Especificações de eletroimãs de guindastes

 

     Sabemos que quando os elétrons livres de um átomo se movimentam, eles criam uma corrente elétrica muito pequena, de escala microscópica, dando origem a um campo magnético também muito pequeno. Desta forma podemos dizer que cada átomo equivale a um pequeno ímã.

      Em um objeto de metal, uma barra de ferro, por exemplo, que não esteja magnetizado, os ímãs elementares que comparamos a cada átomo que constitui o objeto estão orientados de forma variada, como mostra a figura b. Por estarem dessa forma, os campos magnéticos, que cada ímã elementar cria, tendem a se anular com os outros campos magnéticos dos outros ímãs elementares, resultando assim em um metal sem qualquer efeito magnético.
 

      Ao colocarmos uma barra metálica dentro de um campo magnético, por exemplo, no interior de um solenoide, o campo magnético do solenoide atuará sobre cada um dos ímãs elementares dos átomos, deixando-os orientados. Então quando expomos esse metal a um campo magnético, os campos magnéticos dos átomos juntam-se, deixando-o mais intenso, e o material passa a apresentar efeitos magnéticos que percebemos ao aproximarmos o metal a pequenos materiais, que são atraídos.

      Desta forma, podemos dizer que a substância está imantada ou magnetizada. Logo, para que tenhamos uma barra de ferro comum semelhante a um ímã, basta reorientar os ímãs elementares constituídos pelos átomos.

Regra da mão direita e regra da mão esquerda

A Regra da mão direita

Ao nos depararmos com um problema que envolve o campo magnético gerado por uma corrente elétrica, geralmente encontramos dificuldades para determinar a direção e o sentido do vetor indução .
De acordo com o Experimento de Oersted, ao se colocar uma bússola próxima a um fio percorrido por uma corrente elétrica, a agulha dessa bússola sofre um desvio. Assim, Oersted concluiu que, a exemplo dos imãs, toda corrente elétrica gera, no espaço ao seu redor, um campo magnético.

A grande pergunta é: Qual a direção e o sentido de desvio dessa agulha?

A forma mais fácil para se determinar essa direção e sentido é a utilização da regra da mão direita.

Observe a figura abaixo:

O polegar está indicando o sentido da corrente elétrica que está atravessando o fio, enquanto os demais dedos estão dobrados envolvendo o condutor em uma região onde seria colocada a bússola. Observamos aqui que os dedos indicam o giro do polo norte da agulha da bússola.

Esse sentido é o mesmo do vetor indução magnética , gerado pela corrente elétrica.

Veja os exemplos:

1) Um condutor, quando percorrido por uma corrente elétrica i, situa-se, no plano da tela do seu monitor, próximo a um ponto P (à direita do condutor).

Concluímos que o vetor  no ponto P está entrando no plano da tela. A representação do vetor entrando no plano da tela é:

2) O condutor percorrido pela corrente elétrica i e o ponto P (à esquerda do condutor) estão situados no mesmo plano da tela de seu monitor. Pela regra da mão direita, podemos concluir que o vetor , no ponto P, está saindo do plano da tela.

A representação do vetor saindo do plano da tela é: .

Podemos então concluir que o vetor campo magnético  é perpendicular a P. Em outras,  é perpendicular ao plano da palma da mão direita espalmada.

Regra da mão esquerda e Força de Lorentz

Uma carga em movimento () está sempre associada a um campo magnético ao seu redor - e essa mesma carga () pode sofrer a influência de um campo magnético associado à outra carga também em movimento (), por meio de uma interação denominada força magnética.

É importante destacarmos que o campo magnético associado à carga também pode influenciar o movimento da carga .

Os campos são, na verdade, os mediadores das interações entre essas cargas.

O movimento de uma carga ou de uma corrente elétrica pode ser obtido também pela ação de um campo elétrico externo que sirva como mediador da ação de uma força elétrica. Sobre essa questão, é interessante estudar os conceitos de força elétrica e campo elétrico.

A força que age numa carga em movimento submetida à presença de um campo elétrico é determinada pela Lei de Coulomb; e a que age devido à presença de um campo magnético é denominada força magnética de Lorentz.

Regra da mão esquerda e Força de Lorentz

Por ser uma grandeza vetorial, para que essa força seja bem caracterizada, ela necessitará de:

Direção e sentido: a direção da força magnética é perpendicular à direção da velocidade com que a carga é inserida no campo magnético e, também, ao próprio campo magnético. Esse é um aspecto que diferencia a força magnética das forças radiais, que possuem direção de atuação coincidente com a reta que passa pelo centro dos corpos em interação, como no caso da força gravitacional.

No que se refere ao sentido da força magnética, ele pode ser determinado pela regra da mão esquerda, de Fleming. Para utilização dessa regra, o dedo polegar representa o sentido da força magnética (), o dedo indicador representa o sentido do campo magnético (), formando um ângulo de 90° com o polegar, e, por sua vez, o dedo médio representa o sentido da velocidade (), formando um ângulo de 90° com o dedo polegar e com o indicador. Ou seja, as três grandezas vetoriais são perpendiculares entre si. Veja a figura a seguir:




Observação: o sentido dessa força magnética é para uma carga positiva. No caso de uma carga negativa, a direção será a mesma, mas o sentido da força será contrário ao dado pela regra da mão esquerda (em vez de apontar para unha, apontará para dentro da mão).

Intensidade (módulo): considerando a velocidade adquirida (em função de um campo elétrico externo) por uma carga inserida em um campo magnético , que possibilita o surgimento de uma força magnética que atuará nessa mesma carga, a intensidade desta força será obtida por:




Onde é o ângulo formado entre as direções de e .

A força magnética será maior quanto maiores forem as intensidades da carga e a velocidade dela - e também a do campo magnético onde ela é inserida.

Observação: por essa expressão matemática, podemos perceber que a força magnética será nula em duas situações:

1º) quando a carga estiver em repouso ( = 0); e

2º) quando o sentido da velocidade for paralelo ao sentido do campo magnético (neste caso, o ângulo entre eles será 0° e sen 0° = 0).

Quando uma carga está submetida, simultaneamente, a um campo elétrico e a um campo magnético, a força que atua sobre ela será a resultante de duas parcelas: uma elétrica () e outra magnética ():

Força de Lorentz



Onde representa a intensidade do campo elétrico, representa a força atuante na carga devido à ação do campo elétrico e representa a ação do campo magnético.

A relação entre cargas elétricas e campos magnéticos

      Por meio de suas experiências, Öersted descobriu que a corrente elétrica em um fio condutor está associada ao campo magnético existente ao redor desse fio. Depois, Faraday e Henry descobriram que a variação de um campo magnético é o que induz uma corrente elétrica em um condutor. Dessa forma, estabeleceu-se definitivamente uma relação entre eletricidade e magnetismo, nascendo o eletromagnetismo. Foram enormes as aplicações práticas e os desenvolvimentos tecnológicos que surgiram a partir daí, bem como suas implicações na vida das pessoas.
         Nos é familiar o fato de que dois imãs, quando aproximados um do outro, exercem um sobre o outro uma força. Esta força pode ser atrativa ou repulsiva e consequentemente um imã pode perceber a presença de um outro imã sem tocá-lo. Os imãs, em geral, são construídos em formato de barras ou bastões, tendo duas extremidades ou faces, chamados pólos. O campo magnético é mais intenso nas proximidades desses pólos ou extremidades. Eles são conhecidos por pólo Norte e pólo Sul. Se o pólo norte de um imã é colocado perto de outro pólo norte, a força entre eles será repulsiva. Similarmente, se dois pólos Sul são aproximados um do outro aparecerá uma força de repulsão entre eles. Mas, quando um pólo norte é posto nas proximidades de um pólo sul a força entre eles é atrativa. Este fenômeno lembra-nos as interações entre cargas elétricas; cargas de mesmo sinal se repelem e de sinais opostos se atraem. Mesmo tendo este similaridade não confundam pólos magnéticos com cargas elétricas. Elas não são equivalentes, apesar destes conceitos estarem de certa forma ligados.
        Apesar das similaridades entre algumas propriedades elétricas e magnéticas da matéria, elas têm muitas divergências: A força elétrica, entre cargas, age independentemente do movimento das partículas carregadas, mesmo as cargas estando em repouso a força elétrica continua existindo. Alem disso a direção da força elétrica tem sempre a mesma direção do campo elétrico. Por outro lado, a força magnética depende da velocidade relativa entre as cargas e o campo magnético é perpendicular a força sobre um das partículas.
- A força magnética é sempre perpendicular a velocidade da partícula carregada :

                                                                                        

- Existe um orientação particular da força F_m em relação a velocidade v . Isto é, existe uma linha no espaço ao longo da qual a partícula pode se mover sem sofre a ação da força magnética, esta linha é denominada linha de campo magnético.

                                            

Consequentemente isto estabelece uma forma de determinar a direção do campo magnéticoB. - A força magnética é proporcional à magnetude da carga elétrica

                                                                                     

Isto significa que uma carga elétrica negativa se movendo no mesmo sentido de uma carga
           positiva produz uma força no sentido oposto aquela produzida pela carga positiva.
- Para todas as direções da velocidade v, a magnitude de F_m é diretamente proporcional a componente de v dada por v senq , ou

                                                           

onde q é o ângulo entre o sentido e direção de v e o sentido e direção do campo magnético B. Dessa forma a força F_m será igual a zero quando q = 0 (ou 180^o), isto é os vetores v e B estão paralelos. - A força magnética formará sempre um ângulo reto, ou é perpendicular, ao plano formado pelos vetores v e B.   
 Vale lembrar também que o módulo da força magnética sobre a partícula é dado por

          F = q v B sen(q)