3º D -Física - Profª Elaine Abud - atividade da semana de 08/06 a 12/06.
Habilidade: 
Identificar as linhas do campo magnético e reconhecer os polos magnéticos de um ímã, por meio de figuras desenhadas, malhas de ferro ou outras representações;
Conteúdo:
Linhas de campo magnético, polos magnéticos e suas representações

 Assistir aos vídeos https://www.youtube.com/watch?v=DOHUL_ddpNM e https://www.youtube.com/watch?v=Alpp4_TpyzI 

Ler o texto abaixo

Fazer a Atividade 1 (exercícios 3, 5 e 6) do tema 1 (página 24 do caderno do aluno – 2º Bimestre).

Essa atividade deve ser feita no caderno ou em arquivo WORD e enviada por e-mail (caso o aluno faça no caderno, deve tirar uma foto e anexar a mesma ao e-mail) até dia 21/06/2020, no seguinte endereço de e-mail: professora.abud@gmail.com

O que é um campo magnético?

Um campo magnético é uma imagem que nós usamos como ferramenta para descrever como a força magnética( A força magnética é uma consequência da força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais da natureza, e ocorre pelo movimento de cargas. Dois objetos, contendo carga, se movimentando no mesmo sentido possuem uma força magnética de atração entre eles. Similarmente, objetos com cargas se movimentando em direções opostas possuem uma força repulsiva entre eles.) é distribuida no espaço ao redor e ao alcance de algo magnético

[Quando falamos da força devido a um ímã (ou qualquer força desse tipo), ela tem que ser sobre algo. Estritamente falando, um campo do vetor força nos diz a magnitude e a direção de uma força sobre uma pequena partícula de teste em qualquer ponto]

A maioria de nós tem alguma familiaridade com objetos do dia a dia que são magnéticos e reconhecemos que pode haver forças entre eles. Nós entendemos que os ímãs tem dois polos e que, dependendo da orientação dos dois ímãs, pode haver atração (polos opostos) ou repulsão (polos iguais). Nós reconhecemos que há uma certa região estendendo-se ao redor do ímã na qual isso acontece. O campo magnético descreve essa região.

Há duas formas diferentes pelas quais o campo magnético é normalmente ilustrado:

1. O campo magnético é descrito matematicamente como um campo vetorial. Esse campo vetorial pode ser traçado diretamente como um conjunto de muitos vetores desenhados em uma grade. Cada vetor aponta na direção que uma bússola apontaria e seu comprimento depende da magnitude da força magnética. 
   

   [Uma bússola nada mais é do que um pequeno ímã suspenso que pode girar livremente em resposta a um campo magnético. Como todos os ímãs, uma agulha de bússola tem um polo norte e um polo sul que são atraídos e repelidos pelos polos de outros ímãs. Quando a bússola é colocada em um forte campo magnético, as forças de atração e repulsão viram a agulha até que se alinhe com a direção do campo.]

   Dispondo algumas bússolas pequenas em um padrão de grade e colocando essa grade em um campo magnético ilustra essa técnica. A única diferença aqui é que uma bússola não indica a força de um campo.
   

   

Figura 1: Diagrama do campo vetorial para uma barra magnética (ímã).

Uma maneira alternativa para representar a informação contida dentro de um campo vetorial é o uso de linhas de campo. Aqui, nós dispensamos o padrão de grade e conectamos os vetores com linhas suaves. Nós podemos desenhar quantas linhas quisermos

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   Figura 2: Diagrama das linhas de campo para uma barra magnética (ímã)

   
   

   Figura 2: Diagrama das linhas de campo para uma barra magnética (ímã)

   A descrição de linhas de campo tem algumas propriedades úteis:
   • Linhas de campo magnético nunca se cruzam.
   • Linhas de campo magnéticas naturalmente agrupam-se em regiões onde o campo magnético é mais forte. Isso significa que a densidade das linhas de campo indicam a força do campo.
   • Linhas de campo magnéticas não começam ou terminam em lugar algum, elas sempre fazem ciclos fechados e continuam dentro de um material magnético (embora, às vezes, elas não sejam desenhas deste jeito).
   • Nós necessitamos de uma forma para indicar a direção do campo. Isto normalmente é feito desenhando setas ao longo das linhas. Às vezes, as setas não são desenhadas e a direção deve ser indicada de algum outro modo. Por questões históricas, a convenção é nomear uma região como 'norte' e outra como 'sul' e desenhar linhas de campo somente destes polos. Presume-se que o campo irá seguir essas linhas do norte até o sul. Legendas 'N' e 'S' são normalmente colocadas nas extremidades de uma fonte de um campo magnético, embora seja estritamente arbitrário e não haja nada de especial sobre essas localizações.
     

     [Explicando o campo magnético da Terra: O campo magnético da Terra surge da movimentação de ferro líquido em seu núcleo. Os polos do campo magnético da Terra não estão necessariamente alinhados aos polos geográficos. Atualmente, eles estão desalinhados em cerca de 10$$^\circdegrees e, ao longo de períodos geológicos de tempo, podem mudar. Hoje, o polo sul magnético está localizado perto do polo norte geográfico. É por isso que o polo norte de uma bússola irá apontar em direção a ele (polos opostos se atraem)]

     $^\circ$degrees
   • Linhas de campo são facilmente vistas no mundo real. Normalmente, isso é feito com limalha de ferro jogadas em uma superfície perto de algo magnético. Cada limalha se comporta como um pequeno ímã com um polo norte e um polo sul. As limalhas naturalmente se separam umas das outras, pois polos iguais se repelem. O resultado é um padrão que se assemelha a linhas de campo. Embora o padrão geral sejam sempre o mesmo, a posição exata e a densidade das linhas de limalha dependerão de como as limalhas caem, de seu tamanho e de suas propriedades magnéticas.
     

     

     
     

     Figura 3: Linhas de campo magnético ao redor de uma barra magnética (imã) visualizadas usando limalha de ferro.

     
     

     Figura 3: Linhas de campo magnético ao redor de uma barra magnética (imã) visualizadas usando limalha de ferro.

Como medimos campos magnéticos?

Dado que um campo magnético é uma grandeza vetorial, há dois aspectos que precisamos medir para descrevê-lo: a força e a direção.

A direção é fácil de medir. Nós podemos usar uma bússola magnética que se alinha com o campo. Bússolas magnéticas tem sido usadas para navegação (usando o campo magnético da Terra) desde o século XI.

Curiosamente, medir a força é consideravelmente mais difícil. Magnetômetros práticos só se tornaram disponíveis no século XIX. A maioria desses magnetômetros funciona explorando a força que um elétron sente enquanto se move através de um campo magnético.

Uma medição exata de pequenos campos magnético só tem sido prática desde a descoberta, em 1988, da Magnetorresistência Gigante, especialmente em materiais com camadas. Essa descoberta em Física Fundamental foi rapidamente aplicada à tecnologia do disco rígido magnético, usado para armazenar informações em computador. Isso levou a um aumento de mil vezes mais na capacidade de armazenamento de dados, em poucos anos imediatamente após a implementação da tecnologia (0,1 to 100 $\mathrm{Gbit/inch^2}$G, b, i, t, slash, i, n, c, h, squared entre 1991 e 2003 [2]). Em 2007, Albert Fert e Peter Grünberg foram premiados com o Prêmio Nobel em Física por essa descoberta.

No sistema SI, o campo magnético é medido em tesla (símbolo $\mathrm{T}$T, em homenagem a Nikola Tesla). O Tesla é definido em termos da quanta força é aplicada a uma carga que se move devido ao campo. Um pequeno ímã produz um campo de cerca de $0,001~\mathrm{T}$0, comma, 001, space, T e o campo da Terra é por volta de $5\cdot 10^{-5}~\mathrm{T}$5, dot, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, space, T. Uma medida alternativa também é frequentemente usada, o Gauss (símbolo $\mathrm{G}$G). Existe um fator de conversão simples: $1~\mathrm{T} = 10^4~\mathrm{G}$1, space, T, equals, 10, start superscript, 4, end superscript, space, G. O Gauss geralmente é usado, pois 1 Tesla é um valor de campo muito grande.

Em equações, a magnitude do campo magnético é dada pelo símbolo $B$B. Você também poderá ver uma quantidade chamada de força do campo magnético, que é dada pelo símbolo $H$H. Ambos $B$B e $H$H têm a mesma unidade, mas $H$H leva em conta o efeito de campos magnéticos serem concentrados por materiais magnéticos. Para problemas simples, que ocorrem em ambiente com ar, você não precisa se preocupar com essa distinção.

Qual é a origem do campo magnético?

Os campos magnéticos ocorrem sempre que cargas estão em movimento. Quanto mais cargas são colocadas em maior movimento, mais a força do campo magnético aumenta.

Magnetismo e campos magnéticos são um aspecto da força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais da natureza.

Há duas maneiras básicas pelas quais nós podemos dispor uma carga em movimento e gerar um campo magnético útil:

1. Nós fazemos uma corrente fluir através de um fio, por exemplo, ao conectá-lo a uma bateria. Conforme aumentamos a corrente (quantidade de carga em movimento), o campo aumenta proporcionalmente. Conforme nos movemos para longe do fio, o campo magnético que enxergamos diminui porporcionalmente com a distância. Isso é descrito pela Lei de Ampère. Simplificada para nos dizer qual é o campo magnético a uma distância $r$r de um fio longo e reto conduzindo uma corrente $I$I, a equação é

$B = \frac{\mu_0 I}{2 \pi r}$B, equals, start fraction, mu, start subscript, 0, end subscript, I, divided by, 2, pi, r, end fraction

Aqui, $\mu_0$mu, start subscript, 0, end subscript é uma constante especial conhecida como a permeabilidade magnética no vácuo. $\mu_0 = 4\pi\cdot 10^{-7}~\mathrm{T\cdot m / A}$mu, start subscript, 0, end subscript, equals, 4, pi, dot, 10, start superscript, minus, 7, end superscript, space, T, dot, m, slash, A. Como alguns materiais tem a habilidade de concentrar campos magnéticos, isso é descrito como se esses materiais tivessem uma maior permeabilidade.

Como o campo magnético é um vetor, nós também precisamos conhecer sua direção. Para uma corrente convencional fluindo através de um fio reto a direção pode ser encontrada pela regra do aperto da mão direita. Para usar essa regra imagine apertar sua mão direta ao redor do fio com o seu polegar apontando na direção da corrente. Os dedos mostrarão a direção do campo magnético que se enrola ao redor do fio.

Regra da mão direita usada para encontrar a direção do campo magnético (B) com base na direção de uma corrente (I). [3]

Figura 4: Regra da mão direita usada para encontrar a direção do campo magnético (B) com base na direção de uma corrente (I). [3]

2. Nós podemos explorar o fato de que os elétrons (os quais possuem carga) apresentam
   
   
   certo  movimento ao redor do núcleo de átomos. Isto é como os ímãs permanentes funcionam. Como já sabemos, por experiência, apenas alguns materiais 'especiais' podem ser transformados em ímãs e alguns ímãs são muito mais fortes que os outros. Então, algumas condições específicas são necessárias:

• Embora os átomos geralmente possuam muitos elétrons, eles normalmente 'emparelham-se' de tal modo que o campo magnético de um par se cancela. Dois elétrons emparelhados desse modo são ditos como tendo um spin oposto. Então, se quisermos que algo seja magnético, nós precisamos de átomos que tenham um ou mais elétrons não pareados com o mesmo spin. O ferro, por exemplo, é um material 'especial' que tem quatro elétrons do tipo e, portanto, é bom para fazer ímãs.
  
  • Até mesmo um pedaço pequeno de material contém bilhões de átomos. Se eles estão todos orientados aleatoriamente, o campo total se cancelará, independentemente de quantos elétrons não pareados o material tem. O material tem que estar estável o suficiente, em temperatura ambiente, para permitir que uma orientação preferencial geral seja estabelecida. Se estabilizado permanentemente, então nós teremos um ímã permanente, também conhecido como ferromagnético.
  • Alguns materiais só podem se tornar suficientemente bem ordenados para se tornarem magnéticos quando na presença de um campo magnético externo. O campo magnético externo serve para alinhar todos os spins dos elétrons na mesma direção, mas este alinhamento desaparece uma vez que o campo magnético externo é removido. Estes tipos de materiais são conhecidos como paramagnéticos.
    O metal de uma porta de geladeira é um exemplo de paramagnetismo. A porta de metal não é magnética, mas se comporta como um ímã quando o ímã da geladeira é colocado nela. Ambos então se atraem fortemente para facilmente manter no lugar uma lista de compras, imprensada entre os dois.

Cancelando o campo magnético da Terra

A Figura 5 mostra uma configuração na qual uma bússola é colocada perto de um fio vertical. Quando nenhuma corrente está fluindo no fio, o compasso aponta para o norte, como mostrado, devido ao campo magnético da Terra (assuma que o campo magnético da Terra vale $5\cdot 10^{-5}~\mathrm{T}$5, dot, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, space, T).

Figura 5: Experimento da bússola e fio (visto de cima, nenhuma corrente fluindo).

Figura 5 : Experimento da bússola e fio (visto de cima, nenhuma corrente fluindo).

Exemplo 1a:

Que corrente (magnitude e direção) seria necessária para cancelar o campo da Terra e 'confundir' a bússola? 

Primeiro, nós precisamos reorganizar a Lei de Ampere, para um fio reto, para isolar a corrente:

$B = \frac{\mu_0 I}{2 \pi r}$B, equals, start fraction, mu, start subscript, 0, end subscript, I, divided by, 2, pi, r, end fraction

$I = B\frac{2\pi r}{\mu_0}$I, equals, B, start fraction, 2, pi, r, divided by, mu, start subscript, 0, end subscript, end fraction

Como mostrado no diagrama, a distância $r$r da bússola até o fio é $0,05~\mathrm{m}$0, comma, 05, space, m. Substituindo os números:

$\begin{aligned}I &= (5\cdot 10^{-5}~\mathrm{T})\frac{(2\pi)\cdot (0,05~\mathrm{m})}{4\pi\cdot 10^{-7}~\mathrm{T\cdot m / A}}\\ &= 12,5~\mathrm{A}\end{aligned}$

Esta é uma corrente muito grande. Um típico suprimento energético de um laboratório pode suprir apenas $3~\mathrm{A}$3, space, A. Nós também precisamos achar a direção do campo. Usando a regra da mão direita, precisamos apontar nosso polegar de modo a ter nossos dedos apontados na direção oposta de onde a bússola está apontando. Então, a corrente precisa estar fluindo para dentro da página, na Figura 5.

$B = \frac{\mu_0 I}{2 \pi r}$B, equals, start fraction, mu, start subscript, 0, end subscript, I, divided by, 2, pi, r, end fraction

$I = B\frac{2\pi r}{\mu_0}$I, equals, B, start fraction, 2, pi, r, divided by, mu, start subscript, 0, end subscript, end fraction

$r$r$0,05~\mathrm{m}$0, comma, 05, space, m

$\begin{aligned}I &= (5\cdot 10^{-5}~\mathrm{T})\frac{(2\pi)\cdot (0,05~\mathrm{m})}{4\pi\cdot 10^{-7}~\mathrm{T\cdot m / A}}\\ &= 12,5~\mathrm{A}\end{aligned}$

$3~\mathrm{A}$3, space, A

Exemplo 1b:

Suponha que nosso suprimento de energia é limitado a um total de $1{,}25~\mathrm{A}$1, comma, 25, space, A. Você poderia sugerir uma alternativa de configuração do experimento que produza o mesmo efeito na bússola? 

Duas opções estão disponíveis para nós:

1. Nós podemos simplesmente reduzir a distância entre o fio e o centro da bússola. Se nós estamos limitados a $1{,}25~\mathrm{A}$1, comma, 25, space, A (um décimo do que tínhamos antes), então a distância precisaria ser reduzida pela mesma fração, ou seja, para $5~\mathrm{mm}$5, space, m, m. Naturalmente, isso pressupõe que a bússola tem um raio de $5~\mathrm{mm}$5, space, m, m ou menos.
2. Nós poderíamos aumentar o campo magnético adicionando mais fios, cada um carregando a mesma corrente. Visto que a corrente em um longo pedaço de fio é a mesma em todos os lugares, nós podemos, a princípio, conseguir isso com um único pedaço de fio organizado para permitir a corrente fazer 10 'passes'. Entretanto, isto só funciona se a corrente estiver na mesma direção de cada 'passagem', do contrário, os campos estarão em direções opostas e cancelarão um ao outro. O melhor modo de conseguir isso é fazendo uma bobina vertical com 10 voltas e raio grande o suficiente para que o campo magnético do lado oposto da bobina seja pequeno o suficiente para se tornar insignificante do ponto de vista da bússola.

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