Campos Magnéticos

Os campos magnéticos são fundamentais para o eletromagnetismo e estão subjacentes a muitas aplicações práticas, desde bússolas até imagens por ressonância magnética.

Campos magnéticos ou campos B podem ser gerados por cargas em movimento, como corrente elétrica, ou objetos como barras magnéticas devido à dinâmica microscópica das cargas dentro do material magnético.

Este vídeo ilustrará como visualizar campos magnéticos produzidos por um condutor condutor de corrente e uma barra magnética permanente. Além disso, este vídeo também demonstrará a força exercida pelos campos magnéticos produzidos por uma corrente em outro fio condutor de corrente.

Os campos magnéticos podem ser visualizados usando linhas de campo magnético. São linhas fictícias que ajudam a entender a distribuição e a direção dos campos magnéticos.

A tangente de uma linha de campo magnético reflete a direção local do campo magnético, e a densidade das linhas reflete a força do campo magnético local, que no caso de uma barra magnética diminui à medida que nos afastamos de sua superfície. Diferentes configurações de condutores de corrente produzem diferentes variações nas distribuições do campo magnético.

Por exemplo, um fio longo e reto que transporta uma corrente elétrica produz um campo magnético, cuja direção, representada por "linhas de campo magnético", é ao longo da direção tangente circular ao redor do fio.

No caso de uma barra magnética, as linhas do campo magnético deixam o pólo norte do ímã e entram no pólo sul do ímã. Isso é semelhante ao padrão de campo magnético produzido por um solenóide, que é uma bobina cilíndrica de fio que transporta corrente.

A direção do campo magnético produzido por uma corrente pode ser determinada pela "regra da mão direita". A regra afirma que, se o polegar apontar na direção da corrente, os dedos enrolados em torno do condutor indicam a direção do campo magnético. Assim, uma barra magnética, quando aproximada do condutor, se alinha com o campo magnético local gerado.

Agora sabemos que os campos magnéticos, produzidos por qualquer condutor ou ímã, interagem com materiais magnéticos próximos. Além disso, os campos magnéticos gerados também interagem com cargas elétricas em movimento, como as encontradas em um segundo condutor de corrente.

Quando uma carga móvel 'q' é introduzida em um campo magnético 'B', o campo exerce uma força 'F' sobre a carga. Isso é chamado de força de Lorentz. A força é proporcional ao campo magnético 'B', à carga 'q' e à sua velocidade 'v', e é determinada pelo produto vetorial da velocidade da carga e do campo magnético, vezes a carga. A força, portanto, aponta em uma direção perpendicular ao movimento da carga e ao campo magnético determinado pela "regra do polegar da mão direita".

Tendo revisado os fundamentos dos campos magnéticos, vamos realizar um experimento simples para visualizar essas linhas de campo magnético e demonstrar como a força de Lorentz exercida por um campo magnético gerado afeta um fio condutor de corrente paralelo.

Reúna os materiais e instrumentos necessários, ou seja, uma fonte de corrente CC, uma placa de plástico montada com várias agulhas de bússola e um fio condutor reto passando por seu centro e uma barra magnética permanente.

Observe a placa de plástico com um orifício no centro. Ele é montado com várias agulhas de bússola ao redor do orifício central usando pinos, de modo que as agulhas fiquem livres para girar.

Observe também que o fio condutor é alimentado pelo orifício central da placa. Certifique-se de que o fio esteja perpendicular à placa. Conecte o fio à fonte de corrente CC usando cabos com grampos.

Ligue a fonte de corrente e defina a alimentação de corrente para +5 amperes. Observe o comportamento das agulhas da bússola.

Em seguida, desligue a fonte de alimentação e troque os cabos positivo e negativo. Em seguida, ligue a fonte de alimentação para inverter a direção da corrente que flui através do fio e observe as agulhas da bússola novamente.

Agora desligue e desconecte a alimentação de corrente e obtenha uma placa de plástico semelhante montada com agulhas magnéticas, mas sem o fio condutor alimentado por ela. Em seguida, identifique o pólo norte da barra magnética.

Com o eixo longo da barra magnética paralelo à placa, aproxime o pólo norte da placa lateralmente. Observe as agulhas da bússola para qualquer mudança de orientação.

Agora vire a barra magnética de forma que o pólo sul fique mais próximo da placa. Mais uma vez, observe as agulhas da bússola para qualquer mudança de orientação.

Primeiro monte uma moldura com duas barras, uma delas é horizontal - correndo ao longo da parte superior da moldura e a outra é vertical que conecta a base à primeira barra. Em seguida, prenda ou prenda com fita adesiva a seção intermediária dos dois longos fios condutores à estrutura. Pendure uma extremidade de ambos os fios da estrutura de forma que os dois fios fiquem paralelos um ao outro.

Agora, conecte a extremidade dos dois fios ao switch e aos terminais. Em seguida, conecte a configuração a uma bateria.

Certifique-se de que os fios estejam conectados de forma que a corrente flua na mesma direção em ambos os fios. Em seguida, gire o interruptor para conectar a bateria aos fios condutores.

Observe os dois fios quando a corrente estiver passando por eles. Em seguida, desligue o interruptor para interromper o fluxo de corrente através dos fios.

Inverta a direção do interruptor para alterar a direção do fluxo de corrente através dos fios. Observe os dois fios quando a corrente estiver LIGADA.

Agora que revimos os protocolos, vamos rever os resultados das experiências realizadas.

No experimento com as agulhas da bússola, inicialmente, as agulhas são orientadas aleatoriamente. Na aplicação da corrente, as agulhas da bússola se alinham com o campo magnético local em um padrão circular.

Ao inverter a direção da corrente, o campo magnético local se inverte, o que, por sua vez, inverte a orientação das agulhas da bússola.

Da mesma forma, quando o pólo norte da barra magnética é aproximado das agulhas da bússola, ele cria um campo magnético local e as agulhas da bússola se alinham ao longo dessas linhas de campo magnético local.

E quando a barra magnética é invertida, a direção do campo magnético também se inverte, o que inverte a orientação das agulhas da bússola.

No experimento com os dois fios longos, os fios são atraídos um pelo outro quando a corrente que flui neles tem a mesma direção. Isso ocorre por causa da força de Lorentz gerada pelo campo magnético.

De acordo com a regra da mão direita, o fio esquerdo produz um campo magnético, que aponta na direção perpendicular ao fluxo de corrente no local do fio direito. Agora, use a outra regra da mão direita e coloque os dedos ao longo da direção da corrente e dos campos magnéticos. Em seguida, o polegar estendido dá a direção da força de Lorentz. Nesse caso, a força está em direção ao fio esquerdo e, portanto, atraente.

Por outro lado, quando o fluxo de corrente nos dois fios está em direções opostas um ao outro, a regra da mão direita mostra que a direção da força de Lorentz no local do fio direito está longe do fio esquerdo, tornando a força repulsiva. Portanto, os dois fios são separados.

Os campos magnéticos são encontrados em todos os lugares ao nosso redor e atualmente são usados em aplicações que vão desde a navegação até o ambiente clínico. Vejamos agora algumas aplicações comuns de campos magnéticos.

Séculos atrás, a dinastia Song da China inventou a primeira bússola magnética usada para navegação. Desde então, contamos com a bússola, que funciona em conjunto com o próprio campo magnético da Terra, para obter direção.

O pólo sul magnético da Terra está localizado perto de seu pólo norte geográfico. Assim, o pólo norte magnético de uma agulha de bússola se alinha ao campo magnético da Terra e aponta para o norte geográfico da Terra.

Os campos magnéticos também têm uma infinidade de aplicações no campo da medicina e do diagnóstico médico. O uso mais comum de campos magnéticos é em ressonância magnética ou ressonância magnética. Os scanners de ressonância magnética usam campos magnéticos fortes e gradientes de campo para gerar imagens do interior do corpo.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE aos campos magnéticos. Agora você deve saber como visualizar campos magnéticos usando agulhas de bússola e entender como a força de Lorentz de um campo magnético produzido por uma corrente afeta outra corrente quase paralela. Obrigado por assistir!