MAGNETISMO

Escola Estadual “13 de Maio”

Campo Magnético

É a região próxima a um ímã que influencia outros ímãs ou materiais ferromagnéticos e paramagnéticos, como cobalto e ferro.

Compare campo magnético com campo gravitacional ou campo elétrico e verá que todos estes têm as características equivalentes.

Também é possível definir um vetor que descreva este campo, chamado vetor indução magnética e simbolizado por B. Se pudermos colocar uma pequena bússola em um ponto sob ação do campo o vetor Bterá direção da reta em que a agulha se alinha e sentido para onde aponta o pólo norte magnético da agulha.

Se pudermos traçar todos os pontos onde há um vetor indução magnética associado veremos linhas que são chamadas linhas de indução do campo magnético. Estas são orientadas do pólo norte em direção ao sul, e em cada ponto o vetor B tangencia estas linhas.

As linhas de indução existem também no interior do ímã, portanto são linhas fechadas e sua orientação interna é do pólo sul ao pólo norte. Assim como as linhas de força, as linhas de indução não podem se cruzar e são mais densas onde o campo é mais intenso.

Campo Magnético Uniforme

De maneira análoga ao campo elétrico uniforme, é definido como o campo ou parte dele onde o vetor de indução magnética é igual em todos os pontos, ou seja, tem mesmo módulo, direção e sentido. Assim sua representação por meio de linha de indução é feita por linhas paralelas e igualmente espaçadas.

A parte interna dos imãs em forma de U aproxima um campo magnético uniforme.

Efeitos de um campo magnético sobre carga

Como os elétrons e prótons possuem características magnéticas, ao serem expostos à campos magnéticos, interagem com este, sendo submetidos a uma força magnética F_M.

Supondo:

• Campos magnéticos estacionários, ou seja, que o vetor campo magnético B em cada ponto não varia com o tempo;
• Partículas com uma velocidade inicial V no momento da interação;
• E que o vetor campo magnético no referencial adotado é B;

Podemos estabelecer pelo menos três resultados:

Carga elétrica em repouso

"Um campo magnético estacionário não interage com cargas em repouso."

Tendo um Ímã posto sobre um referencial arbitrário R, se uma partícula com carga q for abandonada em sua vizinhança com velocidade nula não será observado o surgimento de força magnética sobre esta partícula, sendo ela positiva negativa ou neutra.

Carga elétrica com velocidade na mesma direção do campo

"Um campo magnético estacionário não interage com cargas que tem velocidade não nula na mesma direção do campo magnético."

Sempre que uma carga se movimenta na mesma direção do campo magnético, sendo no seu sentido ou contrário, não há aparecimento de força eletromagnética que atue sobre ela. Um exemplo deste movimento é uma carga que se movimenta entre os pólos de um Ímã. A validade desta afirmação é assegurada independentemente do sinal da carga estudada.

Carga elétrica com velocidade em direção diferente do campo elétrico

Quando uma carga é abandonada nas proximidades de um campo magnético estacionário com velocidade em direção diferente do campo, este interage com ela. Então esta força será dada pelo produto entre os dois vetores, B e V e resultará em um terceiro vetor perpendicular a ambos, este é chamado um produto vetorial e é uma operação vetorial que não é vista no ensino médio.

Mas podemos dividir este estudo para um caso peculiar onde a carga se move em direção perpendicular ao campo, e outro onde a direção do movimento é qualquer, exceto igual a do campo.

• Carga com movimento perpendicular ao campo

Experimentalmente pode-se observar que se aproximarmos um ímã de cargas elétricas com movimento perpendicular ao campo magnético, este movimento será desviado de forma perpendicular ao campo e à velocidade, ou seja, para cima ou para baixo. Este será o sentido do vetor força magnética.

A intensidade de B será dada pelo produto vetorial F_M x v, que para o caso particular onde B e V são perpendiculares é calculado por:

B= F_M

    /q/ v

A unidade adotada para a intensidade do Campo magnético é o tesla (T), que denomina, em homenagem ao físico iugoslavo Nikola Tesla.

Consequentemente a força será calculada por:

F= B /q/ v

Medida em newtons (N)

• Carga movimentando-se com direção arbitrária em relação ao campo

Como citado anteriormente, o caso onde a carga tem movimento perpendicular ao campo é apenas uma peculiaridade de interação entre carga e campo magnético. Para os demais casos a direção do vetor F_M será perpendicular ao vetor campo magnético B e ao vetor velocidade V.

Para o cálculo da intensidade do campo magnético se considera apenas o componente da velocidade perpendicular ao campo, ou seja, v sen t, sendo t o ângulo formado entre B e v então substituindo v por sua componente perpendicular teremos:

B=      F     => F= B /q/v . sen t

  /q/ v . sen t  

Aplicando esta lei para os demais casos que vimos anteriormente, veremos que:

• se v = 0, então F = 0
• se t = 0° ou 180°, então sem t = 0, portanto F = 0
• se t= 90°, então sem  = 1, portanto. F= B /q/ v

Regra da mão direita

Um método usado para se determinar o sentido do vetor F_M é a chamada regra da mão direita espalmada. Com a mão aberta, se aponta o polegar no sentido do vetor velocidade v e os demais dedos na direção do vetor campo magnéticos.

Para cargas positivas, vetor F_M terá a direção de uma linha que atravessa a mão, e seu sentido será o de um vetor que sai da palma da mão.

Para cargas negativas, vetor F_M terá a direção de uma linha que atravessa a mão, e seu sentido será o de um vetor que sai do dorso da mão, isto é, o vetor que entra na palma da mão.

Efeito Hall

Em 1879, durante experiências feitas para se medir diretamente o sinal dos portadores de carga em um condutor Edwin H. Hall percebeu um fenômeno peculiar.

Na época já se sabia que quando o fio percorrido por corrente elétrica era exposto a um campo magnético as cargas presentes neste condutor eram submetidos a uma força que fazia com que seu movimento fosse alterado.

No entanto, o que Edwin Hall descreveu foi o surgimento de regiões com carga negativa e outras com carga positiva no condutor, criando um campo magnético perpendicular ao campo gerado pela corrente principal.

Em sua homenagem este efeito ficou conhecido como Efeito Hall.

OBRA E VIDA

FÍSICOS


1.    Charles A. de Coulomb    1º BIMESTRE
2.    Charles du Fay                 1º BIMESTRE

TENSÃO ELÉTRICA

Tensão Elétrica

Tensão elétrica – (volts = V)

Para que haja movimento de elétrons em um circuito é necessário que alguma força ou pressão apareça para fazer com que esses elétrons se movimentem. A esta pressão damos o nome de diferença de potencial (d.d.p.), voltagem, tensão ou forçaeletromotriz (f.e.m.), que nos é dada em volts.

Analogamente podemos considerar que a tensão elétrica pode ser comparada com a pressão de um sistema hidráulico e, portanto, a “isolação” de um condutor é comparativamente à espessura de um duto hidráulico, dimensionado para suportar a pressão.

A tensão elétrica pode ser isolada por diversos métodos: através de materiais isolantes aplicados diretamente nos condutores; através de distanciamentos, afastamentos entre os condutores sendo que, neste caso, o isolante é o ar.

Quanto maior for a tensão elétrica, maior deve ser a isolação do condutor para que não ocorra falha. Analogamente ao circuito hidráulico, onde quanto maior a pressão da água maior deve ser a espessura deste duto.

Conceito:

Tensão elétrica: diferença de potencial elétrico entre dois pontos, capaz de gerar movimento ordenado de elétrons entre um ponto e outro.

Abaixo instrumento de medida da tensão elétrica (voltímetro) que é dado em volts:

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Acima um aparelho de medição de tensão analógico, abaixo a forma em que é inserido no circuito, paralelo a medição.

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Corrente Alternada

É o movimento ordenado de cargas elétricas, porém com sentido que muda de um instante para o outro.

A quantidade de vezes em que este sentido de uma corrente elétrica muda dentro de um determinado tempo denominado de frequência.

As usinas geradoras de energia elétrica produzem tensão e corrente elétrica alternada.

É este tipo de tensão que encontramos nas tomadas de nossas residências e fábricas.

Abaixo símbolo de um gerador de tensão alternada:

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Abaixo a forma da tensão alternada em forma de gráfico:

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Frequência é igual ao número de oscilação (período) em um segundo. A unidade de medida da frequência é o Hertz.

No Brasil a frequência é 60 Hertz. Ou seja, em um segundo a tensão elétrica muda de polarização 119 vezes.

Aterramento

Toda máquina e dispositivos metálicos com acionamento e automatização elétrica tem que ser aterrado conforme a norma da ABNT ( Associação Brasileira de Normas Técnicas).

Sua finalidade é proteger as pessoas que estiverem em contato físico com a máquina ou equipamento.

O aterramento é feito com hastes de cobre fincadas no solo, que de acordo com as necessidades e condições do solo podem ser em malha fechada ou aberta, sua resistência é medida com aparelho próprio para esta finalidade chamado de terrômetro.

Considerando que um equipamento está com fuga de corrente elétrica através de seu corpo metálico, exemplificaremos um equipamento com aterramento e um sem, o caminho que a fuga encontrará até a terra:

Corrente Elétrica

Corrente elétrica –( Ampère – A)

Esta unidade define a intensidade elétrica de cargas (elétrons) que fluem através dos condutores elétricos. A corrente elétrica pode ser comparada a quantidade de água que passa dentro de um cano. Quanto maior a quantidade de água maior terá de ser a seção do cano para que permita a passagem de água sem danos.

Assim se comporta a corrente elétrica, também chamada de amperagem. A seção dos condutores elétricos (cabos e fios) deve ser devidamente compatível para permitir a passagem de corrente sem provocar aquecimento.

Quanto maior for a intensidade da corrente maior deverá ser a seção do condutor.

No caso da água, a unidade de medida em relação ao tempo é litros por segundos, ou seja, a quantidade de litros que estiver passando num determinado ponto do encanamento durante um segundo. Toda vez que passar uma corrente de elétrons em um circuito elétrico ela poderá também ser medida.

Quando num ponto qualquer de um circuito elétrico passar 6,28 milhões de elétrons diz-se que passou um Coulomb, medida essa utilizada para medir cargas elétricas.

Porém, se passar num ponto do mesmo circuito um Coulomb de elétrons no tempo de um segundo a corrente será de um ampère.

1 A = 1 Coulomb/ segundo

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O maravilhoso espetáculo dos raios

 

Valter Luiz Líbero
Instituto de Física de São Carlos, IFSC-USP
Email: libero@ifsc.usp.br

 

Poucos fenômenos da natureza despertam tanto nossa atenção como os raios, ou relâmpagos. Apesar de muitas vezes nos amedrontarem, há uma beleza intrínseca no brilho, na grande extensão espacial, suas ramificações no céu e até mesmo no barulho que causam, denominado trovão. No entanto, as causas e os mecanismos de origem dos raios não são muito conhecidos, e poucas pessoas sabem que são essenciais para o nosso planeta, estando associados até mesmo à evolução da vida no nosso planeta.

Em essência, os raios são descargas elétricas originadas pelo acúmulo de cargas opostas entre duas regiões da atmosfera. O fluxo de carga pode ocorrer de uma nuvem para outra, de uma nuvem para a superfície da Terra, ou de uma estrutura metálica alta para a nuvem, sendo este caso bem menos frequente (cerca de um em cada 100 raios sobem). O mecanismo de origem dos raios é complexo e ainda motivo de estudos. Basicamente, ao se formar uma nuvem de tempestade (aquelas escuras), devido aos processos de evaporação da água, há ciclos de transformação de água líquida em cristais de gelo e em granizos, isso em grandes alturas. Nesses ciclos, por colisão, os granizos ficam com cargas negativas e por serem mais pesados concentram-se na base da nuvem; os cristais de gelo ficam carregados positivamente e se espalham pela nuvem. Com isso há o surgimento de um campo elétrico dentro da nuvem que ao atingir um valor crítico (capaz de romper a rigidez dielétrica ou isolação elétrica do ar) possibilitará a descarga elétrica nuvem-nuvem; esses são os raios mais frequentes. Há também a formação de um campo elétrico entre a nuvem e a superfície da Terra, que ao romper a isolação do ar também origina um raio descendente, chamado precursor, mas esse nós não vemos. Esse mesmo campo elétrico induz cargas de sinal oposto na superfície terrestre, que podem iniciar um movimento de subida de cargas; é o raio ascendente, que também não vemos. Esses dois raios precursores, cujos caminhos são ramificados, podem se encontrar e assim fechar um caminho nuvem-terra (como se um finíssimo fio condutor fosse ligado entre nuvem e terra), pelo qual se inicia uma descarga de altíssima intensidade, torna o ar um plasma muito aquecido favorecendo ainda mais a passagem das cargas. Esse é o raio que vemos. O aquecimento súbito do ar provocado por esse raio intenso e a consequente expansão do ar dá origem ao trovão. Podem ocorrer outras descargas pelo mesmo caminho precursor. Assim, o raio pode ser visto como regulador de um equilíbrio elétrico necessário entre céu e terra.

Os raios não são manifestações de alguma falha, ou mesmo de descuido nosso para com o planeta. Sempre existiram e desempenharam papel fundamental no processo de formação da vida no nosso planeta; na verdade até hoje desempenham. Uma boa parte do ozônio de nossa atmosfera origina-se em descargas atmosféricas. Raios ocorrem também em outros planetas, principalmente nos gigantes gasosos Júpiter e Saturno. Somente uma estatística mais aprimorada, que já está em curso, pode revelar se está havendo algum desequilíbrio na quantidade de raios, e as conseqüências disso para o nosso planeta.

Tipicamente, a tensão elétrica, isto é, a força em volts, necessária para um raio ocorrer é da ordem de um milhão de vezes aquela que utilizamos em nossas casas (tipicamente 110 volts). A corrente elétrica, que é o fluxo de carga presente num raio, é cerca de 2000 vezes a que circula numa residência (tipicamente 50 ampères com chuveiro ligado). A temperatura do ar ao redor de um raio pode alcançar 25 mil graus. No entanto, apenas uma fração da energia do raio está na corrente elétrica, sendo a maior percentagem contida na forma de calor, radiação eletromagnética (luz e ondas de rádio), e como o processo todo, desde a formação dos precursores até a descarga final, dura cerca de um segundo, resulta numa energia elétrica da ordem de apenas 300 KWh, equivalente ao consumo de uma lâmpada de 100 W acesa durante 4 meses. Então, apesar dos valores de tensão e corrente serem altos, dada a curta duração dos raios, teríamos que armazenar a energia de muitos raios para que essa fonte de energia fosse proveitosa. Além do mais, é praticamente impossível prever exatamente onde um raio irá cair!

A queda de raios causa diversas mortes anualmente. No Brasil, nos últimos dez anos pelo menos 1320 pessoas morreram vítimas dos mesmos. Os prejuízos materiais chegam a um bilhão de reais ao ano, normalmente relacionados à queima de aparelhos eletrônicos, ou destruição de linhas de transmissão de energia, telefonia ou de dados. Ao cruzarmos uma linha de transmissão de eletricidade, podemos ver um ou mais fios elétricos ligando os topos das torres de sustentação dos cabos; eles são denominados fios terra. Não há corrente sendo transportada nesses fios; eles estão aí para proteger os cabos de transmissão. Um raio terá mais chance de cair nesses fios terra e assim se desviar para o chão através das torres, sem atingir os cabos de transmissão.

O Brasil registra uma incidência muito alta de raios. Não se sabe ao certo a razão disso, mas o Brasil é um país tropical e de extensão territorial enorme. A rica vegetação brasileira causa uma evaporação de grande proporção, facilitando a formação de nuvens. A enorme extensão terra-mar contribui para que haja muita alteração climática, favorecendo o aparecimento de tempestades. Há também correlações entre períodos de grande incidência de raios em certas regiões do Brasil e os fenômenos La Niña e El Niño. Há indicações, ainda em debate, que a cada grau de aumento da temperatura global, pode corresponder a 10 ou 20% de aumento no número médio de raios. Tem havido um aumento na incidência de raios em centros urbanos, que tem sido atribuído ao aumento da poluição e da temperatura média nesses centros.

Outro fator que tem influência na origem dos raios são certas partículas emanadas pelo Sol, pois elas podem ajudar no desencadeamento da corrente que forma os raios precursores (elas ajudam a romper a isolação elétrica do ar). Neste ano de 2012 está ocorrendo o pico de manchas solares, que tem período de 11 anos, e o efeito disso na incidência dos raios está sendo monitorado.

Algumas ações podem ajudar na prevenção dos danos causados por raios. Em grandes edificações, o uso de para-raios é obrigatório. Um para-raio é uma estrutura metálica usualmente em forma de ponta colocada em lugar alto, que visa estabelecer um caminho mais fácil, seguro e controlado, para o raio chegar ao solo. Ao contrário do que se pensa, a ação de um para-raio é bem limitada em alcance, protegendo basicamente uma área de diâmetro igual a sua altura do solo.

Durante tempestades, deve-se evitar lugares planos e abertos, pois ali você será o ponto mais alto do chão e de maior facilidade para a descarga chegar ao solo. Não fique embaixo de construção metálica que não esteja aterrada, como ranchos de teto de zinco erguidos sobre pilares de madeira ou mesmo tijolos; isso é comum em fazendas. Um raio que caia nesse teto verá sua cabeça como o ponto de maior facilidade para se escoar para o chão. Não fique próximo a árvores, pois estas podem facilitar a queda de um raio (são úmidas e infincadas no solo). Não podendo se esconder numa edificação fechada, como uma casa ou mesmo um carro, você também não deve deitar no chão. Uma descarga próxima pode induzir correntes no chão que passarão por todo o seu corpo, podendo matá-lo (é por isso que animais morrem com freqüência vítimas de raios, pois a corrente induzida no solo pode entrar por uma pata e sair por outra, com chance de passar pelo coração). O melhor é colocar os pés juntos, dobrar os joelhos, abaixar a cabeça e fechar os braços ao seu redor (e não cair dessa posição!). Em meio a uma tempestade, jamais fique nadando, seja na praia ou em piscina, andando a cavalo ou de bicicleta, ou jogando futebol. Enfim, evite fazer o papel de para-raio!

Ao contrário do que se ouve, raios podem sim cair no mesmo lugar, e de fato há muitos registros de múltiplos raios em edificações metálicas de grande altura. Vítimas de raios não incorporam nada de especial, além dos tristes malefícios de queimaduras e avarias no sistema nervoso. Isolantes entre o solo e uma pessoa não garantem sua segurança. Há exemplos de pessoas em carrocerias abertas de caminhões que foram atingidas por raios e com consequências fatais. Mesmo isolada do chão, o raio pode atingir uma pessoa e se dirigir para a estrutura mais próxima que lhe dê caminho ao solo. Já, pessoas dentro de estruturas metálicas fechadas, como um veículo, não são afetadas por raios, pois estes não penetram em corpos metálicos fechados, mas se espalham pela superfície do mesmo e se escoam para algum outro corpo externo na proximidade. Durante uma tempestade não é aconselhável tomar banho, usar telefones fixos, ou mesmo ficar perto de equipamentos que tenham conexões externas, como televisores, ou microcomputadores (conectados a redes). Os riscos, embora pequenos nessas situações, existem.

Não é possível prever onde um raio irá cair, mas pode-se mapear regiões onde caem com mais frequência. O Grupo de Eletricidade Atmosférica, ELAT, do INPE, tem implantado nos últimos anos uma rede de monitoramento de raios, que irá certamente melhorar as estatísticas de incidência de raios no Brasil. Também no INPE, nós temos o Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos, Cptec, que presta relevante serviço de previsão meteorológica para todo Brasil, particularmente para o setor agrícola; é o centro mais avançado nessa área em toda América Latina. O mapeamento mais detalhado das áreas de maior ocorrência de tempestades contribuirá para melhor entendermos, por exemplo, porque o Brasil é um dos campeões mundiais em incidência de raios.

Outras informações a respeito da origem desse fascinante e importante fenômeno natural, seu mecanismo de atuação e como minimizar seus malefícios podem ser encontradas nas referências abaixo.

1 - http://pt.wikipedia.org/wiki/Raio_(meteorologia)

2 - http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/carga/raio_relampago/

3 - http://www.passeiweb.com/na_ponta_lingua/sala_de_aula/fisica/eletricidade/eletricidade_e_magnetismo/fisica_tempestade

4 - http://www.vocesabia.net/ciencia/brasil-e-o-pais-mais-atingido-por-raios/

5 - http://www.cptec.inpe.br

A História Sobre Eletricidade e Magnetismo

Até o fim do século 18, eletricidade e magnetismo eram ciências totalmente desconectadas entre si, consideradas apenas como curiosidades de laboratório. Em ambos os casos, conheciam-se apenas fenômenos estáticos, em que não havia movimentação de cargas, ou seja, corrente elétrica.

Em se tratando de eletricidade, na Grécia antiga já era conhecido o fenômeno de eletrização por atrito, pois sabia-se que o âmbar, uma resina amarelada, quando atritado com pele de animais, atrai partículas leves, como sementes ou fragmentos de palha. Curiosamente, o nome do âmbar, em grego, é “elektron”, gerando assim o nome da palavra eletricidade e da partícula elementar elétron. Em 1600, William Gilbert, médico inglês, publicou seu tratado De Magnete, onde menciona outros corpos que se eletrizam por atrito, tais como o vidro e o enxofre.

A existência de dois tipos de cargas foi descoberta por Charles François du Fay em 1733, quando mostrou que duas porções do mesmo material, como o âmbar, eletrizadas por atrito com um tecido, repeliam-se, mas o vidro eletrizado atraia o âmbar eletrizado. Posteriormente, Benjamim Franklim chamou o tipo de carga contida no vidro de positiva e a contida no âmbar de negativa. Assim, esses e alguns outros experimentos mostraram que cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais contrários se atraem, além de que um corpo neutro é um corpo que contem a mesma quantidade de cargas positivas e negativas.

Em relação ao magnetismo puro, também na Grécia antiga se conhecia as propriedades de um minério de ferro encontrado na região da Magnésia, a magnetita (Fe₃O₄): um pedaço de magnetita é um imã permanente que atrai pequenos fragmentos de ferro. Muito antes de ter uma relação com a eletricidade, em 1100 A.C. os chineses já haviam descoberto que uma agulha de magnetita capaz de se orientar livremente num plano horizontal alinha-se aproximadamente na direção norte-sul. Eles usavam este aparelho como uma bússola para navegação.

No tratado publicado por William Gilbert em 1600, ele cita pela primeira vez que a própria Terra atua como um grande imã.

Um imã permanente, como, por exemplo, a agulha magnética de uma bússola, tem um pólo norte N e um pólo sul S, sendo fácil verificar, com dois imãs, que seus pólos de mesmo nome se repelem e que os pólos de nome contrários se atraem. Tendo como base esse fato, é possível pensar em criar uma ciência do magnetismo analogamente à eletricidade, com cargas positivas e negativas. Entretanto, experiências mostram que não é possível separar um pólo de outro em um imã.

Os experimentos realizados que mostraram alguma relação entre a eletricidade e a magnetismo só foram feitos no início do século 19, onde se verificaram os efeitos magnéticos das correntes. Com o grande experimento de Faraday, ele mostrou o fenômeno de indução eletromagnética, ou seja, a variação de campos magnéticos com o tempo produzia campos elétricos.

O efeito contrário, que eletricidade implicava em magnetismo, foi predito teoricamente por Maxwell quando formulou a teoria clássica do eletromagnetismo. A verificação experimental da teoria foi feita por Hertz através da produção de ondas de rádio.

Como um esforço final para consolidar eletricidade e magnetismo, no inicio do século 20, o eletromagnetismo, como já era chamado, foi incorporado à teoria da relatividade restrita de Einstein, e percebeu-se que campos elétricos e magnéticos são partes de um campo mais geral, denominado campo eletromagnético. Posteriormente o eletromagnetismo foi incorporado à ciência do muito pequeno, a mecânica quântica, onde outros resultados interessantes puderam ser tirados.