Magnetismo e Eletromagnetismo

Objetivo de Aprendizagem 12.1.A: Descrever as propriedades de um campo magnético.

• 12.1.A.1 Um campo magnético é um campo vetorial que pode ser usado para determinar a força magnética exercida sobre cargas elétricas em movimento, correntes elétricas ou materiais magnéticos.
  • 12.1.A.1.i Campos magnéticos podem ser produzidos por dipolos magnéticos ou combinações de dipolos, mas nunca por monopólos.
  • 12.1.A.1.ii Dipolos magnéticos têm polaridade norte e sul.
• 12.1.A.2 Um campo magnético é uma grandeza vetorial e pode ser representado usando mapas de campo vetorial.
  • 12.1.A.2.i Linhas de campo magnético formam laços fechados.
  • 12.1.A.2.ii Campos magnéticos em um ímã em barra formam laços fechados, com o campo magnético externo apontando para longe de uma extremidade (definida como polo norte) e retornando para a outra extremidade (definida como polo sul).

Objetivo de Aprendizagem 12.1.B: Descrever o comportamento magnético de um material como resultado da configuração de dipolos magnéticos no material.

• 12.1.B.1 Dipolos magnéticos resultam do movimento circular ou rotacional de cargas elétricas. Em materiais magnéticos, isso pode ser o movimento de elétrons.
  • 12.1.B.1.i Magnetismo permanente e magnetismo induzido são propriedades do sistema que resultam do alinhamento de dipolos magnéticos dentro de um sistema.
  • 12.1.B.1.ii Nunca se encontra um polo magnético norte isolado de um polo sul. Por exemplo, se um ímã em barra for quebrado ao meio, ambas as metades são dipolos magnéticos.
  • 12.1.B.1.iii Pólos magnéticos da mesma polaridade se repelem; pólos magnéticos de polaridades opostas se atraem.
  • 12.1.B.1.iv A magnitude do campo magnético de um dipolo magnético diminui com o aumento da distância do dipolo.
• 12.1.B.2 Um dipolo magnético, como uma bússola magnética, colocado em um campo magnético tenderá a alinhar-se com o campo magnético.
• 12.1.B.3 A composição de um material influencia seu comportamento magnético na presença de um campo magnético externo.
  • 12.1.B.3.i Materiais ferromagnéticos, como ferro, níquel e cobalto, podem ser permanentemente magnetizados por um campo externo que causa o alinhamento de domínios magnéticos ou dipolos magnéticos atômicos.
  • 12.1.B.3.ii Materiais paramagnéticos, como alumínio, titânio e magnésio, interagem fracamente com um campo magnético externo, pois os dipolos magnéticos do material não permanecem alinhados após o campo externo ser removido.
  • 12.1.B.3.iii Todos os materiais possuem a propriedade de diamagnetismo, em que sua estrutura eletrônica cria um geralmente fraco alinhamento dos momentos de dipolo do material oposto ao campo magnético externo.
• 12.1.B4 O campo magnético da Terra pode ser aproximado como um dipolo magnético.

Objetivo de Aprendizagem 12.1.C: Descrever a permeabilidade magnética de um material.

• 12.1.C.1 A permeabilidade magnética é uma medição da quantidade de magnetização em um material em resposta a um campo magnético externo.
• 12.1.C.2 O espaço livre tem um valor constante de permeabilidade magnética, conhecido como permeabilidade do vácuo $\mu_0$, que aparece em equações representando relações físicas.
• 12.1.C.3 A permeabilidade da matéria tem valores diferentes do do espaço livre e surge da composição e disposição da matéria. Não é uma constante para um material e varia com base em muitos fatores, incluindo temperatura, orientação e intensidade do campo externo.

Objetivo de Aprendizagem 12.2.A: Descrever o campo magnético produzido por objetos carregados em movimento.

• 12.2.A.1 Um único objeto carregado em movimento produz um campo magnético.
  • 12.2.A.1.i O campo magnético em um ponto particular produzido por um objeto carregado em movimento depende da velocidade do objeto e da distância entre o ponto e o objeto.
  • 12.2.A.1.ii Em um ponto do espaço, a direção do campo magnético produzido por um objeto carregado em movimento é perpendicular tanto à velocidade do objeto quanto ao vetor de posição do objeto até esse ponto no espaço e pode ser determinada usando a regra da mão direita.
  • 12.2.A.1.iii A magnitude do campo magnético é máxima quando o vetor velocidade e o vetor de posição do objeto até esse ponto no espaço são perpendiculares.

Objetivo de Aprendizagem 12.2.B: Descrever a força exercida sobre objetos carregados em movimento por um campo magnético.

• 12.2.B.1 Forças magnéticas descrevem interações entre objetos carregados em movimento.
• 12.2.B.2 Um campo magnético pode exercer uma força sobre um objeto carregado movendo-se nesse campo.
  • 12.2.B.2.i A magnitude da força exercida por um campo magnético sobre um objeto carregado em movimento é proporcional à magnitude da carga, à magnitude da velocidade do objeto carregado e à magnitude do campo magnético, além de depender do ângulo entre os vetores velocidade e campo magnético.
    • Equação: $F_B = qvB\sin\theta$
  • 12.2.B.2.ii A direção da força exercida por um campo magnético sobre um objeto carregado em movimento é perpendicular tanto à direção do campo magnético quanto à velocidade da carga, conforme definido pela regra da mão direita.
• 12.2.B.3 Em uma região contendo tanto um campo magnético quanto um campo elétrico, um objeto carregado em movimento experimentará forças independentes de cada campo.
• 12.2.B.4 O efeito Hall descreve a diferença de potencial criada em um condutor por um campo magnético externo que possui uma componente perpendicular à direção das cargas movendo-se no condutor.

Declaração de limite: O tratamento quantitativo da magnitude da força magnética exercida por um campo magnético sobre uma carga em movimento é limitado a ângulos de 0, 90 e 180 graus entre a velocidade e o campo magnético. Análise qualitativa de outros ângulos é permitida.

Objetivo de Aprendizagem 12.3.A: Descrever o campo magnético produzido por um fio com corrente elétrica.

• 12.3.A.1 Um fio com corrente elétrica produz um campo magnético.
  • 12.3.A.1.i Os vetores do campo magnético ao redor de um longo, reto e fio com corrente elétrica são tangentes a círculos concêntricos centrados nesse fio. O campo não possui componente para dentro, para fora ou paralelo ao longo, reto e fio com corrente elétrica.
  • 12.3.A.1.ii Em um ponto no espaço, a magnitude do campo magnético devido a um longo, reto e fio com corrente elétrica é proporcional à magnitude da corrente no fio e inversamente proporcional à distância perpendicular do eixo central do fio até o ponto.
    • Equação: $B = \dfrac{\mu_0}{2\pi}\dfrac{I}{r}$
  • 12.3.A.1.iii A direção do campo magnético criado por um fio com corrente elétrica é determinada pela regra da mão direita.
  • 12.3.A.1.iv A direção do campo magnético no centro de uma espira com corrente elétrica está direcionada ao longo do eixo da espira e pode ser encontrada usando a regra da mão direita.
  • 12.3.A.1.v O campo magnético em um local próximo a dois ou mais fios com corrente elétrica pode ser determinado usando princípios de adição vetorial.

Objetivo de Aprendizagem 12.3.B: Descrever a força exercida sobre um fio com corrente elétrica por um campo magnético.

• 12.3.B.1 Um campo magnético pode exercer uma força sobre um fio com corrente elétrica.
  • 12.3.B.1.i A magnitude da força exercida por um campo magnético sobre um fio com corrente elétrica é proporcional à corrente, ao comprimento da porção do fio dentro do campo magnético e à magnitude do campo magnético, e também depende do ângulo entre a direção da corrente no fio e a direção do campo magnético.
    • Equação: $F_B = I\ell B\sin\theta$
  • 12.3.B.1.ii A direção da força exercida pelo campo magnético sobre um fio com corrente elétrica é determinada pela regra da mão direita.

Objetivo de Aprendizagem 12.4.A: Descrever a diferença de potencial elétrico induzida resultante de uma mudança no fluxo magnético.

• 12.4.A.1 O fluxo magnético é uma descrição da quantidade da componente de um campo magnético que é perpendicular a uma área transversal.
• 12.4.A.2 O fluxo magnético através de uma superfície é proporcional à magnitude da componente do campo magnético perpendicular à superfície e à área transversal da superfície.
  • Equação: $\Phi_B = BA\cos\theta$
  • 12.4.A.2.i O vetor área é definido como sendo perpendicular ao plano da superfície e direcionado para fora de uma superfície fechada.
  • 12.4.A.2.ii O sinal do fluxo magnético indica se o campo magnético é paralelo ou antiparalelo ao vetor área.
• 12.4.A.3 A lei de Faraday descreve a relação entre a mudança no fluxo magnético e a f.e.m. induzida resultante em um sistema.
  • Equação: $|\mathcal{E}| = \left|\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t}\right|$
• 12.4.A.4 A lei de Lenz é usada para determinar a direção de uma f.e.m. induzida resultante de uma mudança no fluxo magnético.
  • Equação: $\mathcal{E} = -\dfrac{\Delta\Phi_B}{\Delta t} = -\dfrac{\Delta(BA\cos\theta)}{\Delta t}$
  • 12.4.A.4.i Uma f.e.m. induzida gera uma corrente que cria um campo magnético que se opõe à mudança no fluxo magnético.
  • 12.4.A.4.ii A regra da mão direita é usada para determinar as relações entre corrente, f.e.m. e fluxo magnético.
• 12.4.A.5 Um exemplo comum de indução eletromagnética é uma haste condutora em trilhos condutores em uma região com um campo magnético uniforme.
  • Equação derivada: $\mathcal{E} = B\ell v$