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Overview

Fonte: Yong P. Chen, PhD, Departamento de Física & Astronomia, Faculdade de Ciências, Universidade purdue, West Lafayette, IN

Campos magnéticos podem ser gerados por cargas móveis, como uma corrente elétrica. O campo magnético gerado por uma corrente pode ser calculado a partir da equação de Maxwell. Além disso, objetos magnéticos como ímãs de barras também podem gerar campos magnéticos devido à dinâmica microscópica de cargas dentro do material. Os campos magnéticos exercerão força magnética em outras cargas móveis ou objetos magnéticos, com a força proporcional ao campo magnético. Os campos magnéticos são fundamentais para o eletromagnetismo e estão por trás de muitas aplicações práticas que vão desde bússolas até ressonância magnética.

Este experimento demonstrará campos magnéticos produzidos por um ímã de barra permanente, bem como uma corrente elétrica, usando pequenos ímãs de agulha de bússola que se alinham com campos magnéticos. Este experimento também demonstrará a força exercida pelos campos magnéticos produzidos por uma corrente em outro fio de transporte atual.

Principles

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Os campos magnéticos (comumente chamados de "campos B") podem ser produzidos por cargas móveis (como uma corrente elétrica) ou "ímãs permanentes" (como ímãs de barras comuns) feitos de materiais magnéticos (como ferro). Se seguirmos a direção local do campo magnético para traçar as linhas de campo vetorial, essas linhas (cuja tangente reflete a direção local do campo magnético, e a densidade das linhas reflete a força do campo magnético local) são conhecidas como "linhas de campo magnético". São linhas fictícias que ajudam a visualizar a distribuição e direção dos campos magnéticos.

Por exemplo, um longo fio reto carregando uma corrente elétrica produzirei um campo magnético no espaço circundante: a magnitude do campo magnético é proporcional à corrente I e inversamente proporcional à distância r do fio; e a direção do campo magnético (representado por "linhas de campo magnético") está ao longo da direção tangente circular ao redor do fio (determinada pela chamada "regra da mão direita", com o polegar apontando ao longo da corrente e os dedos se enrolando em torno da direção do campo magnético), retratado na Figura 1a. Um solenoide (feito de muitas voltas de laços ou bobinas atuais) produzirá um campo magnético que também é proporcional à correnteza na bobina, e principalmente uniforme e ao longo do longo eixo dentro do solenoide (também determinado pela regra direita, com os dedos enrolando ao redor da corrente e polegar apontando ao longo do campo magnético), mas se espalha e decai fora do solenoide (as linhas de campo magnético retornarão à outra extremidade do solenoide), retratada na Figura 1b. O padrão de campo magnético produzido por um ímã de barras é semelhante ao de um solenoide, com as linhas de campo magnético deixando o polo norte do ímã e entrando no polo sul do ímã, como retratado na Figura 1c.

Figure 1

Figura 1: Diagrama mostrando padrões de campo magnético (visualizados por linhas de campo magnético) gerados por uma corrente de linha reta(a),um solenoide (b)e um ímã de barra(c).

Um campo magnético (B) agirá em outros objetos magnéticos e cargas móveis. Um pequeno ímã de barra (como uma agulha de bússola) colocado em um campo magnético tenderia a estar alinhado com o campo magnético local (o que significa que o eixo sul-norte do ímã da barra está ao longo da direção do campo magnético local, que também é como a agulha da bússola funciona para detectar a direção do campo magnético da Terra). Um campo magnético exercerá uma força Lorentz em uma carga em movimento. A força é proporcional ao campo magnético local (B), à carga (q) e à sua velocidade (v), e aponta em direção perpendicular tanto ao movimento quanto ao campo magnético. O vetor de força Lorentz (F) é proporcional ao produto vetorial entre v e B e é dado por:

Equation 1

Portanto, quando F é zero, a direção do movimento é paralela ao campo magnético, mas de outra forma dobraria a trajetória do movimento da carga. Por causa da força de Lorentz, um campo magnético também exerce uma força em um fio de transporte de corrente (desde que a corrente não seja paralela à direção do campo magnético).

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Procedure

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1. Visualize linhas de campo magnético

  1. Obtenha um segmento de fio de condução reta (pelo menos vários cm de comprimento) e uma fonte atual DC.
  2. Obtenha uma placa com um orifício no meio e várias pequenas agulhas de bússola na placa, cada uma montada em um pino e livremente rotacionável.
  3. Alimente o fio condutor através do orifício para que a seção reto seja perpendicular à placa. Conecte o fio condutor à fonte atual DC, conforme mostrado na Figura 2a. A conexão pode ser feita por cabos com grampos.
  4. Ligue a fonte atual e forneça +5 A de corrente no fio. Observe o comportamento das agulhas da bússola.
  5. Inverta a corrente para −5 A e observe novamente o comportamento da agulha da bússola.
  6. Desconecte e remova o fio condutor e a fonte atual. Obtenha e traga um ímã de barra permanente com seu eixo longo paralelo à placa, para se aproximar da placa do lado, com a extremidade norte do ímã mais próxima da placa, como mostrado na Figura 2b. Observe o comportamento das agulhas da bússola.
  7. Vire a orientação do ímã da barra, com agora sua extremidade sul mais perto da placa. Observe o comportamento das agulhas da bússola.

Figure 2

Figura 2: Diagrama mostrando configurações experimentais utilizando (a) uma corrente fluindo em um segmento reto de fio que corre perpendicularmente a uma placa e através do orifício central na placa; ou (b) um ímã de barras trazido perto da placa e perpendicular orientado para a placa, para gerar campos magnéticos, que orientarão agulhas de bússola na placa ao longo da direção dos campos magnéticos locais.

2. Efeito do Campo Magnético

  1. Obtenha dois fios de condução longos e paralelos ancorados em uma estrutura, como mostrado na Figura 3a. Se necessário, pode-se usar uma estrutura de madeira com duas barras paralelas (superior e inferior) e ancorar ou colar as duas extremidades dos fios nas duas barras.
  2. Use cabos e grampos para conectar os dois fios em série e à fonte de alimentação, com a extremidade superior de um fio conectada à extremidade inferior do outro fio, como mostrado na Figura 3a.
  3. Ligue a fonte de alimentação para que a corrente flua na mesma direção (fluindo de cima para baixo) nos dois fios. Observe os dois fios quando a corrente está.
  4. Desligue e desconecte a fonte de alimentação, agora reconecte os dois fios de tal forma que agora estejam conectados novamente em série à fonte, mas com as extremidades superiores dos dois fios curtos, como mostrado na Figura 3b.
  5. Agora ligue a fonte de energia e observe que a corrente fluirá através dos dois fios em direções opostas. Observe os dois fios.

Figure 3 

Figura 3: Diagrama mostrando configurações experimentais de dois fios paralelos com corrente fluindo nas mesmas(a) ou opostas(b)direções.

Os campos magnéticos são fundamentais para o eletromagnetismo e estão por trás de muitas aplicações práticas que vão desde bússolas até ressonância magnética.

Campos magnéticos ou campos B podem ser gerados por cargas móveis, como uma corrente elétrica, ou objetos como ímãs de barras devido à dinâmica microscópica de cargas dentro do material magnético.

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

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

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

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

No caso de um ímã de barra, as linhas de campo magnético deixam o polo norte do ímã e entram no polo sul do ímã. Isto é semelhante ao padrão de campo magnético produzido por um solenoide, que é uma bobina cilíndrica de arame que está carregando corrente.

A direção do campo magnético produzido por uma corrente pode ser determinada pela "regra direita". A regra estabelece que se o polegar aponta ao longo da direção da corrente, os dedos que se enrolam ao redor do condutor indicam a direção do campo magnético. Assim, um ímã de barra, quando aproximado 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 móveis, 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' na carga. Isto é chamado de força Lorentz. A força é proporcional ao campo magnético 'B', a carga 'q' e sua velocidade 'v', e é determinada pelo produto vetor da velocidade da carga e do campo magnético, vezes a carga. A força aponta, portanto, em uma direção perpendicular tanto para o movimento da carga quanto para o campo magnético determinado pela "regra do polegar da mão direita".

Tendo revisado o básico dos campos magnéticos, vamos realizar um experimento simples para visualizar essas linhas de campo magnético e demonstrar como a força lorentz exercida por um campo magnético gerado afeta um fio paralelo de transporte de corrente.

Reúna os materiais e instrumentos necessários, ou seja, uma fonte atual dc, uma placa de plástico montada com várias agulhas de bússola e um fio de condução reta passando por seu centro, e um ímã de barra permanente.

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

Observe também que o fio condutor é alimentado através do orifício central da placa. Certifique-se de que o fio está perpendicular à placa. Conecte o fio à corrente DC usando cabos com grampos.

Ligue a fonte atual e defina a oferta atual para +5 amperes. Observe o comportamento das agulhas da bússola.

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

Agora desligue e desconecte a fonte atual e obtenha uma placa de plástico semelhante montada com agulhas magnéticas, mas sem o fio condutor alimentado através dele. Em seguida, identifique o polo norte do ímã da barra.

Com o longo eixo do ímã de barras paralelo à placa, aproxime o polo norte da placa pelo lado. Observe as agulhas da bússola para qualquer mudança de orientação.

Agora vire o ímã da barra de tal forma que o polo sul esteja mais perto da placa. Mais uma vez, observe as agulhas da bússola para qualquer mudança de orientação.

Primeiro monte um quadro com duas barras, uma delas é horizontal correndo ao longo da parte superior do quadro e a outra é vertical que conecta a base à primeira barra. Em seguida, ancorra ou grave a parte central dos dois fios de condução longas para o quadro. Balançar uma extremidade de ambos os fios da moldura de tal forma que os dois fios são paralelos um ao outro.

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

Certifique-se de que os fios estão conectados de modo 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 está 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 ON.

Agora, tendo revisado os protocolos, vamos rever os resultados dos experimentos realizados.

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 inverte, o que, por sua vez, inverte a orientação das agulhas da bússola.

Da mesma forma, quando o polo norte do ímã da barra é trazido perto das agulhas da bússola, ele cria um campo magnético local, e as agulhas de bússola se alinham ao longo dessas linhas de campo magnético local.

E quando o ímã da barra é virado, 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 é por causa da força lorentz gerada pelo campo magnético.

De acordo com a regra da 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 Lorentz. Neste caso, a força é para o 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.

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. Vamos agora olhar para um par de aplicações comuns de campos magnéticos.

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

O polo sul magnético da Terra está localizado perto de seu polo norte geográfico. Assim, o polo 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 diagnósticos médicos. 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 a introdução de JoVE a campos magnéticos. Agora você deve saber como visualizar campos magnéticos usando agulhas de bússola e entender como a força Lorentz de um campo magnético produzido por uma corrente afeta outra corrente quase paralela. Obrigado por assistir!

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Results

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Para as etapas 1.3-1.4, antes que a corrente seja ligada, as agulhas da bússola são orientadas aleatoriamente. Depois de ligar a corrente, que flui no fio de cima para baixo, as agulhas de bússola se alinharão com o campo magnético local em um padrão circular, como descrito na Figura 4a (vista superior). Ao inverter a corrente, o campo magnético inverte, assim como as orientações das bússolas, como retratado na Figura 4b.

Figure 4
Figura 4: Diagrama mostrando padrões representativos das agulhas da bússola respondendo aos campos magnéticos induzidos pela corrente(a) quando a corrente é positiva como mostrado na configuração mostrada na Figura 2a,onde a corrente flui de cima para baixo, e (b) quando a corrente inverte (agora de baixo para cima).

Para as etapas 1.6-1.7, as agulhas de bússola se orientarão ao longo dos campos magnéticos locais criados pelo ímã da barra (cujo padrão de campo magnético é mostrado na Figura 1c). A Figura 5a (e 5b) retrata o padrão representativo das agulhas de bússola quando a extremidade norte (ou sul) do ímã está mais perto da placa. Note que quando a polaridade do ímã de barras se inverte, o mesmo acontece com o campo magnético que cria, assim como as orientações de todas as agulhas de bússola.

Figure 5
Figura 5: Diagrama mostrando padrões representativos das agulhas de bússola respondendo aos campos magnéticos gerados pelo ímã da barra(a ) na configuração mostrada na Figura 2b,com o polo norte do ímã mais próximo da placa; e (b) com polaridade invertida, com o polo sul do ímã mais perto da placa.

Para a Seção 2, os dois fios serão vistos para se atrairem um ao outro quando as correntes que fluem neles têm a mesma direção, e repelir um ao outro quando as correntes neles tiverem direções opostas. Isso se deve à força lorentz do campo magnético gerada por uma corrente agindo sobre o outro fio de transporte atual. Para a situação na Figura 3a (correntes em dois fios têm a mesma direção), o campo magnético (B) produzido pelo fio esquerdo está apontando para a página na posição do fio direito (de acordo com a regra da mão direita, bem como na Figura 4b),e, portanto, a força Lorentz determinada pelo produto vetor de qv (ao longo da direção atual) e B apontará para a esquerda (assim atraente). A força inverte (apontando para a direita, portanto repulsiva) para a situação na Figura 3b, quando a corrente no fio direito inverte (qv inverte). As direções da força devido ao campo magnético criado pelo fio esquerdo agindo no fio direito são retratadas por setas vermelhas na Figura 3.

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Applications and Summary

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Neste experimento, temos campos magnéticos visualizados usando agulhas de bússola que orientam com o campo magnético local. Também demonstramos a força lorentz de um campo magnético produzido por uma corrente em outra corrente quase paralela.

Os campos magnéticos desempenham papéis importantes em nossa vida cotidiana e tecnologia. Eles são gerados por ímãs de barras comumente usados ou "ímãs de cozinha", bem como eletroímãs (solenoides), e são usados para pegar outros objetos magnéticos. A Terra também gera um campo magnético e é assim que uma agulha de bússola (que se alinha com o campo magnético local) é usada para dizer a direção (note que o polo sul magnético da Terra como um ímã está realmente perto do polo norte geográfico, de tal forma que o campo magnético na superfície da Terra aponta em direção à direção geográfica norte). A ressonância magnética (MrI), importante ferramenta de diagnóstico na medicina, também precisa de um forte campo magnético para operar.

O autor do experimento reconhece a ajuda de Gary Hudson para a preparação do material e Chuanhsun Li por demonstrar os passos no vídeo.

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Transcript

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