Como funcionam os campos magnéticos?

Contente

• Ciência dos Campos Magnéticos
• Como você determina o campo magnético?
• Tipos de ímãs
• Força magnética
• Campos Magnéticos e Campos Elétricos
• Produto cruzado de campo magnético
• Campo magnético na vida cotidiana

••• Syed Hussain Ather

Campos magnéticos descreva como a força magnética é distribuída pelo espaço ao redor dos objetos. Geralmente, para um objeto que é magnético, as linhas do campo magnético viajam do pólo norte para o pólo sul, da mesma forma que para o campo magnético da Terra, conforme mostrado no diagrama acima.

A mesma força magnética que faz os objetos grudarem nas superfícies do refrigerador é usada no campo magnético da Terra que protege a camada de ozônio dos ventos solares nocivos. O campo magnético forma pacotes de energia que impedem a camada de ozônio de perder dióxido de carbono.

Você pode observar isso despejando limalhas de ferro, pequenos pedaços de ferro em pó, na presença de um magnético. Coloque um ímã sob um pedaço de papel ou uma leve folha de pano. Despeje as limalhas de ferro e observe as formas e formações que elas tomam. Determine quais linhas de campo teriam que ser necessárias para que os registros se organizem e se distribuam assim, de acordo com a física dos campos magnéticos.

Quanto maior a densidade das linhas do campo magnético traçadas de norte a sul, maior a magnitude do campo magnético. Esses pólos norte e sul também determinam se os objetos magnéticos são atraentes (entre os pólos norte e sul) ou repulsivos (entre pólos idênticos). Os campos magnéticos são medidos em unidades de Tesla, T.

Ciência dos Campos Magnéticos

Como os campos magnéticos se formam sempre que as cargas estão em movimento, os campos magnéticos são induzidos a partir da corrente elétrica através dos fios. O campo fornece uma maneira de descrever a força potencial e a direção de uma força magnética, dependendo da corrente através de um fio elétrico e da distância que a corrente percorre. Linhas de campo magnético formam círculos concêntricos ao redor dos fios. A direção desses campos pode ser determinada através da "regra da mão direita".

Essa regra informa que, se você colocar o polegar direito na direção da corrente elétrica através de um fio, os campos magnéticos resultantes estarão na direção de como os dedos das mãos se enrolam. Com maior corrente, maior campo magnético é induzido.

Como você determina o campo magnético?

Você pode usar diferentes exemplos de regra da mão direita, uma regra geral para determinar a direção de diferentes quantidades envolvendo campo magnético, força magnética e corrente. Essa regra prática é útil para muitos casos de eletricidade e magnetismo, conforme determinado pela matemática das quantidades.

••• Syed Hussain Ather

Esta regra do lado direito também pode ser aplicada na outra direção para um solenóideou uma série de corrente elétrica enrolada em fios ao redor de um ímã. Se você apontar o polegar da mão direita na direção do campo magnético, os dedos da mão direita serão enrolados na direção da corrente elétrica. Os solenóides permitem aproveitar o poder do campo magnético através de correntes elétricas.

••• Syed Hussain Ather

Quando uma carga elétrica viaja, o campo magnético é gerado à medida que os elétrons que giram e se movimentam se tornam objetos magnéticos. Elementos que possuem elétrons não emparelhados em seus estados fundamentais, como ferro, cobalto e níquel, podem ser alinhados para formar ímãs permanentes. O campo magnético produzido pelos elétrons desses elementos permite que a corrente elétrica flua através desses elementos mais facilmente. Os próprios campos magnéticos também podem se anular se forem iguais em magnitude em direções opostas.

Corrente que flui através de uma bateria Eu emite um campo magnético B no raio r de acordo com a equação para Ampères law: B = 2πr μ_{0 ​}Eu Onde μ₀ é a constante magnética da permeabilidade ao vácuo, 1,26 x 10^-6 H / m ("Henries por metro", em que Henries é a unidade de indutância). Aumentar a corrente e se aproximar do fio aumenta o campo magnético resultante.

Tipos de ímãs

Para que um objeto seja magnético, os elétrons que o compõem devem poder se mover livremente e entre átomos no objeto. Para que um material seja magnético, átomos com elétrons não pareados do mesmo giro são candidatos ideais, pois esses átomos podem emparelhar-se entre si para permitir que os elétrons fluam livremente. Testar materiais na presença de campos magnéticos e examinar as propriedades magnéticas dos átomos que os produzem podem falar sobre seu magnetismo.

Ferromagnets tem essa propriedade que eles são permanentemente magnéticos. Paramagnets, por outro lado, não exibirá propriedades magnéticas, a menos que na presença de um campo magnético forre os spins dos elétrons para que eles possam se mover livremente. Diamagnets possuem composições atômicas de modo que não são afetadas por campos magnéticos ou são apenas muito pouco afetadas por campos magnéticos. Eles têm nenhum ou poucos elétrons não emparelhados para permitir que as cargas fluam.

Os paramagnetos funcionam porque são feitos de materiais que sempre têm momentos magnéticos, conhecidos como dipolos. Esses momentos são sua capacidade de se alinhar com um campo magnético externo devido à rotação de elétrons não emparelhados nos orbitais dos átomos que produzem esses materiais. Na presença de um campo magnético, os materiais se alinham para se opor à força do campo magnético. Os elementos paramagnéticos incluem magnésio, molibdênio, lítio e tântalo.

Dentro de um material ferromagnético, o dipolo dos átomos é permanente, geralmente como resultado do aquecimento e resfriamento do material paramagnético. Isso os torna candidatos ideais para eletroímãs, motores, geradores e transformadores para uso em dispositivos elétricos. Os diamagnetos, por outro lado, podem produzir uma força que permite que os elétrons fluam livremente na forma de corrente que, então, cria um campo magnético oposto a qualquer campo magnético aplicado a eles. Isso cancela o campo magnético e impede que eles se tornem magnéticos.

Força magnética

Os campos magnéticos determinam como as forças magnéticas podem ser distribuídas na presença de material magnético. Enquanto os campos elétricos descrevem a força elétrica na presença de um elétron, os campos magnéticos não possuem essa partícula análoga sobre a qual descrever a força magnética. Os cientistas teorizaram que um monopolo magnético pode existir, mas não existem evidências experimentais para mostrar que essas partículas existem. Se existissem, essas partículas teriam uma "carga" magnética da mesma maneira que as partículas carregadas têm cargas elétricas.

Resultados da força magnética devido à força eletromagnética, a força que descreve os componentes elétricos e magnéticos de partículas e objetos. Isso mostra como o magnetismo intrínseco é o mesmo fenômeno da eletricidade, como o campo atual e o elétrico. A carga de um elétron é o que faz com que o campo magnético o desvie através da força magnética, da mesma forma que o campo elétrico e a força elétrica.

Campos Magnéticos e Campos Elétricos

Enquanto apenas as partículas carregadas em movimento emitem campos magnéticos, e todas as partículas carregadas emitem campos elétricos, os campos magnéticos e eletromagnéticos fazem parte da mesma força fundamental do eletromagnetismo. A força eletromagnética atua entre todas as partículas carregadas no universo. A força eletromagnética assume a forma de fenômenos cotidianos na eletricidade e no magnetismo, como a eletricidade estática e as ligações eletricamente carregadas que mantêm as moléculas unidas.

Essa força, juntamente com as reações químicas, também forma a base da força eletromotriz que permite que a corrente flua através dos circuitos. Quando um campo magnético é visto entrelaçado com um campo elétrico, o produto resultante é conhecido como campo eletromagnético.

o Equação da força de Lorentz F = qE + qv × B descreve a força em uma partícula carregada q movendo-se a velocidade v na presença de um campo elétrico E e campo magnético B. Nesta equação o x entre qv e B representa o produto cruzado. O primeiro termo qE é a contribuição do campo elétrico para a força e o segundo termo qv x B é a contribuição dos campos magnéticos.

A equação de Lorentz também diz que a força magnética entre a velocidade da carga v e o campo magnético B é qvbsinϕ por uma taxa q Onde ϕ ("phi") é o ângulo entre v e B, que deve ser menor que 1_80_ graus. Se o ângulo entre v e B for maior, use o ângulo na direção oposta para corrigir isso (a partir da definição de um produto cruzado). Se _, como 0, velocidade e campo magnético apontam na mesma direção, a força magnética será 0. A partícula continuará a se mover sem ser desviada pelo campo magnético.

Produto cruzado de campo magnético

••• Syed Hussain Ather

No diagrama acima, o produto cruzado entre dois vetores uma e b é c. Observe a direção e magnitude de c. Está na direção perpendicular a uma e b quando determinado pela regra da mão direita. A regra da direita significa que a direção do produto cruzado resultante c é dado pela direção do seu polegar quando o dedo indicador direito está na direção de b e seu dedo médio direito está na direção de uma.

O produto cruzado é uma operação vetorial que resulta no vetor perpendicular a ambos qv e B dada pela regra da mão direita dos três vetores e com magnitude da área do paralelogramo que os vetores qv e B período. A regra da direita significa que você pode determinar a direção do produto cruzado entre qv e B colocando o dedo indicador direito na direção de B, seu dedo médio na direção de qv, e a direção resultante do seu polegar será a direção do produto cruzado desses dois vetores.

••• Syed Hussain Ather

No diagrama acima, a regra da direita também demonstra a relação entre campo magnético, força magnética e corrente através de um fio. Isso também mostra que o produto cruzado entre essas três quantidades pode representar a regra do lado direito, pois o produto cruzado entre a direção da força e o campo é igual à direção das correntes.

Campo magnético na vida cotidiana

Campos magnéticos de cerca de 0,2 a 0,3 tesla são usados ​​na ressonância magnética. A ressonância magnética é um método utilizado pelos médicos para estudar estruturas internas no corpo de um paciente, como cérebro, articulações e músculos. Isso geralmente é feito colocando o paciente dentro de um forte campo magnético, de modo que o campo corra ao longo do eixo do corpo. Se você imagina que o paciente era um solenóide magnético, as correntes elétricas envolviam seu corpo e o campo magnético seria direcionado na direção vertical em relação ao corpo, conforme ditado pela regra da mão direita.

Cientistas e médicos estudam as maneiras pelas quais os prótons se desviam de seu alinhamento normal para estudar as estruturas no corpo de um paciente. Com isso, os médicos podem fazer diagnósticos seguros e não invasivos de várias condições.

A pessoa não sente o campo magnético durante o processo, mas, como há muita água no corpo humano, os núcleos de hidrogênio (que são prótons) se alinham devido ao campo magnético.O scanner de ressonância magnética usa um campo magnético do qual os prótons absorvem energia e, quando o campo magnético é desativado, os prótons retornam às suas posições normais. O dispositivo rastreia essa mudança de posição para determinar como os prótons estão alinhados e criar uma imagem do interior do corpo do paciente.