através de. Ao fazer a integração ao longo do motorista e tomar o caso limite em que isso é muito longo, a magnitude do campo resulta:

 A direção e a direção do vetor B são indicadas pela regra do polegar direito, como pode ser visto na Figura 3.

Campo criado por Helmholtz bobina

A bobina de Helmholtz é formada por duas bobinas circulares idênticas e concêntricas, que a mesma corrente é passada. Eles servem para criar um campo magnético aproximadamente uniforme dentro.

Figura 5. Esquema de bobinas de Helmholtz. Fonte: Wikimedia Commons.

Sua magnitude no centro da bobina é:

E é direcionado ao longo do eixo axial. Os fatores da equação são:

-N representa o número de voltas das bobinas

-Yo É a magnitude da corrente

-μ_qualquer É a permeabilidade magnética do vácuo

-R É o raio das bobinas.

Referências

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