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Vídeo da aula: Campos Magnéticos Produzidos por Correntes Elétricas Física • 9º Ano

Neste vídeo, vamos aprender como descrever o campo magnético que é produzido por um cabo condutor de corrente elétrica.

14:48

Transcrição do vídeo

Esta aula sobre os campos magnéticos produzidos por correntes elétricas vai nos mostrar como é que estes campos se parecem quando são produzidos por diferentes organizações de correntes. Veremos como desenhar os campos magnéticos. E também aprenderemos como se tornam mais fortes.

Podemos começar por pensar nisto, uma única carga elétrica. Sabemos que esta carga cria um campo elétrico à sua volta. E também sabemos que se a colocarmos em movimento, esta criará um campo magnético. Carga em movimento, quando estamos a falar de muitas cargas a mover-se em conjunto, é uma descrição realmente boa de corrente elétrica. Toda esta carga em movimento cria um campo magnético à volta do cabo que percorre. Para ter uma ideia de como isto se parece, podemos ter uma visão do fim deste cabo. Desta perspetiva, o cabo ficará assim, com a carga elétrica negativa a fluir na nossa direção. Neste ângulo, parece que está a sair do ecrã.

Podemos supor que o campo magnético à volta do cabo parece-se com o campo elétrico criado por uma única carga. Ou seja, talvez pensemos que seria algo assim, a apontar radialmente para fora do cabo. Mas, na verdade, o campo magnético tem um aspeto muito diferente. Na verdade, é assim, como um monte de circunferências centradas no cabo condutor. Desenhámos apenas três destas circunferências aqui. Mas, na verdade, o campo magnético estende-se infinitamente para longe do cabo. Então, poderíamos ter desenhado mais. Desenhámos apenas três para dar uma ideia de como é o campo.

Observe algumas coisas sobre este campo magnético. Por um lado, tem um sentido. Cada linha do campo magnético tem uma seta, que mostra para onde aponta. Outra coisa a ver é se olharmos para o sentido do fluxo de carga elétrica ao longo deste eixo do condutor, veremos que a direção em que a carga se move é sempre perpendicular à direção do campo magnético. E é sempre assim que acontece. O campo magnético produzido por uma carga em movimento aponta sempre perpendicularmente a este movimento. De qualquer forma, como dissemos, o campo magnético ficará assim, se olharmos para a extremidade do condutor.

Na perspetiva de lado, estas linhas de campo seriam mais ou menos assim. O facto de destas linhas de campo magnético terem um sentido particular leva-nos à primeira regra importante que queremos aprender. Esta regra é chamada de regra da mão direita porque utilizamos a nossa mão direita nela. E o seu objetivo é mostrar o sentido do campo magnético. É assim que esta regra funciona quando temos um condutor transportador de corrente direto.

Primeiro, pegamos na nossa mão direita e colocamo-la nesta linha de corrente. Em seguida, apontamos o polegar no sentido em que a corrente convencional viaja neste cabo. E é importante ter certeza de que estamos a apontar nesse sentido, no sentido do fluxo de carga positiva no cabo. Então, o que fazemos é enrolar os nossos dedos à volta do cabo. É nesse sentido que os nossos dedos se curvam que mostra em que sentido o campo magnético aponta ao longo do cabo. Assim que soubermos isso, podemos começar a desenhar mais linhas de campo magnético. É assim que a regra da mão direita funciona quando temos uma linha de corrente.

Vamos tentar esta regra aqui. Primeiro, podemos estender um pouco o nosso condutor. Em seguida, pegamos na nossa mão direita, colocamo-la sobre o cabo e apontamos o nosso polegar no sentido do fluxo de corrente convencional. Observe que, neste cabo, temos carga negativa a fluir para a direita. Isso significa que temos carga positiva a fluir efetivamente para a esquerda. Este é o sentido da corrente convencional. Então, é assim que apontamos o nosso polegar. Então, o que fazemos é enrolar os nossos dedos à volta do cabo. E o sentido em que os nossos dedos se curvam é o sentido que o campo magnético tomará à volta deste cabo. Portanto, vemos que a maneira como traçamos estas linhas de campo magnético está de acordo com esta regra da mão direita.

Agora, esta versão particular da regra da mão direita aplica-se apenas ao caso em que a corrente se está a mover em linha reta. Mas podemos pensar noutras maneiras as quais a corrente pode fluir. Digamos que, em vez da corrente fluir em linha assim, pegámos nas extremidades deste condutor quando as unimos. Fazer isso dar-nos-ia um loop de corrente como este. A questão então é como é que se parece o campo magnético criado por este loop.

Uma maneira de pensar nisto é dividir este loop em muitos segmentos muito pequenos. Cada um destes segmentos é tão pequeno que poderíamos pensar neles como uma linha reta e, em seguida, aplicar a nossa regra da mão direita anterior. Este método funcionaria. Mas se estamos interessados apenas no campo magnético no centro deste loop que transporta corrente, então há outra maneira de fazer isso. Esta outra forma envolve o que poderíamos chamar de versão dois da regra da mão direita.

Nesta versão, descobrimos o sentido do campo magnético criado no ponto central de um cabo condutor de corrente. O processo é assim. Etapa um, desenhe um eixo que passa perpendicularmente pelo centro deste loop condutor de corrente. Passo dois, peguemos na nossa direita mão e colocamo-la neste eixo imaginário, de tal forma que os nossos dedos se possam enrolar em torno do eixo no mesmo sentido que a corrente passa pelo loop.

Quando tivermos feito isto e dobrado os nossos dedos em torno deste eixo imaginário, o nosso polegar apontará no sentido do campo magnético que passa pelo centro deste loop. Se aplicamos esta regra da mão direita ao nosso loop aqui, como o nosso primeiro passo, desenharemos um eixo que passa perpendicular ao plano deste loop condutor de corrente. E passa pelo centro do loop. Nesta perspetiva, o eixo seria apenas parecido com isto. Entra e sai do ecrã.

Em seguida, pegamos na nossa mão direita, neste caso, é preciso um pouco de torção, e colocamo-la naquele eixo imaginário, de tal forma que os nossos dedos se possam enrolar em torno do eixo no mesmo sentido em que a corrente flui no nosso loop. Então, quando dobramos os nossos dedos, o nosso polegar, é esta parte bem aqui, aponta no sentido do campo magnético. O nosso polegar aqui está a apontar para o ecrã. Isso significa que o campo magnético criado por este loop aponta para o ecrã no centro do loop.

Esta é uma maneira rápida, um atalho para determinar o sentido do campo magnético à medida que vai para o centro de um loop condutor de corrente. Se tivéssemos tentado a nossa ideia anterior de dividir este loop em segmentos de reta muito pequenos, o que poderíamos fazer é seguir segmento por segmento. Então, começamos aqui. E considerando este segmento de reta, passa ao longo de uma linha que se parece com isto. Claro, a maior parte desta linha que traçámos não é real. A única parte que realmente existe é a parte real do círculo.

E então, sabendo que a corrente convencional viaja ao longo desta linha neste sentido, poderíamos pegar na nossa mão direita, colocá-la nesta linha, com o nosso polegar a apontar no sentido do fluxo da corrente e, em seguida, enrolar os nossos dedos em torno desta linha. Este sentido da ondulação mostra-nos o sentido do campo magnético que seria criado por este segmento de reta muito pequeno do cabo. Podemos ver que, de acordo com este sentido, se seguirmos este sentido no centro do loop, isso implicaria um campo magnético que vai para dentro do ecrã. Claro, este é apenas o campo magnético criado por um segmento muito pequeno deste loop circular.

Mas se fizéssemos a mesma coisa com outro segmento, digamos este aqui, então desenharíamos uma linha a representar como aquele segmento, se o prolongássemos, se pareceria como uma linha de corrente. Então, mais uma vez, colocamos a nossa mão direita nesta linha para que o nosso polegar possa apontar no sentido do fluxo da corrente. E a seguir, mais uma vez, enrolamos os nossos dedos em torno desta linha.

Observe que, também para este segmento de reta, se seguirmos o sentido da curvatura no centro deste loop, isso também implica o campo magnético que vai para dentro do ecrã. O que estamos a ver aqui é que se fizéssemos este loop, segmento muito pequeno de cada vez, e utilizássemos a nossa versão um, regra da mão direita, quando somamos os resultados de todos eles, obteríamos o que determinámos utilizando o nosso atalho da versão dois. E que é o campo magnético no centro deste loop aponta para o ecrã, dado este sentido da corrente. Este atalho que acabámos de aprender, a versão dois da regra da mão direita, torna-se especialmente útil quando estamos a trabalhar não apenas com um loop de corrente, mas com muitos.

Digamos que não tenhamos apenas um loop condutor de corrente. Mas temos uma pilha inteira destes organizados em linha. Empilhando todos estes loops juntos assim, com a corrente a passar no mesmo sentido por todos eles, chegamos bem perto de criar uma componente que aparece em circuitos elétricos. A maneira de criar a aparência real desta componente é unir todos estes loops uns aos outros. Então, vamos dizer que fazemos isso. Digamos que pegamos neste primeiro loop. Abrimo-lo. E a seguir, unimo-lo ao segundo loop. E, em seguida, a mesma coisa com o segundo loop, unimo-lo ao terceiro e o terceiro ao quarto e assim por diante, por toda a linha. Ao unir estes loops, criamos uma bobina de cabo, onde a corrente passa continuamente de uma extremidade à outra.

Quando encontramos esta estrutura particular num circuito elétrico, esta é chamada solenoide. E como vimos, um solenoide é essencialmente muitos loops portadores de corrente unidos em linha. E como é formado desta forma, podemos ter uma noção de como é o campo magnético de um solenoide, utilizando a nossa regra da mão direita. Vamos começar por focar neste primeiro loop de corrente no solenoide.

Se olharmos para aquele loop nesta perspetiva, colocando os nossos olhos neste ângulo, então aquele loop parecer-se-ia com isto. Basicamente, o lado direito deste loop corresponde a esta parte do primeiro loop no nosso solenoide. Esta parte do loop está mais próxima de nós quando o estamos a olhar nesta direção. E a seguir, a parte esquerda do loop corresponde a esta parte do loop no nosso solenoide, que está mais longe dos nossos olhos.

Para descobrir o campo magnético criado por este loop individual, bem no centro do loop, utilizaremos a nossa segunda versão da regra da mão direita. Esta versão diz-nos para começar a formar um eixo perpendicular no centro do loop. Este apontaria para dentro e para fora da página. Em seguida, pegamos na nossa mão direita. Colocamo-la neste eixo para que os nossos dedos se possam enrolar em torno do eixo no mesmo sentido da corrente flui no loop. Em seguida, curvando os nossos dedos neste sentido, o nosso polegar agora aponta no sentido em que o campo magnético aponta para o centro deste loop. Podemos ver que está no ecrã ou na página.

Agora, queremos desenhar esta linha de campo magnético no nosso diagrama do solenoide. Para fazer isso, encontraremos o ponto no centro deste primeiro loop. Este ponto está quase aí. Então, como o lado direito do loop nesta perspetiva corresponde a este lado do nosso lado da visão, isso significa que o campo magnético aponta do solenoide da esquerda para a direita. Ficaria assim, indo para trás do bordo frontal do loop e indo para a frente do bordo de trás. Agora, isto é bom. Mas lembre-se, nós só encontrámos o campo magnético para um dos muitos loops no nosso solenoide. Então, passamos para o segundo loop.

Mas observe algo. A corrente que passa por este segundo loop tem o mesmo sentido da corrente que passa pelo primeiro. Isso significa que o nosso diagrama aqui e a nossa aplicação da regra da mão direita ainda se aplicam agora que estamos a falar sobre o segundo loop no nosso solenoide. E isso significa que o campo magnético total criado no centro deste loop também aponta da esquerda para a direita.

Para mostrar a diferença entre estas duas linhas de campo, vamos desenhá-las com cores diferentes. Portanto, encontraremos o centro deste segundo loop. Parece estar mesmo aqui. E a seguir, desenharemos esta linha de campo a rosa. Em seguida, passamos para o terceiro loop no nosso solenoide. A corrente flui por este loop no mesmo sentido que nos dois primeiros. Portanto, o campo magnético também aponta para o mesmo sentido. Desenhamos esta linha de campo a verde.

Podemos ver que, à medida que seguimos a linha do nosso solenoide, atravessando todos os loops, obteremos o mesmo sentido do campo magnético nos seus centros. O que acontece então é que todos estes campos magnéticos individuais se somam num campo magnético geral ou total dentro da bobina. Combinando os campos no centro de cada um destes loops, esta linha de campo seria assim, a atravessar o núcleo do solenoide. A propósito, nesta linha de campo continuamos ao longo deste eixo mesmo fora do solenoide. Agora, neste ponto, obtivemos o sentido do campo magnético no centro geométrico exato deste solenoide. Mas há mais espaço entre estes loops do que apenas o seu centro.

Se desenharmos algumas outras linhas de campo que passam pelo núcleo do solenoide, estas podem ter esta aparência. Na verdade, são circuitos fechados, como estávamos acostumados a ver a formação de linhas de campo magnético. Neste ponto, o campo deste solenoide pode começar a parecer familiar. Digamos que tenhamos um íman permanente como esta barra de íman aqui. O campo magnético para esta barra magnética seria algo assim. Vendo a semelhança entre este campo e aquele criado pelo nosso solenoide, podemos dizer que, aqui em cima, com o nosso solenoide, criamos essencialmente um íman, mas utilizando corrente elétrica para isso. Ou seja, o campo magnético criado por esta corrente elétrica é essencialmente indistinguível do campo magnético criado por um íman.

Há um nome específico dado a dispositivos deste tipo. Este dispositivo é um eletroíman. Podemos ver como este nome faz sentido, eletro porque estamos a utilizar uma corrente elétrica para criar um íman, ou seja, um campo magnético que é essencialmente o mesmo que aquele criado por um íman. Agora, quando se trata de construir um eletroíman, fazer um para alguma aplicação, muitas vezes estamos interessados em aumentar a força do eletroíman, por outras palavras, tornar este campo magnético aqui, no núcleo do nosso solenoide, o mais poderoso possível.

Uma maneira de o fazer é adicionar o que é chamado de material magnetizável. Um material magnetizável é aquele que não é um íman. Mas se o colocar num campo magnético externo, torna-se um. Aqui, pegamos num material magnetizável, o ferro. E preenchemos o núcleo do nosso solenoide com aquele. Quando o fazemos, focamos e fortalecemos o campo magnético, às vezes cinco, dez ou até centenas de vezes mais forte do que antes.

Este tópico de materiais para fortalecer eletroímanes traz outro ponto. Quando pensamos em que materiais podemos utilizar para fazer isto, geralmente enquadram-se em duas classes diferentes. Na primeira classe de materiais, se aplicarmos um campo magnético externo nele, esse material, embora seja magnetizável, leva muito tempo para o exibir. O campo externo precisa de estar ativo por algum tempo antes que este material gere o seu próprio campo magnético interno. Este processo acontece muito lentamente. Mas se desligarmos o campo externo, então o campo gerado internamente persiste por muito tempo também. Estes materiais, que levam muito tempo para ganhar e perder um campo magnético induzido, são chamados de materiais magnéticos duros.

Por outro lado, se aplicarmos um campo externo a esta segunda classe de materiais, esta responderá muito rapidamente com o seu próprio campo induzido. Mas então, quando este campo externo se vai embora, o material também responde rapidamente, dissipando o seu campo interno. Esta segunda classe de materiais é composta pelos chamados materiais magnéticos moles. Isso significa que o campo interno ou induzido do material responde muito rapidamente a um campo externo.

Observe que estas descrições duras e moles não têm a ver com a dureza ou maciez relativa dos próprios materiais. Na verdade, não é incomum descrever o núcleo de ferro de um eletroíman como um núcleo de ferro macio. O que estes termos realmente se referem é a capacidade de resposta do material a um campo externo. Com base nas suas diferenças, existem aplicações diferentes para os dois tipos. Os materiais magnéticos duros são ótimos ímanes permanentes, enquanto os materiais magnéticos macios são excelentes como núcleos de coisas como transformadores.

Vamos agora resumir o que aprendemos sobre campos magnéticos produzidos por correntes elétricas. Nesta aula, vimos que as correntes elétricas criam campos magnéticos. Vimos três configurações de corrente diferentes, uma corrente a passar em linha reta e a corrente a passar por um loop circular. E, finalmente, considerando a união de muitos loops, vimos o que é chamado de solenoide. Em seguida, aprendemos como determinar o sentido dos campos magnéticos formados em torno destas correntes, utilizando algo chamado de regra da mão direita, que tem duas versões diferentes.

Também aprendemos o que é um eletroíman. É um íman criado pela corrente elétrica. E, finalmente, aprendemos sobre materiais magnéticos duros e macios. Vimos que os materiais magnéticos duros são aqueles que respondem lentamente a campos externos. E os materiais magnéticos macios respondem rapidamente.

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