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Interações Magnéticas
(Parte 1- Introdução)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

0 - Preâmbulos
Em curso de Física Geral, quando se inicia a exposição do Magnetismo, revela-se ao estudante um novo aspecto da realidade física. O estudante já está familiarizado com o campo de forças de sua experiência quotidiana: o campo de gravidade g. Com boa aproximação, o campo de gravidade da Terra, dentro dela e junto a sua superfície, pode ser identificado com seu campo de gravitação G, regido pela Lei de Newton.

Sob alguns aspectos, o campo eletrostático E é análogo ao campo gravitacional G. Partícula tendo massa m e carga elétrica q, nenhuma nula, gera campo gravitacional e campo eletrostático. Ambos são centrais e seguem a Lei do Inverso do Quadrado da Distância. A ambos se aplica a Lei de Gauss. A ambos se associam energia potencial e função potencial.

O campo magnetostático de indução B gerado por corrente elétrica contínua exibe características que surpreendem o novato e apresentam dificuldades. Não existe pólo magnético solitário (monopólo magnético) análogo a partícula eletrizada (elétron, próton etc.). As linhas de indução de B não têm início ou fim; elas circundam a corrente enlaçando-a segundo a Regra da Mão Direita (RMD). Sobre elemento de corrente elétrica o campo B exerce força Fmag. normal a ambos, segundo a Regra (de Fleming) da Mão Esquerda (RME). Em espira percorrida por corrente elétrica o campo B pode exercer binário (torque) --- princípio de funcionamento dos motores elétricos. Citamos ainda indução eletromagnética e ondas eletromagnéticas.

A percepção dos fenômenos magnéticos e a assimilação da correspondente teoria, imagem intelectual dos mesmos, demandam do estudante certa capacidade de abstração e um conveniente domínio de operações matemáticas. O estudante que não se contenta com informação superficial e algumas fórmulas matemáticas sabe que é condição sine qua non habituar-se à linguagem específica que para cada campo de fenômenos foi criada por pesquisadores em Física, desde Galileu.

No presente trabalho sugerem-se experimentes que podem ser realizados sem aparelhos custosos, e que visualizam aspectos característicos do magnetismo.

Física é ciência que investiga fenômenos (sistemas e processos) concretos, tangíveis, verificáveis por qualquer pesquisador na área, em todo o mundo e em qualquer época. Enganos e fraudes são extirpados implacavelmente. Permanece um corpo de ciência bem fundamentada e mesmo assim não definitiva. Sendo submetida a incessante e rigoroso exame crítico, a Física está aberta a toda inovação produtiva em seu campo.

O estudante de Física Geral sente-se motivado quando presencia processos físicos criteriosamente selecionados para ampliar seus conhecimentos no campo enfocado. Eis a razão do presente trabalho: propor experimentos de demonstração de alguns fenômenos magnéticos básicos para o desenvolvimento de todo o Magnetismo. A saber:

a) Como se caracteriza o campo magnético gerado por corrente elétrica continua?
b) De que modo o campo magnético age sobre condutor percorrido por corrente elétrica?

No presente trabalho mostra-se:

- como obter o espectro de um campo magnético;
- como caracterizar a força que um campo magnético exerce em um elemento de corrente elétrica;
- como caracterizar o conjugado (torque) que um campo magnético exerce em espira portadora de corrente.

Finalizando, propõe-se um experimento que evidencia a força exercida por campo magnético sobre corpo metálico não magnetizável (correntes de Foucault, pêndulo de Walten-Hofen).

1 - Introdução
Forças são classificadas segundo critérios diversos. Conforme o ponto de vista, elas podem ser de interação ou de inércia, externas ou internas, impressas ou vinculares, conservativas ou dissipativas, de contato ou de campo etc.

1.1 - Categorias de forcas
Quanto à sua origem, as forças classificam-se conforme o quadro seguinte:

  de interação Forças gravitacionais

Forças nucleares fracas

Forças eletromagnéticas

Forças nucleares fortes

 
FORÇAS  
  de inércia Força de arrastamento

Força complementar

Presentemente trataremos de forças eletromagnéticas. Além de características específicas, elas possuem as propriedades gerais das forças de interação, a saber:

— são exercidas mutuamente entre corpos dois a dois;
— independem do referencial adotado (inercial, ou acelerado que seja);
— seguem a Lei de Ação e Reação.

1.2 - Comparação de forcas de interação
Caracterizado um sistema físico, pode-se comparar as intensidades das forças fundamentais que agem nele. Por exemplo, em átomo de hidrogênio o próton e o elétron se atraem com forças elétricas  Fel. e gravitacionais  Fgrav. , sendo |Fgrav.| = 10-37 |Fel.|.

No microcosmo predominam:

— interação forte (ligação em núcleo atômico).
— interação eletromagnética (núcleo e coroa, 10-3  vezes a interação forte).
— interação fraca (decaimento radioativo, 10-25  vezes a interação eletromagnética).

No macrocosmo predomina a atração gravitacional (10-12 vezes a interação fraca; mecânica celeste). Fora dos astros é a gravitação a única força a considerar.

1.3 - Forcas ativas em fenômenos cotidianos
 Nos fenômenos rotineiros só nos deparamos com interações gravitacionais (peso dos corpos e suas conseqüências) e variadas interações eletromagnéticas. Dentre estas, citamos:

— corrente elétrica para iluminação, operação de eletrodomésticos, acionamento de motores elétricos, aquecimento, telefone;
— forças exercidas por campos elétricos e magnéticos manifestam-se, por exemplo, em raio, osciloscópio catódico, vídeo de TV, ímãs e eletroímãs;
— aplicam-se ondas eletromagnéticas desde as longas em radiocomunicação até os Raios-X em radiografia.

1.4 - Forças de campo
Antes de Faraday (1791 --- 1867) e Maxwell (1831 --- 1879) acreditava-se em "ação à distância". Por exemplo, surgindo uma carga elétrica Q em um ponto, ela exerceria instantaneamente forças sobre todas as outras
cargas circunstantes q1,q2, q3,... qi, ... próximas ou distantes.
Pelo contrário, a pesquisa revelou “força de campo”: a carga Q gera um campo elétrico E, que invade o espaço com velocidade finita nunca maior do que a velocidade da luz no vácuo, velocidade limite segundo a Teoria da Relatividade (Einstein, 1879 --- 1955). A força elétrica passou a ter, então, caráter 'local' --- ação do campo, naquela região, sobre a carga ai colocada.
A carga Q exerce a força  Fi na carga qi , segundo a Lei de Coulomb. Esta força é exercida por intermédio do campo
gerado pela carga Q no ponto em que se situa a carga qi .
Repetindo: o ente físico real que atua na carga qi não é a carga distante Q, mas sim o campo E no próprio local
da carga qi . Mesmo que a carga Q seja neutralizada em certo instante, a força  Fi continuará sendo exercida em qi até que o campo E se extinga no local.

Por exemplo: Luz é onda eletromagnética. A luz que a Terra recebe, proveniente do Sol, transita durante 8 minutos na reta Sol --- Terra. Se, por hipótese, o Sol se extinguisse instantaneamente em certo instante t, a Terra continuaria recebendo a radiação solar normalmente, até a data (t + 8 min).

1.5 - Forças elétricas e magnéticas
Já na antiguidade se conheciam o raio, o fogo de Santelmo e a atração do âmbar
atritado sobre corpos leves (âmbar, em grego eléktron), mas não se relacionavam estes fenômenos entre si. Há cerca de um milênio descobriu-se a bússola magnética, que se orienta na direção Sul --- Norte por ação de débeis forças exercidas em seus pólos pelo campo magnético da Terra.

Na lenta evolução dos conhecimentos sobre ações elétricas e magnéticas destaca-se William Gilbert (1544 --- 1603). Dois séculos após, Oersted (1777 --- 1851) divulgou uma sensacional descoberta: corrente elétrica gera campo magnético. Com isto nasceu o eletromagnetismo, que foi levado a maturidade pelos trabalhos de Faraday e Maxwell.

1.6 - Exemplos de forcas elétricas
No átomo, o núcleo atrai os elétrons da coroa com forças coulombianas. Na molécula, as forças de ligação química são coulombianas. Em corpo de muitas moléculas manifestam-se forças de coesão e adesão molecular (por exemplo, elasticidade de sólidos, tensão superficial de líquidos); elas também são coulombianas. Em Teoria Cinética dos Gases estudam-se colisões intermoleculares, que são interações coulombianas.

Forças de atrito são decorrentes de interações coulombianas entre as camadas-limite de corpos em contato. Na fotossíntese, a clorofila dos vegetais absorve energia da radiação eletromagnética proveniente do Sol, e com ela promove a reação:

6 CO2 + 6 H20 +  2825 kJ  ======>  C6H12 O6 + 6O2

1.7 - Exemplos de forças magnéticas
Corrente elétrica é carga elétrica em movimento ordenado. Na coroa atômica, o movimento
orbital dos elétrons e o spin dos mesmos geram efeitos magnéticos importantes (dia-; para- e ferro-magnetismo, e suas conseqüências).

As interações magnéticas são decisivas no funcionamento de motores elétricos, transformadores, linhas de transmissão, chaves magnéticas, osciloscópios etc. Atualmente constroem-se ímãs permanentes e eletroímãs possantes; entre suas aplicações destaca-se ferrovia com veiculo mantido suspenso por repulsão magnética.

Em certos laboratórios científicos aplicam-se interações eletromagnéticas em aceleradores de partículas (cíclotron, bétatron, acelerador linear etc.). Com vistas à fusão nuclear controlada, estudam-se plasmas, gases em altíssimas temperaturas, e que só podem ser confinados em garrafas magnéticas.

1.8 - Indução eletromagnética
Campo magnético pode gerar campo elétrico, portanto, gerar força eletromotriz. Nisto se baseiam transformadores e máquinas geradoras de energia elétrica (dínamos e alternadores). Vice-versa, campo elétrico pode gerar campo magnético. Nestes processos baseia-se a emissão e propagação de ondas eletromagnéticas.

Segue Parte 2: Campo elétrico e campo magnético

 


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