Conceitos Fundamentais sobre Ímãs e Magnetismo

Ímãs: Definição e Tipos

Um ímã é qualquer substância que possui ou adquiriu a propriedade de atrair ferro. Normalmente, são hastes magnetizadas ou agulhas de forma geométrica regular e alongada.

Tipos de Ímãs

1. Ímãs Naturais: A magnetita é um poderoso ímã natural que tem a propriedade de atrair todas as substâncias magnéticas. Sua propriedade de atrair pedaços de ferro é composta por óxido magnético natural. Estas substâncias são atraídas pelos ímãs permanentes, como a magnetita.
2. Ímãs Artificiais: São substâncias magnéticas que adquirem a propriedade de atração ao serem esfregadas com magnetita, e preservam essa propriedade por um longo tempo.
3. Ímã de Tempo (Eletroímã): Produzem um campo magnético que os atravessa somente quando há uma corrente elétrica. Um exemplo é o eletroímã.

Interação entre Ímãs

Pólos magnéticos de nomes diferentes se atraem; aqueles com o mesmo nome se repelem. Se partes de um ímã são quebradas, cada parte se comporta como um ímã novo, possuindo seu próprio pólo norte e sul. Quando se aproxima um ímã ou a agulha de uma bússola de um ímã, o pólo sul da agulha se orienta em direção ao Pólo Norte devido à atração entre eles. É impossível separar os pólos de um ímã.

Campo Magnético

O campo magnético é a região do espaço onde a força atua sobre uma agulha magnética ou um ímã. Um ímã altera o espaço ao seu redor: pequenas agulhas magnéticas ou pedaços de ferro são atraídos pelo ímã, mas não sentem qualquer efeito na ausência do mesmo. Os campos magnéticos são representados por linhas de força: o campo é mais forte nas regiões próximas às linhas de força dos pólos.

Força de Lorentz

Quando uma carga elétrica em movimento atravessa uma área onde há um campo magnético, além dos efeitos regidos pela Lei de Coulomb, ela está sujeita à ação de uma força. Suponhamos uma carga $Q$ que se move com uma velocidade $\mathbf{v}$ dentro de um campo magnético $\mathbf{B}$. Este campo gera uma força $\mathbf{F}$ que age sobre a carga $Q$, dada pela expressão:

$$ \mathbf{F} = Q(\mathbf{v} \times \mathbf{B}) $$

Como a força é o resultado de um produto vetorial, ela deve ser perpendicular aos dois vetores, $\mathbf{v}$ (velocidade) e $\mathbf{B}$ (campo magnético). Por ser perpendicular à velocidade da carga, a força é perpendicular ao seu caminho, de modo que a força não realiza trabalho sobre a carga. Isso implica que não há alteração na energia cinética, ou seja, o módulo da velocidade não se altera. A única ação que surge quando a partícula entra no campo magnético é uma variação na direção da velocidade, mantendo o módulo constante.

Forças Magnéticas sobre Cargas e Correntes

Forças Magnéticas sobre uma Carga em Movimento em Linha Reta

Uma carga em movimento na presença de um ímã sofre uma força magnética $\mathbf{F}_m$ que desvia sua trajetória. Como a corrente é um movimento contínuo de cargas, um condutor percorrido por corrente sofre, pela ação de um campo magnético, o efeito combinado das forças magnéticas exercidas sobre as cargas móveis. Se o fluxo é reto e de comprimento $l$, a expressão da força magnética será:

$$ F_m = IBL \sin \theta $$

Onde $I$ é a corrente, $B$ é a intensidade do campo, e $\theta$ é o ângulo com o vetor da corrente. A equação acima é conhecida como Lei de Laplace, podendo ser obtida experimentalmente ou inferida a partir da expressão $\mathbf{F}_m = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})$.

A direção e o sentido da força magnética $\mathbf{F}_m$ são obtidos pela aplicação da regra da mão esquerda: o polegar representa o sentido da força magnética $\mathbf{F}_m$, o dedo indicador representa o sentido do campo magnético $\mathbf{B}$, e o dedo médio representa o sentido da corrente $I$.

Força Magnética em um Circuito Retangular

Um circuito retangular percorrido por uma corrente, quando colocado dentro de um campo magnético (como os produzidos por um ímã em forma de ferradura), sofre ações magnéticas que produzem um movimento de torção ou rotação, até que ele se disponha paralelamente à direção do campo $\mathbf{B}$ (ou à direção das linhas de força). A aplicação da Lei de Laplace a qualquer um dos segmentos verticais de comprimento $l$ dá origem à expressão do torque magnético $M = BIS \sin \alpha$, onde $S$ é a área do circuito. Quando o circuito está orientado paralelamente ao campo, $\sin \alpha = 0$, e o torque $M$ é zero, o que explica que esta é uma posição de equilíbrio.

Galvanômetro de Bobina Móvel

É formado por uma bobina localizada em um campo magnético. A bobina é percorrida por corrente elétrica e está equipada com uma mola que se opõe à sua rotação. Quando o torque na bobina se equilibra com a oposição exercida pela mola, a bobina para em um determinado ângulo, que depende da intensidade da corrente elétrica.

Características:

• Mede a intensidade máxima ou o valor da intensidade da corrente elétrica interna.
• Possui duas utilidades:
  • Amperímetro: Usado para medir diretamente a intensidade da corrente.
  • Voltímetro: Adiciona-se uma resistência em série.

Campo Magnético Devido a uma Corrente Reta

Repetindo a experiência de Hans Christian Oersted com a ajuda de limalhas de ferro dispostas em uma placa perpendicular ao fio reto, observa-se uma estrutura de linhas de força do campo magnético resultante, formando círculos concêntricos ao redor do fio. Seu sentido pode ser determinado pela regra da mão direita: se o polegar aponta no sentido da corrente convencional, os dedos fechados em torno do fio indicam o sentido das linhas de força do campo magnético $\mathbf{B}$ criado por ela.

Experimentos detalhados indicam que a intensidade do campo $\mathbf{B}$ depende das características do meio ao redor da corrente reta, sendo maior quanto maior a corrente $I$ e menor a distância $r$ do fio. Tudo isso é expresso na equação:

$$ B = \frac{\mu I}{2\pi r} $$

Onde $\mu$ é a constante do meio chamada permeabilidade magnética. No vácuo, seu valor é $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \text{ T}\cdot\text{m/A}$.

Campo Magnético Devido a uma Espira Circular

O estudo do espectro magnético, devido a uma corrente, mostra que as linhas de campo se curvam ao redor de cada parte do circuito, assemelhando-se ao espectro de um ímã reto com pólos norte e sul. O lado norte de uma corrente circular, considerada como um ímã, é aquele de onde as linhas de força emergem, e o lado sul, onde elas chegam. A relação entre a polaridade magnética de uma bobina e o sentido da corrente é dada pela regra da mão direita derivada desta observação: um lado é norte quando um observador situado à sua frente vê a corrente (convencional) fluir da direita para a esquerda, e sul, caso contrário.

Experimentos mostram que o valor da intensidade do campo $B$ no interior da espira depende das propriedades do meio (sua permeabilidade magnética $\mu$), da corrente $I$ e do raio $R$ do circuito, dada pela seguinte equação:

$$ B = \frac{\mu I}{2R} $$

A Origem do Magnetismo Natural

O fato de os campos magnéticos produzidos por ímãs serem semelhantes aos produzidos por correntes elétricas levou Ampère a explicar o magnetismo em termos de correntes elétricas. Segundo o físico francês, existem correntes elétricas microscópicas de resistência zero dentro dos materiais. A soma de cada um desses campos elementares explica todas as propriedades magnéticas dos materiais. A magnetização do ferro foi explicada por Ampère como sendo a orientação paralela dos fluxos elementares ao campo magnético externo, fazendo com que o material se comporte como um ímã.

De acordo com o conhecimento atual sobre a composição da matéria, os elétrons nos átomos se comportam efetivamente como pequenos anéis de corrente. Juntamente com seu movimento orbital ao redor do núcleo, cada elétron realiza uma espécie de rotação em torno de si chamada spin. Ambos os movimentos contribuem para o magnetismo de cada átomo e, consequentemente, para o magnetismo do material. Embora Ampère desconhecesse a existência do elétron, sua hipótese de correntes circulares foi confirmada pela teoria atômica moderna, sendo considerada um grande avanço científico.

Fenômenos do Campo Magnético

Ao submeter a matéria a um campo externo, observam-se 3 fenômenos magnéticos:

Diamagnetismo

É uma variação do raio e da velocidade de rotação das cargas dos átomos, o que altera o momento magnético destes. Este fenômeno ocorre em todos os átomos, mas é mais visível quando o número de elétrons é grande e possui uma simetria tal que o momento magnético do átomo é zero. O campo magnético no interior destes corpos é menor. Materiais diamagnéticos são caracterizados como sendo fracamente repelidos pelo campo magnético.

Paramagnetismo

Ocorre quando o momento magnético atômico não é zero, mas os momentos estão orientados aleatoriamente, de modo que as substâncias são listadas como não magnéticas. Na presença de um campo externo, eles se ordenam para reforçar a ação do campo presente e apresentam suscetibilidade $\chi > 0$. Este fenômeno depende da agitação térmica das moléculas e, portanto, da temperatura. Materiais paramagnéticos são fáceis de magnetizar.

Ferromagnetismo

Nos sólidos, as interações interatômicas são grandes o suficiente para produzir um alinhamento paralelo dos momentos atômicos em um conjunto de átomos próximos, que se orientam para se apresentar a um campo externo, como no paramagnetismo.