7. CAMPO MAGNÉTICO

Mapeamento de Campo Magnético

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Objetivo

Mostrar as configurações e propriedades dos campos magnéticos.

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EXPERIMENTO ENCONTRADO PELO ERIC BOMBO (303)

Olhem que jóia esse vídeo que ele encontrou no youtube:
http://www.youtube.com/watch?v=E0fWYJKGoLs

Lembrando que xarofe de glucose é encontrado em supermercados e casas de confeitaria.

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Contexto

Determinados materiais apresentam propriedades magnéticas. Por propriedade magnética se entende a capacidade que um objeto tem de atrair outros objetos. Na interação entre dois objetos feitos de materiais magnéticos há também a possibilidade de repulsão entre eles. Os materiais que naturalmente apresentam propriedades magnéticas são chamados de ímãs. Convém notar que esses fenômenos de atração e repulsão podem também ser observados em materiais não magnéticos. Por exemplo, entre dois objetos carregados elétricamente. Porém, mesmo que carregados elétricamente, materiais não magnéticos não interagem com materiais magnéticos.
Em geral, propriedades elétricas ou magnéticas estão associadas a classes de materiais diferentes.
Uma outra forma de distinguir o tipo de fenômeno é conhecendo-se um dos materiais envolvidos. Sabemos que um ímã natural possui propriedades magnéticas: então todos os materiais que ele atrair ou repelir também terão propriedades magnéticas.
As propriedades básicas observadas em materiais magnéticos são explicadas pela existência de dois polos diferentes no material. A esses polos se dão os nomes de polo norte e sul. Polos de mesmo tipo se repelem e polos de tipos opostos se atraem. A esta configuração de dois polos dá-se o nome de "dipolo magnético". O dipolo magnético é a grandeza que determina quão forte é o ímã e sua orientação espacial pode ser represenada por uma flecha que aponta do polo sul para o polo norte.
As propriendades magnéticas dos materiais tem sua origem nos átomos, pois quase todos os átomos são dipolos magnéticos naturais e podem ser considerados como pequenos ímãs, com polos norte e sul. Isto é algo que decorre de uma somatória de dipolos magnéticos naturais dos elementos básicos da matéria (o "spin") com o movimento orbital dos elétrons ao redor do núcleo (pois este movimento cria um dipolo magnético próprio).
Para cada material, a interação entre seus átomos constituíntes determina como os dipolos magnéticos dos átomos estarão alinhados. Sabe-se que dois dipolos próximos e de igual intensidade anulam seus efeitos se estiverem alinhados anti-paralelamente; somam seus efeitos se estiverem alinhados paralelamente.

Assim, teremos os seguintes casos:
• Se os dipolos, sob qualquer condição, permanecerem desalinhados, apontando em direções aleatórias, há um cancelamento geral dos efeitos dos dipolos e o material não apresenta nenhuma propriedade magnética macroscopicamente observável (material não-magnético).
• No caso dos dipolos estarem todos alinhados, temos um material chamado ferromagnético permanente (ímã natural).
• Se os dipolos somente se alinharem na presença de um outro ímã, temos três casos:
• material ferromagnético: o ímã externo, ao atrair um dos polos de cada um dos átomos do material ferromagnético, termina por alinhar todos os dipolos magnéticos deste. Com todos os seus dipolos magnéticos alinhados, o ferromagnético, para todos os efeitos comporta-se como um ímã natural. O resultado final é que o material ferromagnético é atraído pelo ímã natural. O ferro, o níquel e o cobalto são alguns exemplos de materiais ferromagnéticos.
• material paramagnético: o alinhamento é similar ao caso ferromagnético, porém de intensidade aproximadamente 1000 vezes menor. Por isso também não é de fácil observação. O resultado final é que o material paramagnético é muito fracamente atraído pelo ímã natural. O vidro, o alumínio e a platina são alguns exemplos de materiais paramagnéticos.
• material diamagnético: além de causas diferentes, macroscopicamente é o caso oposto do paramagnético. O resultado final é que o material diamagnético é muito fracamente repelido pelo ímã natural. No fundo, todo material é diamagnético; só que na maioria dos casos o ferromagnetismo (permanente ou não) ou o paramagnetismo são mais fortes que o diamagnetismo. A água, a prata, o ouro, o chumbo e o quartzo são alguns exemplos de materiais diamagnéticos.
Convém ressaltar que o alinhamento nunca é total, nem em número de dipolos e nem na direção de cada um deles; trata-se de médias.
De acordo com um dos primeiros pesquisadores do magnetismo, Michael Faraday, o campo magnético é a região do espaço na qual se realiza a interação magnética entre dois objetos que apresentam propriedades magnéticas. E as linhas de campo são as linhas imaginárias que mapeiam o sentido deste campo em torno dos objetos. Ou seja, elas indicam a direção da atração ou repulsão magnética num ponto do espaço sob a influência de objetos magnetizados. As linhas de campo apontam do polo norte para o polo sul.

A atração ou repulsão entre dois objetos magnetizados é intermediado pela ação do campo magnético. Por outro lado, pode não haver atração ou repulsão entre dois objetos magnetizados, mesmo havendo entre eles campo magnético. Isto ocorre porque o campo magnético de um ímã enfraquece conforme aumenta a distância a ele. Então, dependendo da distância que separam os ímãs, o campo magnético não é forte o suficiente para, por exemplo, vencer o atrito que existe entre cada ímã e a superfície de uma mesa sobre a qual eles estejam colocados.

Idéia do Experimento

Para verificarmos a existência e a configuração dos campos magnéticos, podemos estudar suas Linhas de Campo, fazendo um experimento simples usando ímãs e limalha de ferro.
O ferro é um material ferromagnético e portanto seus dipolos magnéticos se alinham na presença de um ímã (na presença de um campo magnético externo). Neste caso, a limalha passa a se comportar como um ímã natural, enquanto estiver na presença de um campo.
Como a limalha de ferro tem pouca massa, ela não apenas alinha seus dipolos magnéticos como também ajusta-se na direção do campo externo, "desenhando" assim sua distribuição e direção em torno do ímã. Isto ocorre pois o campo magnético é mais forte em alguns pontos do que em outros e uma ponta da limalha é puxada com mais força do que a outra, acabando por alinhá-la com o campo. Além disso, a "cauda" de uma limalha tende a se grudar com a "cabeça" de outra, como dois ímãs normais.
O campo magnético de um ímã pode atravessar alguns materiais, como o papel, o plástico e até mesmo um tábua de madeira não muito espessa.
Por isso, se colocarmos um ímã sobre um pedaço de papel e sobre ele pulverizarmos limalha de ferro, estas se alinharão com o campo magnético deste, revelando assim o desenho das linhas de campo. Isso também ocorrerá se o ímã estiver sob o papel.
É interessante que se faça o mapeamento de campo magnético de ímãs com formatos diferentes, para que se possa entender que a distribuição espacial do campo magnético depende entre outras coisas do formato do ímã.
Nós usamos um íma em formato de barra ou cilindro com o campo longitudinal para podermos visualizar uma distribuição de campo magnético do mesmo tipo do da figura acima.

Tabela do Material.

Item	Observações
Ímã	Ímãs são encontrados em alto falantes, ferro velho, lojas de materiais elétricos, em alguns brinquedos, em objetos de decoração como os ímãs de geladeira, etc.
Limalha de Ferro	Limalha de ferro pode ser conseguida em ferro velho, serralherias, ou na terra (aquele rastro cinza que se observa geralmente depois de uma chuva em alguns terrenos, é limalha de ferro da própria terra e pode ser recolhida com o auxílio de um ímã). Caso não seja encontrado nestes lugares, pode-se fabricar limalha de ferro limando um pedaço de ferro ou prego.
Papel	Uma folha de papel, de preferência da cor branca, ou a mais clara possível, pois isso ajuda na visualização das linhas. O papel também é útil para o recolhimento da limalha depois de ter feito o experimento. Pode ser uma folha de caderno, uma folha de papel sulfite ou cartolina, etc.

Montagem

• Coloque um ímã sobre ou sob uma folha de papel.
• Pulverize limalha de ferro levemente sobre o ímã e em torno dele.
• Observe a configuração das linhas de campo. Repita o experimento para outros formatos de ímãs que você tenha conseguido e para mais de um ímã sobre o papel ao mesmo tempo.

Comentários

• Ao pulverizar a limalha de ferro sobre o ímã ou sobre o papel, dê pequenos "petelecos" na folha. Isto faz com que as limalhas se desprendam da folha e se alinhem com o campo, dando melhores resultados. Pode também ser usado um pincel, passando-o levemente sobre as limalhas para que elas se desprendam do papel.

Esquema Geral de Montagem
Figuras ilustrativas das Linhas de Campo. Fonte: artigo de Michael Faraday (1791 - 1867), em "Experimental Researches in Eletricity", London: Dent, New York: Dutton [1922, 1914], onde:
Fig. 1 e Fig. 4 - representam as Linhas de Campo de um ímã em barra, semelhantes ao que usamos neste experimento.
Fig. 2 - representa as Linhas de Campo de um ímã cilíndrico com eixo N-S na direção longitudinal posicionado perpendiculamente à folha de papel.
Fig. 3 - representam as Linhas de Campo de dois ímãs cilíndricos com eixos N-S na direção longitudinal posicionados perpendicularmente à folha de papel.
Fig. 5 - representa as Linhas de Campo de um ímã cilíndrico com eixos N-S numa direção transversal posicionado perpendicularmente à folha de papel.
Fig. 6 - representam as Linhas de Campo de dois ímãs em barra com polos opostos unidos.
Fig. 7 - representam as Linhas de Campo de dois ímãs em barra com polos opostos separados.
Fig. 8 - representam as Linhas de Campo de uma montagem em forma de "L" de dois ímãs em barra, com polos iguais próximos.

8. CORRENTE ELÉTRICA E CAMPO MAGNÉTICO

Fio Cria Campo Magnético

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Objetivo

Neste experimento vamos mostrar que é possível criar um campo magnético com a eletricidade.

Contexto

Quando uma corrente elétrica atravessa um fio condutor, cria em torno dele um campo magnético. Este efeito foi verificado pela primeira vez por Hans Christian Orsted em abril de 1820. Ele observou que a agulha de uma bússola defletia de sua posição de equilíbrio quando havia próximo a ela um fio condutor pelo qual passava uma corrente elétrica.

Idéia do Experimento

Se fizermos fluir num fio condutor de eletricidade uma corrente elétrica, criaremos em torno deste fio um campo magnético. Para verificarmos se o campo magnético foi criado, basta aproximarmos este fio a uma bússola. O papel da bússola neste experimento é o de um aparelho de teste, que vem confirmar a existência ou não do campo magnético.
Como sabemos, a agulha de uma bússola é um pequeno ímã, e como todo ímã é atraído ou repelido quando aproximado de outro ímã ou um campo magnético.
Portanto, se o campo magnético foi criado no fio, ao aproximá-lo da bússola, sua agulha defletirá da sua posição, sendo esta atraída ou repelida por este fio.
Com as infomações acima já é possível realizar este experimento e verificar que todo fio condutor, quando atravessado por uma corrente elétrica, cria em torno de si um campo magnético. Mas você perceberá que dependendo da posição do fio em relação à agulha da bússola, ela girará para um lado ou para outro; ou se invertermos o sentido da corrente, ela inverterá o sentido da deflexão.
Caso as informações acima forem suficientes para você, passe para a leitura das Seções Tabela de Materiais e Procedimento de Montagem. Mas se você quer saber mais sobre este efeito magnético, e saber porque ora a agulha deflete para um lado ora para outro, continue lendo esta seção. Daqui por diante daremos uma explicação mais detalhada do campo magnético gerado por um fio condutor.
Um ímã não interage com cargas elétricas estacionárias. Mas quando estas cargas estão em movimento, surge uma interação entre o ímã e o fio que as conduz. Isso se dá porque um fio condutor quando percorrido por uma corrente elétrica, gera em torno de sí um campo magnético, de mesma natureza que daquele de um ímã natural.
Um ímã, como a agulha da bússola, possui dois polos magnéticos, norte e sul. Quando o campo magnético de dois ímãs naturais interagem, o polo sul de um ímã é atraido pelo polo norte do outro e vice e versa. Da mesma forma, polos iguais se repelem. Por isso, a agulha de uma bússola possui uma orientação preferencial: seus polos norte e sul estão sendo atraídos pelos polos sul e norte do campo magnético da Terra. Por convenção as bússolas apontam para o polo norte magnético da Terra. Assim, uma marca é feita no polo sul da agulha da bússola.
Quando outro campo magnético, além do da Terra, se aproxima da agulha da bússola, este campo passa a interagir com esta, fazendo que sua agulha seja atraída ou repelida por este segundo campo. Por isso usamos a bússola como "verificador" da existência de um campo magnético, quando desconfiamos que algum objeto está imantado.
Logo, se usarmos este raciocínio, podemos com a bússola verificar se há um campo magnético em torno de um fio condutor, quando por este passar uma corrente elétrica.
Mas antes de verificarmos experimentalmente, devemos atentar para algumas informações importantes quanto às caracteristicas do campo magnético deste fio.

Pela convenção do eletromagnetismo, a orientação das linhas do campo magnético é "saindo" do polo norte e "entrando" no polo sul. Veja a figura abaixo.



• O campo magnético que se forma em torno do fio é circular, ou seja, podemos imaginar linhas de campo circulares concêntricas que tem uma determinada orientação.



• Existe uma regra para descobrirmos qual é o sentido do campo magnético no fio condutor, ou seja, será possível descobrir para onde apontam as linhas de campo. Com isso, é possível prever para que lado irá girar a agulha da bússola quando interagir com o campo. Esta regra é conhecida com regra da mão direita, e funciona da seguinte forma: com o polegar apontando no sentido da corrente, que flue do polo positivo para o polo negativo da pilha, flexione os demais dedos fazendo um movimento circular no sentido de fechar a mão. O sentido do campo terá o mesmo sentido de rotação dos demais dedos. Ou seja, imagine que a ponta dos seus dedos, excluindo -se o polegar são setas que apontam para o norte. Então pode-se imaginar que a ponta de seus dedos irá repelir o norte e atrair o sul da agulha da bússola.como mostra a figura.



• Agora, com estas informações, é possível endender o porquê que a agulha da bússola gira para um lado ou para outro, dependendo da forma como se aproxima o fio da agulha da bússola. E ainda entender por que a agulha da bússola gira para o sentido oposto quando inverte-se a polaridade da bateria (invertendo o sentido da corrente). Se a a agulha da bússola estiver em repouso, sem interferência de um campo magnético próximo, ela estará apontando no sentido norte-sul magnético da Terra, como já foi dito. Então, se raciocinarmos em termos de linhas de campo, e se a orientação das linhas de campo geradas pelo fio que atuam sobre a agulha estiverem apontando para o polo norte da agulha da bússola (que por sua vez aponta para o polo sul da Terra), esta será repelida pela ação deste campo magnético. E se estiver apontando para o sul da agulha, esta será atraída pela ação deste campo. Veja a figura abaixo.



Para a verificação da deflexão da agulha da bússola, devido a influência do campo magnético gerado pelo fio condutor, coloque a parte reta do fio sobre a bússola no mesmo sentido da agulha, quando esta está em repouso em relação à Terra, antes de ligar a corrente elétrica. Veja a figura abaixo.



Ao ligar o fio a uma pilha, uma corrente elétrica será estabelecida. Então a agulha da bússola vai tender a assumir uma direção ortogonal à direção do fio, acompanhando o campo do fio. Esta deflexão pode ser para um lado ou outro do fio, dependendo da direção em que está fluindo a corrente elétrica (regra da mão direita). Veja figura abaixo.

O quanto a agulha vai defletir dependerá da intensidade do campo magnético gerado pelo fio. Logo, se a intensidade do campo magnético for pequena, a agulha fará uma pequena abertura e se a intensidade do campo magnético for alta, a agulha tenderá a ficar com uma abertura perpendicular ao fio. A intensidade do campo gerado pelo fio é diretamente proporcional à corrente que passa por esse. Não se recomenda trabalhar com correntes elétricas intensas, nem tampouco com grandes tensões. A corrente elétrica de uma ou mais pilhas comuns a uma voltagem de 1.5 volts cada são suficientes para a verificação experimental.
Efeito similar se dá quando o fio ao invés de estar sobre a bússola no sentido norte-sul, estiver perpendicular à bussola. Neste caso a agulha permanece na mesma posição, ou a inverte completamente. E o raciocínio para verificar se o sentido de rotação da agulha da bússola é coerente, é aplicar a regra da mão direita.

Tabela do Material

Item	Observações
Um pedaço de fio condutor	Aproximadamente 10 cm de fio elétrico comum. Pode ser encontrado em casa de materiais elétricos ou eletrônicos ou então retirados de enrolamentos elétricos velhos. Ou retirados de aparelhos elétricos ou eletrônicos fora de uso.
Pilha	1 pilha comum de 1,5 volts será suficiente.
Bússola	Verifique o funcionamento da bússola antes de usá-la ou faça uma (veja a seção de comentários).
Porta Pilhas e Fios de Conexão (jacaré)	Estes equipamento são opcionais. O funcionamento do experimento não será prejudicado, na falta destes.

Montagem

• Coloque a bússola sobre uma mesa plana e longe da influência de campos magnéticos que não o terrestre, como o de alto-falantes, por exemplo.
• Coloque o fio sobre a bússola, no sentido de sua agulha.
• Ligue o fio na pilha.

Comentários

• Tome cuidado com os alto-falantes, pois eles contém ímãs bastantes fortes e o campo gerado por eles atrapalhará o experimento, caso haja algum por perto.
• Inverta a polaridade da pilha e veja a deflexão da agulha para o outro lado.
• O consumo de pilha é alto, pois, a corrente elétrica não tem resistência no percurso, ou seja, o circuito está em curto. Por isso, é aconselhável não deixar o circuito fechado por muito tempo desligando-o a cada demonstração. Outra maneira de resolver este problema é colocar uma resistência no circuito. Uma lâmpada de lanterna seria um bom resistor, mas daí serão necessárias duas pilhas, visto que uma lâmpada necessita de no mínimo 1,5 volts.
• Caso você não consiga uma bússola para a realização do experimento, é possível construir uma. Para isso você vai precisar de um copo comum com água, um agulha de costura fina, uma rolha e um ímã natural. Siga os passos seguintes:
1-Primeiro deve-se imantar a agulha de costura, passando-se o ímã natural várias vezes na agulha de costura, sempre na direção do seu comprimento e no mesmo sentido. Para saber se agulha já está bem imantada, aproxime-a de algum objeto metálico e verifique se há atração ou repulsão.
2-Corte uma fatia circular bem fina da rolha. Esta fatia de rolha serve para permitir que a agulha de costura possa flutuar sobre a água.
3-Atravesse ou cole no disco circular de rolha já cortado, a agulha.
4-Coloque o disco circular de rolha com agulha em um copo cheio de água.
5-Verifique por algum método se sua bússola está funcionando, comparando a direção para onde a agulha está apontando com alguma referência. Sem outros campos magnéticos por perto, ela deve se orientar na direção norte-sul.
6-Veja a figura de como fica a construção desta bússola.

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Esquema Geral de Montagem:

9. MOTOR ELÉTRICO

Motor Elétrico

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Objetivo

Neste experimento vamos construir um sistema simplificado de motor de corrente contínua.Trata-se de uma aplicação de grande importância de eletricidade e magnetismo.

Contexto

O motor elétrico funciona com base na repulsão entre imãs, um natural e outro não-natural, neste nosso exemplo.

Idéia do Experimento

O imã não-natural neste experimento é uma bobina.
O conveniente de se usar imãs não naturais num motor elétrico é a possibilidade de se manipular (inverter) os polos magnéticos.
O funcionamento deste motor elétrico pode ser explicado em alguns passos (acompanhe pela figura abaixo):
1) Num primeiro momento, os fios raspados estão em contato com as tiras e a corrente elétrica cria um campo magnético na bobina. Esta bobina por ter liberdade de rotação entra em movimento, para se livrar da repulsão do imã comum, que está fixo à sua frente.
2) Em um quarto de volta, a bobina está parcialmente em contato com as tiras e o campo magnético começa a perder sua força. Não deixando assim que a atração do polo sul da bobina pelo polo norte do imã comum seja forte o suficiente para frear o movimento.
3) Quando a bobina completa meia volta, começaria o processo inverso. Ou seja, deveria existir um campo atrativo entre a bobina e o imã. Mas isso só aconteceria se os contatos estivessem ligados. Este contato não é estabelecido, pois, esta atração frearia ou cessaria o movimento adquirido no primeiro momento.
4) Completando-se mais um quarto de volta, o contato com as tiras começa a se reestabelecer e o campo magnético a ganhar força. Neste momento a bobina começa a ser repelida pelo imã comum. Dado o movimento que a bobina já possui, este ganha nova aceleração.
5) Volta-se à posição inicial e o ciclo recomeça.
Assim o processo continua periodicamente, enquanto existir corrente elétrica passando pela bobina.

Tabela do Material

Item	Observações
Um pedaço de fio de cobre esmaltado	Aproximadamente um metro de fio (nº26). Pode ser encontrado em casa de materiais elétricos ou eletrônicos ou então retirados de enrolamentos elétricos velhos.
Tiras de lata	Neste experimento foi utilizado presilhas de lata das pastas de cartolina que são vendidas em papelarias.
Pilhas	Acrescentar pilhas, ligadas em série, conforme a necessidade da montagem.
Imã	Quanto mais intenso for o campo magnético melhor. Pode ser retirado de alto falantes velhos ou encontrado em lojas de ferro velho.
Pedaço de madeira	Servirá como base para a montagem.

Montagem

• Para fazer a bobina enrola-se o fio de cobre num cano ou qualquer outro objeto cilindrico, com cerca de 3 cm de diâmetro. Deve-se deixar livre duas pontas de aproximadamente 2 cm de comprimento, em cada extremidade.
• A raspagem do esmalte do fio de cobre nas extremidades, deve ser feito da seguinte maneira: primeiro, deve-se raspar com uma lâmina todo o esmalte de uma das extremidades, dando uma volta completa. A outra extremidade, só é raspado o esmalte de meia volta do fio. Isso porque em um plano ambas extremidades estão raspadas, e em contato com as tiras, dando contato para a passagem de corrente elétrica. E consequentemente no outro plano, somente uma das extremidades em contato com as tiras estará raspada, não permitindo assim a passagem de corrente elétrica. E consequentemente não gerando campo magnético em torno da bobina.

• Para fazer os suportes da bobina utiliza-se tiras de lata , dando-lhes o formato indicado na figura a seguir e prendendo-as a uma base de madeira;

• Coloque a bobina sobre o suporte, verificando se ela pode girar livremente. Se isso não ocorrer, alinhe as extremidades da bobina de modo que elas fiquem bem retas e opostas e veja se as depressões nos suportes estão em linha reta, no mesmo nível e do mesmo tamanho;
• Ligue com fios de cobre cada uma das lâminas do suporte a uma extremidade da(s) pilha(s), prestando atenção para não deixar a faixa esmaltada das extremidades da bobina em contato com o suporte.

• Posiciona-se um imã sobre um suporte qualquer de forma que fique aproximadamente na mesma altura da bobina. Se o contato com a pilha for estabelecido e a bobina não girar, talvez seja preciso, no início, girar a bobina manualmente (dar um empurrãozinho).

Comentários

• Dada a simplicidade do motor, para funcionar, ele é dependente das dimensões e materiais usados. Portanto, algumas tentativas talvez sejam necessárias até que o motor funcione adequadamente.
• Outra característica deste motor é que há determinadas combinações de formas diferentes de se ligar os polos da bateria às tiras e mesmo da posição da espira sobre as tiras. Mas algumas poucas tentativas devem levar a uma das combinações corretas.

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Esquema Geral de Montagem:

Dê uma olhada nesse vídeo, explica bem como se faz:

http://www.youtube.com/watch?v=Mdc4D8idxEs