INTRODUÇÃO AO MAGNETISMO
Assim como cargas de sinais opostos se repelem, podemos usar essa analogia para entendermos o que acontece com os ímãs. Vamos estudar tipos de ímãs e seus detalhes daqui há pouco. Por hora temos que saber que um ímã é um material que gera campo magnético e que todo ímã apresenta duas polaridades: norte e sul. Dois ímãs com as faces opostas se atraem. Já se estiverem voltados com a mesma polaridade, irão se repelir.
Entenda que não existe um ímã com apenas um polo. Todo ímã é constituído de metade norte e metade sul. Esse é o princípio da inseparabilidade dos polos. Alguns físicos se dedicaram na busca pelo monopolo magnético. Essa ideia surgiu com força com o Dirac. Até hoje existem pesquisas sobre monopolos, mas nunca foram encontrados. O que acontece, então, se quebrássemos um ímã em pedaços?
A resposta é simples: teríamos novos ímãs, mantendo a ordem dos polos igual ao original.
Veja a figura acima. Tínhamos um ímã com polaridades norte à esquerda e sul à direita. Ao quebrá-lo teremos vários ímãs com polaridades norte à esquerda e sul à direita.
Observe as linhas de indução magnéticas geradas em um ímã:
As linhas saem do polo norte e chegam ao polo sul. Sempre esse sentido. Do norte ao sul.
Certos materiais, dependendo dos átomos que os constituem, sofrem bastante influência de campos magnéticos ao seu redor. Por exemplo, o ferro. Não existe material cujas propriedades magnéticas são mais impressionantes e de fácil visualização. Basta colocar um ferro diante de um ímã que saberemos o resultado. O níquel também sofre atração por ímãs (coloque uma moeda perto de um ímã e verá que se atrairão). Esses materiais são chamados de ferromagnéticos. Porém, como todos os átomos são constituídos de elétrons, que se movem ao redor do núcleo, gerando um campo magnético, todos os materiais sofrem uma interação quando expostos a um campo magnético externo (como quando colocados próximos a um ímã). Na grande maioria, os efeitos são tão desprezíveis que não conseguimos observar na temperatura ambiente e com ímãs comuns.
Podemos usar ímãs fortes com um dos polos pontiagudos para verificarmos esse fenômeno:
Note que o campo magnético será mais forte no polo mais pontiagudo. Assim como no campo elétrico, quando temos um fluxo estacionário de campo, quanto menor a área, maior será o campo.
Substâncias paramagnéticas, como o alumínio, por exemplo, são atraídos fracamente para o polo mais agudo, aonde o campo é mais forte. Se fosse um pedaço de ferro, essa atração seria muito maior.
Se fosse um pedaço de bismuto, seria repelido da região de campo mais intenso. É um exemplo de material diamagnético. Mas mesmo para o bismuto, que é bastante diamagnético, essa repulsão seria bem fraca.
Na figura abaixo temos os dipolos formados nos átomos que compõem certo material devido ao movimento de seus elétrons em cada átomo:
O que acontece com esses dipolos quando submetidos a um campo magnético externo? Veja a figura abaixo:
Perceba que os dipolos se alinharam, ou seja, esse material sofreu bastante influência do campo. É um material ferromagnético.
Agora olhe o material abaixo. Há um campo magnético externo apontando para a direita e os dipolos não ficam alinhados. Percebe-se uma atração, porém fraca.
Já nesse último caso abaixo, os dipolos estão apontando para o sentido oposto ao do campo, e também não estão alinhados:
De fato o ferromagnetismo é um fenômeno bem complexo e tanto o paramagnetismo quanto o diamagnetismo não podem ser estudados de maneira clássica (são fenômenos quânticos). Então vamos nos deter apenas a essa parte introdutória da natureza magnética dos materiais.
Um fato importante que devemos saber é que a temperatura influencia na organização dos dipolos. Ou seja, é possível alinhar os dipolos magnéticos de um material paramagnético em um campo forte, se este material estiver sob baixas temperaturas. Esse processo é chamado de desmagnetização adiabática. Resfriando esse material com hélio líquido (~2 K), a maioria dos spins estará alinhada. Basicamente, um material magnético se magnetiza espontaneamente sob temperaturas muito baixas. Cada material tem a sua temperatura mínima para que esse feito ocorra, chamada de temperatura de Curie, onde o comportamento ferromagnético aparece.
ÍMÃS E BÚSSOLAS
Um íma é qualquer objeto que gere um campo magnético a sua volta. Existem vários tipos de ímãs. Os naturais, por exemplo, como os feitos de magnetita (óxido de ferro – Fe3O4) ou os mais famosos, feitos de neodímio, que podem ser facilmente encontrados para vender.
São bem poderosos e baratos, porém quebram com certa facilidade. Detalhe importante: como sabemos, a temperatura influencia na magnetização. Se um ímã de neodímio estiver sob temperaturas altas (acima de 400 K) irá perder a sua magnetização.
É possível também magnetizarmos um pedaço de alumínio, por exemplo. Se pegarmos um ímã de neodímio e o abandonarmos em um tubo de alumínio, perceberemos que o ímã cairá com velocidade constante. Veremos com mais detalhes esse efeito (freio magnético), mas, resumindo, o fato de um ímã descer no meio desse tubo o magnetizará. Uma vez que o ímã saia do tubo, a magnetização cessará. Podemos dizer, então, que materiais paramagnéticos, como o alumínio e o cobre, podem se tornar ímãs temporários. Se o tubo fosse de nylon esse efeito não aconteceria, já que esse material apresenta uma magnetização desprezível se comparado com a do cobre ou a do alumínio.
Outro tipo de ímã que estudaremos são os eletroímãs. Na verdade o efeito citado acima é o mesmo aqui. Como sabemos, cargas elétricas em movimento geram campo magnético, portanto, em um circuito, os os geram campos magnéticos. Veja a figura abaixo:
Esse o em formato de espiral é chamado de solenoide. Note que, conforme a corrente vai circulando pelas espirais (chamadas de espiras), surge um campo magnético que vai acompanhando o trajeto da corrente por dentro do solenoide. Esse campo é espalhado do lado esquerdo e volta do lado direito do solenoide. Podemos dizer, então, que esse o está magnetizado: polo norte à esquerda e polo sul à direita. Nesse caso podemos dizer que o campo magnético do lado de fora do solenoide é praticamente zero, ou seja, só há campo no seu interior, conforme mostra a figura. Ao colocarmos uma bússola à esquerda desse solenoide, a agulha estaria deitada com o norte apontando para a esquerda e o seu sul para a direita, sofrendo atração pelo norte do nosso eletroímã.
A bússola é um instrumento composto por uma agulha magnetizada. Foi o objeto mais importante na Era das Grandes Navegações. Ela funciona com um princípio básico: a agulha é bem leve e na, podendo girar livremente ao redor do seu centro de massa. Por ser na o campo fica mais intenso nas pontas, fazendo com que a agulha gire na presença de um campo externo, mesmo que fraco. Seu norte irá sofrer atração pelo sul de um campo magnético externo. A pergunta é: se a agulha se movia no meio do oceano, alguma coisa gera um campo naquele local. Então quem estaria gerando esse campo externo?
A resposta é: a Terra. O nosso planeta é um grande ímã que gera um campo magnético fraco, mas é o suficiente para sensibilizar a agulha da bússola.
Observação
O norte da bússola aponta para o sul magnético do nosso planeta, ou seja, o norte da bússola não aponta para o norte geográfico! A bússola é sensível a campos magnéticos, e os polos magnéticos não têm nenhuma relação com os polos geográficos. Para a nossa
sorte o polo sul magnético fica próximo do norte geográfico. Então se pode dizer que o polo norte da bússola aponta para o polo sul magnético terrestre, que é próximo ao polo norte geográfico, mas não é exatamente igual e esse detalhe é explorado na prova do colégio naval, por exemplo. Fique atento. Há um erro de aproximadamente 23,5°, o que equivale a aproximadamente 4000 km de distância entre os polos.
Observe a figura abaixo:
Os polos geográficos coincidem com a marcação da rosa dos ventos da bússola. Perceba também que a parte pintada de verde na agulha corresponde ao seu polo norte, já que sofre atração pelo polo sul magnético da Terra, e a parte pintada de azul seria o sul da bússola, sofrendo atração pelo norte magnético terrestre.
A figura a seguir mostra as linhas de indução magnética gerada pelo magnetismo terrestre. As linhas são bem parecidas com as de um ímã em barra.
LEI DE FARADAY – LENZ
Na figura abaixo temos dois circuitos independentes. O da direita, de azul, temos uma bateria conectada a uma espira. O da esquerda, apenas uma espira e um amperímetro. O que acontecerá ao conectarmos a chave?
Nesse momento teremos uma corrente que passará na espira no sentido horário, produzindo um campo magnético no seu interior, que sai à esquerda e volta pela direita. Ou seja, a espira agora virou uma ímã (eletroímã) com polaridade norte à esquerda e sul à direita. Como a outra espira está bem próxima, o campo produzido pela espira azul passará no interior da outra espira, fazendo com que os elétrons do o se movam, gerando uma corrente, mesmo sem bateria nenhuma. Ou seja, o fato de a corrente elétrica gerada no circuito azul magnetizar a espira da direita produziu uma magnetização na espira da esquerda, induzindo uma corrente elétrica nessa espira, lida pelo amperímetro. Esse esquema é retratado na figura abaixo:
É exatamente a mesma situação. Vamos por partes:
1º uma corrente no sentido horário passa pela espira azul;
2º use a sua mão direita e gire o seu punho fazendo o movimento da corrente na espira e estique o dedão (regra da mão direita)2. Notará que o dedão aponta para a esquerda. Esse é o sentido do campo no interior da espira azul. O campo sai à esquerda e volta pela direita, formando o ímã;
3º quando a chave estava aberta não tinha fluxo magnético passando no interior da espira laranja, porém, ao ligar a chave, o campo que aponta para a esquerda gerado pela espira de azul passará no interior na espira laranja. O que acontece é que, como o fluxo magnético aumenta entrando na espira laranja, ela induz um campo magnético no sentido oposto, ou seja, a espira laranja vira um ímã com polaridade oposta ao da azul (S N), tendendo a repeli-la.
4º Quando houver uma variação de fluxo magnético em uma espira ela induzirá nela mesma um campo magnético, gerando corrente elétrica. Essa é a lei de Lenz;
5º como sabemos que o campo gerado na laranja aponta para a direita, aponte o seu dedão da mão direita para a direita e gire o seu punho. Perceberá que os seus dedos irão girar de cima para baixo. Esse é o sentido da corrente, conforme mostra a figura;
Observação
Apenas há corrente na espira se houver variação no fluxo magnético nela. Vamos supor que tenha um led conectado à espira laranja. No momento em que a chave é conectada o led piscaria. Afinal, após um instante curto o fluxo fica constante na espira laranja, ou seja, não terá mais corrente. Se conectarmos a chave e desconectarmos várias vezes seguidas veríamos o led piscar o tempo todo.
6º um outro jeito de produzir eletricidade é com um movimento relativo entre um ímã (ou eletroímã) e uma espira (ou outro condutor). Veja o exemplo:
Ao aproximarmos um ímã com o polo norte voltado para a espira, o fluxo magnético aumenta intensamente para a esquerda no interior dela, fazendo com que induza um campo Bind no sentido oposto, para a direita, tornando a espira um ímã S N (tendendo a repelir o ímã).
Outro exemplo:
Na figura acima temos um ímã abandonado no interior de um tubo de cobre ou alumínio, como falamos anteriormente. Podemos imaginar a parte de baixo do tubo como uma espira e o ímã está se aproximando dela com o polo sul. O que ocorre é que, como o sul é o polo que recebe as linhas de indução, é como se, conforme o ímã se aproxima cada vez mais a espira abaixo tem o fluxo aumentado para cima, saindo dela. Sendo assim, a espira induz um campo no sentido oposto, para baixo (quando um ímã se aproxima da espira, a tendência é repulsão, logo, polaridades opostas). Use a regra da mão direita. Aponte a dedão para baixo e gire os seus quatro dedos. Notará que irão girar no sentido da espira abaixo do ímã. Esse é o sentido da corrente gerada no tubo quando o ímã vai descendo. Correntes de Foucault.
Já quando o ímã se afasta da espira, a tendência é aproximação. Observe a espira acima do ímã. Para atrair o ímã ela deve gerar um campo para cima. Coloque o seu dedão da mão direita para cima e gire o punho. Os seus quatro dedos girarão no sentido indicado acima do ímã.
Perceba que o ímã recebe uma força para cima, que será oposta ao peso, fazendo com que o ímã desça com velocidade constante. Temos, então, um freio magnético.
