Eletricidade: Eletromagnetismo

Eletromagnetismo é geralmente encarada como a parte mais chata da eletricidade, e de fato tratam-se de conceitos um tanto abstratos. Mas não se engane, pois encontramos fenômenos eletromagnéticos em literalmente todo canto. Se ainda não estiver convencido, recomendo pesquisar sobre ondas eletromagnéticas (há um link sobre isso ao final), como a luz solar, microondas, ondas de rádio etc.

Então aguenta um pouquinho enquanto jogo uma carga teórica aqui e aguarde por posts um pouco mais práticos, englobando diversos aspectos sobre o tema de eletricidade.

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Eletricidade: eletromagnetismo

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Eletromagnetismo: fórmulas
Eletricidade: Eletromagnetismo
Eletromagnetismo: exercícios

Ímãs

Você já deve ter visto o magnetismo em ação em algum momento da vida, como ímãs de geladeiras. Que mágica faz com que essas coisinhas fiquem grudadas na geladeira, e o que têm a ver com eletricidade? Bem, vamos por partes. Os ímãs naturais são materiais encontrados... claro, na natureza, que conseguem atrair minerais como ferro, níquel e cobalto.

Esses tais ímãs são fragmentos de magnetita, um minério de ferro com fortes propriedades magnéticas. A primeira ocorrência desse minério provém de uma região da Ásia chamada Magnésia, daí o nome magnetita. Falando em história, há uma lenda grega contando que o pastor Magnes passeava casualmente quando percebeu uma força de atração entre a bola de ferro em seu bastão e uma pedra misteriosa, o âmbar.

Fonte.

Agora estudaremos algumas propriedades dessas coisinhas:

• Pólos magnéticos: São os dois pólos, norte e sul, nos quais o campo magnético é mais intenso.

• Atração e repulsão: Ímãs exercem forças de atração ou repulsão em função dos pólos que se atraem. Esta é simples e você com certeza conhece: "os contrários se atraem". Por consequência, os "semelhantes se repelem".

• Relação com campo magnético terrestre: Para descobrir qual pólo é qual, nota-se que a tendência do pólo norte do ímã é apontar ao norte geográfico, e a do pólo sul apontar ao sul geográfico.

• Inseparabilidade dos pólos: Suponha que você tenha demarcado as regiões norte e sul de um ímã. Separe-os em 2 partes e obterá dois novos ímãs completos, ou seja, surgirão novas regiões norte e sul. Repita o procedimento indefinidamente, separando cada ímã em 2 novos, e você sempre terá 2 pólos. Ou seja, por mais que corte, recorte, picote, sempre haverá 2 pólos.

Campo magnético

O magnetismo é uma força de campo; isso significa que um corpo ou partícula, em contato com um campo formado ao redor de um ímã, sofre a influência dessa força e será atraído ou repelido. Tal campo denomina-se campo magnético, e chamamos indução magnética ao vetor associado a ele, geralmente representado por \(\vec B\). Às vezes é simplesmente chamado vetor campo magnético, que é o que usarei.

Por conveniência (na prática, como se vê, é um emaranhado de linhas), diz-se que essas linhas, as linhas de indução, vão do pólo norte ao pólo sul. Além disso, o vetor campo magnético é tangente às linhas de indução em cada ponto. Por último, considere campo magnético uniforme aquele no qual o vetor campo magnético é praticamente constante, sendo as linhas de indução paralelas e igualmente espaçadas. Vemos isso em um ímã em ferradura.

Antes de prosseguir, agora que já temos uma noção de como nos aproximarmos dos fenômenos magnéticos, podemos dar uma olhada em outra questão: o "eletro" de eletromagnetismo.

A experiência de Oersted

Em 1820, pela primeira vez viu-se uma prova experimental da interação entre eletricidade e magnetismo pelo físico dinamarquês Hans Christian Oersted. Temos um gerador ligado a um fio condutor disposto na direção norte-sul, um ímã de bússola apontando para o norte geográfico e um interruptor. Ao acionarmos o interruptor, fechando o circuito, claro que passará uma corrente elétrica pelo fio.

O surpreendente é que a direção do ímã muda, apontando para outro sentido, dependendo da intensidade dessa corrente. Abrindo o circuito, o ímã volta ao seu estado inicial. Intrigante, não? Concluímos que deve ter havido uma interferência magnética para justificar o desvio, ou seja, a corrente elétrica gerou um campo magnético ao seu redor.

Agora precisamos determinar mais algumas coisas à respeito do campo magnético e força magnética.

Campo magnético de um condutor retilíneo extenso

O título da seção é feio, mas estamos simplesmente dando continuidade ao tópico anterior. Ok, uma corrente elétrica em um condutor retilíneo extenso (o fio metálico de antes, por exemplo) gera um campo magnético, mas como ele é? Para começar usamos a regra da mão direita, através da qual determinamos a direção e sentido do campo magnético através do sentido da corrente elétrica:

By Jfmelero (Own work) [CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0], via Wikimedia Commons

Em um condutor retilíneo eletrizado, aponte o polegar no sentido da corrente e feche os outros dedos sobre o condutor; os dedos acompanharão o sentido do campo magnético. Quer dizer, NÃO vá fazer isso literalmente, pelo amor de Gauss. Se precisar determinar o sentido do campo magnético na prática, faça como ilustra o desenho, longe do condutor.

Ah, e lembre-se que estamos falando de coisas tridimensionais, então precisamos representar o vetor campo magnético entrando e saindo de um plano. Usamos o círculo com ponto para ilustrar algo saindo e o círculo com um X para ilustrar algo entrando. Veja:

Quanto à intensidade desse campo magnético:

B: intensidade do campo magnético (T, tesla)
μ: permeabilidade magnética do meio (T * m/A, tesla-metro por àmpere)
i: intensidade da corrente elétrica (A, àmpere)
r: distância do condutor até o ponto onde se quer o campo magnético (m, metro)

Força magnética de Lorentz

Por definição, o campo magnético exerce uma força magnética sobre um corpo ou partícula, mas nem sempre é o caso para cargas elétricas. Quando uma carga encontra-se em repouso num campo magnético, seu movimento não é alterado, e portanto não há nenhuma força magnética em atuação. Similarmente, nada ocorre quando a carga se move na mesma direção das linhas de indução do campo magnético.

Por que esse comportamento do campo magnético? Pura birra? Talvez, mas não precisa se preocupar em decorá-lo. Trata-se de um resultado direto da força de Lorentz, que atua sobre uma carga movendo-se a uma velocidade constante v e forma um ângulo θ com o vetor campo magnético:

Fm = B * |q| * v * senθ

Fm: força magnética (N, newton)
B: intensidade do campo magnético (T, tesla)
|q|: carga elétrica, em módulo (C, coulomb)
v: velocidade (m/s)
θ (theta): ângulo formado entre a carga e o vetor campo magnético

Opa, isso é interessante. Se a carga estiver em repouso, então v = 0 m/s, daí Fm = 0 N. Se a carga estiver se movendo na mesma direção das linhas de indução, então θ = 0, daí Fm = 0 N. Além disso, a direção dessa força magnética é perpendicular ao plano formado pelos vetores v e B. Quanto ao sentido, utilizamos outra regrinha, a regra da mão esquerda:

By Jfmelero (Own work) [CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

O dedo médio aponta no sentido da corrente, o indicador no do campo magnético e o médio no da força magnética. Se a carga for negativa, deve-se inverter o sentido da força dada pela regra da mão esquerda (ao invés de estar "saindo" da palma da mão, estará "entrando" nela).

Força magnética sobre um condutor retilíneo (Lei Elementar de Laplace)

Este aqui é um ponto bem interessante porque podemos provar matematicamente, tratando-se de uma derivação da força magnética de Lorentz. Considere um condutor retilíneo eletrizado, pelo qual passa uma corrente de intensidade i e é influenciado por um campo magnético B. Como corrente elétrica é definida pelo movimento ordenado de cargas elétricas, com certeza há várias cargas elétricas na seção transversal do condutor.

Ainda não sabemos calcular a força magnética atuando sobre esse condutor, então vamos considerar um pedacinho Δl pequeno o suficiente. Desse modo, a força magnética pode ser calculada como

Fm = B * |Q| * v * senθ

Onde |Q| é a soma de todas as cargas individuais. Mas v = Δl/Δt, daí

Fm = B * |Q| * Δl/Δt * senθ
Fm = B * |Q|/Δt * Δl * senθ

Mas lembremo-nos da definição de corrente elétrico. Se i = |Q|/Δt, podemos substituir na expressão e finalmente chegar à Lei Elementar de Laplace:

Fm = B * i * Δl * senθ

Fm: força magnética (N, newton)
B: intensidade do campo magnético (T, tesla)
i: intensidade da corrente elétrica (A, àmpere)
Δl: segmento do fio (m, metro)
θ (theta): ângulo formado entre o vetor da velocidade das cargas e o vetor campo magnético

Fluxo de indução magnética

Já sabemos que uma corrente elétrica gera um campo magnético ao seu redor, mas é também muito útil conseguir usar um campo magnético para gerar corrente elétrica. Por exemplo, em usinas geradoras de eletricidade, inclusive usinas hidrelétricas. Primeiro precisamos definir o conceito de fluxo de indução magnética, Φ (letra grega fi), que é definido como segue:

Φ = B * A * cosθ

Φ: fluxo de indução magnética (Wb, weber)
B: intensidade do campo magnético (T, tesla)
A: área da superfície (m², metro quadrado)
θ (theta): ângulo formado entre o vetor campo magnético e a reta normal (º)

Isso no caso de uma superfície plana de superfície A, mas há fluxo de indução em qualquer corpo. E o que exatamente esse fluxo mede? Ele está diretamente ligado ao número de linhas de indução que atravessam a superfície do corpo em questão. Finalmente, podemos ir ao que interessa.

Indução eletromagnética

Em 1831, 11 anos após a demonstração de Oersted, temos outra experiência muito importante para o desenvolvimento do eletromagnetismo, dessa vez conduzida pelo cientista inglês Michael Faraday. A ideia foi conectar uma espira de fio condutor a um amperímetro para indicar qualquer passagem de corrente elétrica pela espira. Em seguida, ao aproximar e afastar um ímã da espira, notou-se uma alteração no amperímetro, indicando corrente. Cessando o movimento, cessava a corrente.

Acabamos de presenciar o fenômeno de indução eletromagnética. Usando um ímã como indutor, provocamos uma corrente induzida que passa pelo induzido, a espira. Está tudo relacionado à variação do número de linhas de indução, ou seja, variação do fluxo magnético. Quando aproximamos o ímã, o número de linhas aumenta, surgindo uma corrente em um determinado sentido; quando afastamos, diminui, surgindo uma corrente em outro sentido.

Mas que sentido é esse? Podemos determiná-lo pela lei de Lenz, enunciada da seguinte forma: "o sentido da corrente induzida através de um condutor em circuito fechado é tal que seus efeitos se opõem à variação do fluxo que lhe deu origem". Confuso? Ilustremos com uma situação.

By User:老陳 (Own work) [CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0], via Wikimedia Commons

Note que o ímã está se aproximando com o pólo norte em direção à face esquerda da espira. Pela lei de Lenz, a tendência é que esse movimento seja "barrado", ou seja, surja um pólo norte nessa face. Lembra-se da regra da mão direita? Para que a face esquerda seja o pólo norte, a corrente induzida deve ter sentido anti-horário, de modo que as linhas de indução partam do pólo norte e chegam ao pólo sul.

Sugiro dar uma olhada neste link e dar uma treinada com alguns exercícios, porque é mais fácil aprender na prática do que por explicações meio abstratas (e certamente bem melhor do que simplesmente decorar o sentido da corrente).

Há muitas coisas interessantes que podemos fazer e entender agora, mas para não alongar demais o post, encerro apenas com a resposta a uma dúvida que deve ter surgido: afinal, como prever o quanto de energia elétrica obterei através da indução eletromagnética? Podemos calcular a força eletromotriz induzida através da lei de Faraday-Neumann:

ε: força eletromotriz/fem (V, volt)
ΔΦ: variação de fluxo de indução magnética (Wb, weber)
Δt: intervalo de tempo (s, segundo)

O significado do sinal negativo é sugerido pela lei de Lenz: os efeitos se opõem às causas que lhe deram origem.

Fontes

Só Física
Eletromagnetismo - Cola da Web
Eletromagnetismo - Física e vestibular
Ondas Eletromagnéticas
ANJOS, Ivan Golçalces dos. Física. Editora: IBEP.