Magnetismo e eletromagnetismo

Um ímã em movimento pode gerar corrente; uma corrente pode causar movimento. Todo motor, gerador, usina e alto-falante pertence a este tópico. Esta referência cobre AQA GCSE Física 8463, tópico 4.7 Magnetismo e eletromagnetismo.

Como o exame aborda este tópico:

• A Prova 2 inclui este tópico. $F = BIl$ e as duas equações do transformador estão na folha anexa.
• Regra da mão esquerda de Fleming, motores, alto-falantes, efeito de indução, alternadores/dinamos, microfones e transformadores são apenas HT; tudo a partir de 4.7.3 também é apenas física.
• Você deve desenhar padrões de campo: ímã em barra, fio reto, solenoide.

• Pólos: onde a força magnética é mais forte.

Pólos iguais se repelem; pólos opostos se atraem — uma força sem contato.

• Um ímã permanente produz seu próprio campo. Um ímã induzido torna-se magnético apenas enquanto estiver em um campo — e a magnetização induzida sempre atrai (perde o magnetismo ao ser removido).
• O campo magnético é a região onde uma força atua sobre outro ímã ou material magnético (ferro, aço, cobalto, níquel). Um ímã sempre atrai materiais magnéticos.
• O campo é mais forte nos pólos; a direção = a força sobre um polo norte naquele ponto. As linhas de campo vão de norte → sul.
• Uma bússola é um pequeno ímã em barra; ela aponta ao longo do campo terrestre — evidência de que a Terra tem um campo magnético (seu núcleo se comporta como um grande ímã).

Traçando um campo: coloque uma pequena bússola de traço perto do ímã, marque as pontas da agulha, mova a bússola para que a cauda fique sobre a última marca, repita e una os pontos. Lâminas de ferro mostram todo o padrão de uma vez.

Um fio percorrido por corrente tem um campo magnético ao redor dele (círculos concêntricos; preensão da mão direita — polegar com a corrente, dedos curvados com o campo). O campo é mais forte com mais corrente e mais fraco longe do fio.

Dobrar o fio em um solenoide:

• os campos dos laços somam — o campo interno é forte e uniforme;
• externamente, a forma assemelha-se à de um ímã em barra;
• adicionar um núcleo de ferro aumenta ainda mais a intensidade — trata-se de um eletroímã.

Um eletroímã pode ser ligado e desligado, e sua força alterada com a corrente — por isso supera ímãs permanentes em catracas e relés.

Um condutor percorrido por corrente num campo magnético sofre uma força (efeito motor — o campo, o ímã e o condutor empurram-se mutuamente).

Regra da mão esquerda de Fleming: polegar = força, dedo indicador = campo (N→S), dedo médio = corrente — todos perpendiculares entre si.

• $F$ força em N; $B$ densidade de fluxo magnético em tesla, T; $I$ corrente em A; $l$ comprimento do condutor no campo, em m.
• Força maior com: campo mais forte (maior $B$), corrente maior, condutor mais longo no campo. Força máxima quando o condutor está em ângulo reto ao campo.

Motor elétrico: uma bobina percorrida por corrente num campo gira porque seus dois lados sofrem forças em sentidos opostos.

Um comutador de anéis partidos inverte a corrente a cada meia volta para manter a rotação.

Alto-falante (física apenas): uma corrente alternada numa bobina num campo faz a bobina vibrar para dentro e para fora; o cone move o ar gerando variações de pressão — ondas sonoras cuja frequência corresponde ao sinal.

Se um condutor se move relativamente a um campo magnético ou se o campo ao seu redor varia, uma diferença de potencial é induzida; se o circuito estiver fechado, circula corrente — trata-se do efeito gerador.

• O próprio campo da corrente induzida se opõe à mudança que a originou.
• Maior dp induzida com: movimento mais rápido, campo mais forte, maior número de espiras. Inversão de direção com: inversão do movimento ou inversão da polaridade do campo.

Alternador (gerador ca): uma bobina gira num campo — a dp induzida inverte a direção a cada meia volta, resultando num gráfico dp-tempo de onda repetitiva cruzando zero.

Dínamo (cc): um comutador de anéis partidos inverte as conexões a cada meia volta, mantendo a saída de um único lado do zero (gráfico oscilante sempre positivo).

Microfone: o inverso de um alto-falante — variações de pressão sonora movem uma bobina em um campo, induzindo uma corrente variável que espelha o som.

Um transformador: bobinas primária e secundária enroladas em um núcleo de ferro (facilmente magnetizado; laminados não são necessários).

Uma corrente alternada na primária cria um campo magnético variável no núcleo; esse campo variável induz uma ddp alternada na secundária.

• Elevador: $V_s > V_p$ (mais espiras secundárias). Redutor: $V_s < V_p$.
• A segunda equação é potência de entrada = potência de saída; use-a para encontrar a corrente retirada da fonte de alimentação.

Exemplo resolvido. Um transformador tem 345 espiras primárias e 6000 secundárias; a entrada é 230 V.

Exemplo resolvido (potência). Esse transformador fornece 50 mA a 4000 V.

• Potência de saída: $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ W.
• Corrente de entrada: $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ A.

A história da Rede Nacional fecha o ciclo: elevador antes da transmissão (menor corrente → perdas $P = I^2R$ diminuem), redutor para residências (veja o tópico 2.7).

• Enuncie as regras dos polos; distinga ímãs permanentes dos induzidos.
• Desenhe padrões de campo do ímã em barra, fio reto e solenóide com direções; explique a ligação bússola/Terra.
• (Nível Superior) Use a regra da mão esquerda de Fleming e $F = BIl$; explique o motor e o comutador.
• (física apenas, Nível Superior) Enuncie as condições do efeito gerador e o campo induzido oposto; distinga gráficos de alternador e dinamo; explique o microfone.
• (física apenas, Nível Superior) Use ambas as equações do transformador; explique a indução entre bobinas e a vantagem da Rede.