Qual é a relação entre as cargas elétricas é o magnetismo?

Eletromagnetismo é o ramo da física que estuda a relação entre as forças da eletricidade e do magnetismo como um fenômeno único. Ele é explicado pelo campo magnético.

Origem

Michael Faraday (1791-1867) descobriu os efeitos elétricos produzidos pelo magnetismo. Através desses efeitos, chamados de indução eletromagnética, ele explicou a natureza e as propriedades dos campos magnéticos.

Faraday explicou que o campo magnético é produzido pelas cargas elétricas geradas a partir do atrito entre os corpos que, por sua vez, sofrem atração ou repulsão.

É o mesmo que dizer que é possível gerar energia movimentando um ímã próximo a um indutor ou um condutor. Esse movimento faz com que os elétrons se movimentem, resultando em tensão elétrica, ou energia eletromagnética.

Isso acontece em decorrência da polaridade existente à matéria de qualquer corpo: carga positiva (próton), carga negativa (elétron) e carga neutra (nêutron).

O local onde essa força está concentrada é chamado de campo elétrico.

A força das cargas elétricas é calculada através da Lei de Coulomb. Além dessa lei, o entendimento acerca do campo magnético desencadeou muitas descobertas referentes à eletricidade.

Mas foi James Clark Maxwell (1831-1879) que conseguiu reunir o conhecimento existente acerca da eletricidade e do magnetismo.

Maxwell estudou o efeito de forma inversa àquela apresentada por Faraday. Assim, mostrando a variação do campo elétrico sob o campo magnético, propôs 4 equações, as chamadas equações de Maxwell, que estão inseridas no conceito de eletromagnetismo clássico.

O físico escocês mostrou a existência dos campos eletromagnéticos. Trata-se da concentração de cargas elétricas e magnéticas, as quais movimentam-se como ondas. Por esse motivo, são chamadas de ondas eletromagnéticas e propagam-se à velocidade da luz. A luz é um exemplo de onda eletromagnética!

O micro-ondas, o rádio e os aparelhos utilizados nos exames de radiografia são outros exemplos da presença das ondas eletromagnéticas.

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Bacharel em Meteorologia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 1992, Licenciada em Matemática pela Universidade Federal Fluminense (UFF) em 2006 e Pós-Graduada em Ensino de Física pela Universidade Cruzeiro do Sul em 2011.

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O magnetismo é a área responsável por estudar os fenômenos magnéticos, desde campo e força magnética até a indução eletromagnética de Faraday. Tal tipo de fenômeno foi provavelmente observado primeiramente na Grécia Antiga, na cidade de Magnésia, podendo ser essa a razão da sua nomenclatura.

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Resumo sobre magnetismo

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  O magnetismo é área da Física que explica fenômenos magnéticos e consegue aperfeiçoar e criar diversos dispositivos tecnológicos.

• Os tipos de materiais magnéticos são: diamagnético, paramagnético e ferromagnético.

• A Terra possui um polo norte magnético e um polo sul magnético.

• Os ímãs possuem polos norte e sul, que não podem ser separados.

• As linhas de força dos ímãs saem do polo norte em direção ao polo sul.

• Polos de mesma nomenclatura são repelidos, enquanto polos de diferentes nomenclaturas são atraídos.

• O eletromagnetismo estuda a relação existente entre os fenômenos estudados em eletricidade e no magnetismo.

Videoaula: Introdução ao magnetismo

O que é magnetismo?

O magnetismo é a parte da Física que estuda a origem e as consequências dos fenômenos magnéticos, como campo e força magnética. Ele tem origem no movimento dos elétrons, estando assim intimamente ligado ao estudo da eletrostática e eletrodinâmica, compondo a grande área chamada eletricidade e magnetismo.

Existem autores que afirmam que a sua nomenclatura se deu em razão do nome da região conhecida como Magnésia, na Grécia Antiga, onde ocorreu suas primeiras observações; mas há lendas que contam que seu nome na verdade é uma homenagem ao pastor de ovelhas Magnes, que provavelmente foi o pioneiro na observação do fenômeno magnético, em que a ponta de ferro do seu cajado grudava em algumas pedras ao entrar em contato com elas.

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Exemplos de magnetismo

Existem diversos exemplos de situações relacionadas ao magnetismo, abaixo veremos alguns deles.

• Aurora boreal: aparece quando temos o contato do plasma solar com a atmosfera e o campo magnético terrestre, em que o campo magnético filtra as partículas alfa vindas do Sol, atraindo-as e dissipando-as em um espetáculo de luzes e cores.

• Bússola: é composta por uma agulha ferromagnética que varia sua orientação conforme a posição do campo magnético terrestre.

O que é magnetismo natural?

Magnetismo natural é a nomenclatura dada aos elementos da natureza dotados de propriedades magnéticas inatas, como é o caso da magnetita, chamada de óxido de ferro, representado por \(Fe_3 O_4\). Diferentemente do magnetismo artificial, em que esses elementos não possuem propriedades magnéticas, mas têm a possibilidade de as adquirirem.

Leia também: Imantação — o processo de magnetizar materiais que não têm essa propriedade

Tipos de materiais magnéticos

Os materiais magnéticos podem ser classificados em diamagnéticos, paramagnéticos e ferromagnéticos.

• Diamagnéticos: são os materiais conhecidos por não se atraírem pelos ímãs, já que, ao serem aproximados a um campo magnético externo, em seu interior surge um campo magnético com sentido oposto e que some ao afastá-los desse campo magnético externo, como se o repelissem. Alguns exemplos desses materiais são: água, madeira, mercúrio, plástico, ouro, bismuto etc.

• Paramagnéticos: são os materiais em que, quando aproximados de um campo magnético externo, seus momentos angulares se ordenam, e eles passam a se comportar semelhante a um imã. Caso sejam afastados, eles deixam de se comportar dessa maneira e voltam ao seu estado inicial. Alguns exemplos desses materiais são: alumínio, sódio, cálcio, sulfato de cobre etc.

• Ferromagnéticos: são os materiais que possuem “memória magnética”, o que significa que, ao se aproximarem de um campo magnético externo, ocorre a ordenação dos seus momentos angulares. Assim, eles começam a se comportar semelhante a um imã, semelhante aos materiais paramagnéticos, contudo, após o seu afastamento, isso se mantém inalterado, diferentemente dos materiais diamagnéticos. Alguns exemplos desses materiais são: ferro, cobalto, níquel, algumas ligas metálicas etc.

Campo magnético da Terra

O planeta Terra possui um campo magnético que faz com que ela se comporte como um grande ímã, provavelmente devido à grande quantidade de correntes elétricas que a circulam internamente. Ela possui dois polos magnéticos, o polo norte magnético, localizado no Polo Sul geográfico, e o polo sul magnético, localizado no Polo Norte geográfico, conforme podemos ver na imagem abaixo:

Ímãs

Os ímãs, também chamados de magnetos, são materiais ferromagnéticos com dois polos magnéticos (daí a nomenclatura dipolos), em que um dos polos é chamado de norte e o outro polo de sul. Suas linhas de força saem do polo norte em direção ao polo sul. Eles possuem a capacidade de atrair (polos diferentes) ou repelir (polos iguais) outros materiais ferromagnéticos em razão do seu campo magnético, como podemos ver na imagem abaixo:

Eles podem ser classificados como naturais, quando encontrados na natureza, como é o caso da magnetita, ou podem ser artificiais, quando fabricados pelo processo de imantação.

Além disso, os ímãs possuem uma propriedade conhecida como inseparabilidade dos polos, em que é impossível separar o polo norte do polo sul, independentemente de quão pequena seja a divisão, sempre ficando com partes iguais de polo norte e sul, como podemos ver na imagem abaixo:

Principais fórmulas do magnetismo

Existem diversas fórmulas estudadas no magnetismo, abaixo veremos as principais.

• Fórmula do campo magnético em uma espira circular

\(B=\frac{μ_o\cdot\ i}{2\cdot R}\)

• • B é o campo magnético, medido em Tesla \([T]\).

  • \(μ_o\) é a constante de permeabilidade magnética do vácuo, seu valor é \(4π\cdot10^{-7}\ T\cdot m/A\).

  • i é a corrente elétrica, medida em Ampère \( [A]\).

  • R é o raio da espira, medido em metros \([m]\).

• Fórmula do campo magnético em uma bobina chata

\(B=N\cdot\frac{μ_o\cdot\ i}{2\cdot R}\)

• B é o campo magnético, medido em Tesla \([T]\).

• N é o número de espiras da bobina.

• \(μ_o\) é a constante de permeabilidade magnética do vácuo, seu valor é \(4π\cdot10^{-7}\ T\cdot m/A\).

• i é a corrente elétrica, medida em Ampère \( [A]\).

• R é o raio da bobina, medido em metros \([m]\).

• Fórmula do campo magnético em um condutor reto

\(B=\frac{μ_o\cdot\ i}{2\cdot \pi \cdot d}\)

• B é o campo magnético, medido em Tesla \([T]\).

• \(μ_o\) é a constante de permeabilidade magnética do vácuo, seu valor é \(4π\cdot10^{-7}\ T\cdot m/A\).

• i é a corrente elétrica, medida em Ampère \( [A]\).

• d é a distância ao fio, medida em metros \([m]\).

• Campo magnético no interior de um solenoide

\(B=N\cdot\frac{μ_o\cdot\ i}{l}\)

• B é o campo magnético, medido em Tesla \([T]\).

• \(μ_o\) é a constante de permeabilidade magnética do vácuo, seu valor é \(4π\cdot10^{-7}\ T\cdot m/A\).

• i é a corrente elétrica, medida em Ampère \( [A]\).

• N é o número de espiras ou voltas no solenoide.

• l é o comprimento do solenoide, medido em metros \([m]\).

• Força magnética sobre partículas carregadas

\(F=|q|\cdot v\cdot B\cdot sinθ\)

• F é a força magnética, medida em Newton \([N]\).

• \(|q|\) é o módulo da carga elétrica em excesso ou falta, medido em Coulomb \([C]\).

• v é a velocidade da partícula em relação ao campo magnético, medida em \([m/s]\).

• B é o campo magnético, medido em Tesla \([T]\).

• \(θ\) é o ângulo formado entre a velocidade e o campo magnético, medido em graus \([°]\).

• Fórmula da força magnética sobre condutores retilíneos

\(F=B\cdot i\cdot l\cdot sinθ\)

• F é a força magnética, medida em Newton \([N]\).

• B é o campo magnético, medido em Tesla \([T]\).

• i é a corrente elétrica, medida em Ampère \([A]\).

• l é o comprimento do fio, medido em metros \([m]\).

• \(θ\) é o ângulo formado entre o comprimento do fio e o campo magnético, medido em graus \([°]\).

• Fórmula da força magnética sobre dois condutores retilíneos

\(F=μ_o\cdot\frac{i_1\cdot i_2\cdot l}{2\cdotπ\cdot d}\)

• F é a força magnética, medida em Newton \([N]\).

• \(μ_o\) é a constante de permeabilidade magnética do vácuo, seu valor é \(4π\cdot10^{-7}\ T\cdot m/A\).

• \(i_2\) é a corrente elétrica do condutor 1, medida em Ampère \([A]\).

• \(i_2\) é a corrente elétrica do condutor 2, medida em Ampère \([A]\).

• l é o comprimento do fio, medido em metros \([m]\).

• d é a distância entre os dois condutores, medida em metros \([m]\).

• Fórmula do fluxo magnético

\(ϕ=B\cdot A\cdot cosθ\)

• \(ϕ\) é o fluxo magnético, medido em Weber Wb ou \([T\cdot m]\).

• B é o campo magnético, medido em Tesla \([T]\).

• A é a área da superfície, medida em \([m^2]\).

• \(θ\) é o ângulo entre a normal no plano da espira e o vetor campo magnético, medido em graus \([°]\).

• Lei de Faraday-Lenz

\(ε=\frac{-Δϕ}{Δt}\)

• \(ε\) é a força eletromotriz induzida, medida em Volt \([V]\).

• \(Δϕ\) é a variação de fluxo magnético, medida em Weber Wb ou \([T\cdot m]\).

• \(Δt\) é a variação de tempo, medida em segundos \([s]\).

História do magnetismo

Há registros e textos abordando a existência do magnetismo datados dos séculos VII a.C. e VI a.C., na Grécia Antiga. O filósofo, matemático e astrônomo Tales de Mileto (623 a.C.-558 a.C.) foi quem observou a atração da pedra magnetita ao ferro. Inclusive, os chineses no século VII inventaram a bússola, que os auxiliava em suas navegações, sendo um instrumento que se orienta de acordo com o campo magnético terrestre. Eles também fabricaram os ímãs.

No século XIII na Europa, seus estudos se impulsionaram, e podemos citar nessa época o estudioso Pierre Pelerin de Maricourt (1240-séc. XIII), que fazia experimentos envolvendo o magnetismo, tendo até escrito o primeiro estudo formal a respeito das propriedades e nomenclatura dos polos dos ímãs.

No século XVI, o cientista Willian Gilbert (1544-1603) observou e concluiu que a Terra possuía um campo magnético e que, em razão disso, as bússolas funcionavam apontando sempre para o norte. Posteriormente, o assunto também foi estudado pelo cientista Carl Gauss (1777-1855).

No século XVIII, Charles Coulomb (1736-1806) estudava a respeito da eletricidade e do magnetismo, formulando a lei de Coulomb e a lei dos polos inversos de atração e repulsão entre as cargas elétricas.

No século XIX, entre 1820 e 1829, o físico e químico Hans Oersted (1777-1851) comprovou a relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos acidentalmente, quando observou que uma bússola próxima se movia devido à corrente elétrica que atravessava um fio. Seus estudos permitiram o desenvolvimento dos motores elétricos e o surgimento da grande área chamada eletromagnetismo.

Entre 1821 e 1825, Andrè-Marie Ampère (1775-1836) estudava a respeito das correntes elétricas no ímãs. Devido à relevância de seu trabalho, teve seu nome dado como unidade de medida à grandeza corrente elétrica, medida, portanto, em Ampère.

Nesse mesmo século, tivermos outras grandes descobertas, como o físico e químico Michael Faraday (1791-1867), que percebeu que, ao movimentar um ímã em um condutor elétrico, ele é capaz de produzir corrente elétrica. Além disso, seus estudos possibilitaram o desenvolvimento dos geradores elétricos, e, juntamente a Joseph Henry (1797-1878), ele descobriu a indução eletromagnética.

Em 1865, foi inventado o dínamo, aparelho que produz energia elétrica por meio da energia cinética, com base na teoria da indução eletromagnética de Faraday.

Em torno de 1873, James Maxwell (1831-1879) reuniu as leis de Gauss da eletricidade e do magnetismo e a lei de indução Faraday a uma outra equação que ele desenvolveu, considerando-as as equações fundamentais do eletromagnetismo e lhes dando o nome de equações de Maxwell. Por meio de sua manipulação matemática, ele percebeu que os campos magnéticos e elétricos se propagavam de maneira semelhante às ondas mecânicas, nomeando essa propagação de onda eletromagnética.

Leia também: 6 curiosidades sobre as ondas eletromagnéticas

Exercícios resolvidos sobre magnetismo

Questão 1

Suponha que uma carga elétrica de \(15μC\) seja lançada em um campo magnético uniforme de 20T. Sendo de 30° o ângulo formado entre v e B, determine a força magnética que atua sobre a carga supondo que ela foi lançada com velocidade igual a \(2\cdot10^3 m/s\).

a) \(F_{mag}=300N\)

b) \(F_{mag}=30N\)

c) \(F_{mag}=3N\)

d) \(F_{mag}=3000N\)

e) \(F_{mag}=3\cdot10^3\ N\)

Resolução:

Alternativa A. Podemos calcular a força magnética por meio da sua fórmula:

\(F_{mag}=|q|\cdot v\cdot B\cdot sinθ\)

\(F_{mag}=|15μ|\cdot2\cdot10^3\cdot20\cdot sin30°\)

Como \(μ\) vale 10-3, temos:

\(F_{mag}=15\cdot10^{-3}\cdot2\cdot10^3\cdot20\cdot sin30°\)

\(F_{mag}=15\cdot2\cdot20\cdot10^{-3}\cdot10^3\cdot0,5\)

\(F_{mag}=300\cdot10^{-3+3}\)

\(F_{mag}=300N\)

Questão 2

O que acontece com os pedaços de um imã que foi quebrado ao meio?

a) cada um se tornará um imã de menor tamanho.

b) perderão magnetização.

c) serão desmagnetizados.

d) um dos pedaços se tornará um polo norte e o outro, um polo sul.

Resolução:

Alternativa A. Cada um se tornará um imã de menor tamanho devido à inseparabilidade dos polos norte e sul.

O que é uma corrente elétrica é qual sua relação com o magnetismo?

Qual a semelhança entre magnetismo é eletricidade?

Qual a relação entre a força magnética é o sentido da carga?

Qual é a relação entre eletricidade é as cargas elétricas?