O que faz os ímãs se repelirem?

Às vezes, você pode ver ímãs se repelirem, e outras vezes vê-los se atraírem. Alterar a forma e a orientação entre dois ímãs diferentes pode alterar a maneira como eles se atraem ou se repelem.

O estudo mais detalhado dos materiais magnéticos pode dar uma ideia melhor de como funciona a força repulsiva do ímã. Por meio desses exemplos, você pode ver como as teorias e a ciência do magnetismo podem ser cheias de nuances e criativas.

Os opostos se atraem. Para explicar por que os ímãs se repelem, a extremidade norte de um magnético será atraída para o sul de outro magnético. As extremidades norte e norte de dois ímãs, bem como as extremidades sul e sul de dois ímãs, se repelem. A força magnética é a base para motores elétricos e ímãs atraentes para uso na medicina, indústria e pesquisa.

Para entender como essa força repulsiva funciona e explicar por que os ímãs se repelem e atraem eletricidade, é importante estudar a natureza da força magnética e as muitas formas que ela assume em vários fenômenos em física.

Para duas partículas carregadas em movimento com cargasq₁eq₂e respectivas velocidadesv₁ev₂separados por um vetor de raior, a força magnética entre eles é dada peloLei Biot-Savart​:

no qual×denota oproduto cruzado, explicado abaixo.μ₀ = 12.57×10⁻⁷ H / m, que é a constante de permeabilidade magnética para o vácuo. Tenha em mente| r |é o valor absoluto do raio. Esta força depende muito da direção dos vetoresv₁​, ​v₂, e _r.

Embora a equação possa parecer semelhante à força elétrica em partículas carregadas, tenha em mente que a força magnética é usada apenas para partículas em movimento. A força magnética também não é responsável por ummonopolo magnético, uma partícula hipotética que teria apenas um pólo, norte ou sul, enquanto partículas e objetos eletricamente carregados podem ser carregados em uma única direção, positiva ou negativa. Esses fatores causam as diferenças nas formas de força para o magnetismo e para a eletricidade.

Teorias de eletricidade e magnetismo também mostram, se você tivesse dois monopólos magnéticos que não estavam se movendo, eles ainda experimentariam uma força da mesma forma que uma força elétrica ocorreria entre duas partículas.

No entanto, os cientistas não mostraram nenhuma evidência experimental para concluir com certeza e confiança que existem monopolos magnéticos. Se for descoberto que eles existem, os cientistas podem ter ideias de "carga magnética" da mesma forma que as partículas eletricamente carregadas.

Se você tiver em mente a direção dos vetoresv₁​, ​v₂, er, você pode determinar se a força entre eles é atrativa ou repulsiva. Por exemplo, se você tem uma partícula se movendo para frente na direção x com uma velocidadev, então esse valor deve ser positivo. Se ele se mover na outra direção, o valor de v deve ser negativo.

Essas duas partículas se repelem se as forças magnéticas determinadas por seus respectivos campos magnéticos entre elas se cancelam, apontando em direções diferentes uma da outra. Se as duas forças apontam em direções diferentes uma para a outra, a força magnética é atrativa. A força magnética é causada por esses movimentos das partículas.

Você pode usar essas idéias para mostrar como o magnetismo funciona em objetos do dia-a-dia. Por exemplo, se você colocar um ímã de neodímio próximo a uma chave de fenda de aço e movê-lo para cima, para baixo no eixo e, em seguida, remover o ímã, a chave de fenda pode reter algum magnetismo dentro dela. Isso acontece devido aos campos magnéticos interagindo entre os dois objetos que criam a força atrativa quando se cancelam.

Essa definição de repelir e atrair vale para todos os usos de ímãs e campos magnéticos. Acompanhe quais direções correspondem à repulsão e atração.

•••Syed Hussain Ather

Para correntes, que movem cargas através de fios, a força magnética pode ser determinada como atrativa ou repulsivo com base nas localizações dos fios em relação um ao outro e na direção da corrente se move. Para correntes em fios circulares, você pode usar a mão direita para determinar como os campos magnéticos emergem.

A regra da mão direita para correntes em loops de fios significa que, se você colocar os dedos de sua mão direita curvados na direção de um loop de fio, você pode determinar a direção do campo magnético resultante e o momento magnético, conforme mostrado no diagrama acima de. Isso permite determinar como os loops são atraentes ou repulsivos entre si.

A regra da mão direita também permite determinar a direção do campo magnético que a corrente em um fio reto emite. Nesse caso, você aponta o polegar direito na direção da corrente através do fio elétrico. A direção de como os dedos da sua mão direita se curvam determina a direção do campo magnético?

A partir desses exemplos de campo magnético induzido por correntes, você pode determinar a força magnética entre dois fios como resultado dessas linhas de campo magnético.

•••Syed Hussain Ather

Os campos magnéticos entre loops de fios de corrente são atrativos ou repulsivos, dependendo da direção da corrente elétrica e da direção dos campos magnéticos que deles resultam. O momento de dipolo magnético é a força e a orientação de um magnético que produz o campo magnético. No diagrama acima, a atração ou repulsão resultante mostra essa dependência.

Você pode imaginar as linhas do campo magnético que essas correntes elétricas emitem enrolando-se em torno de cada parte do loop do fio da corrente. Se as direções de looping entre os dois fios estiverem em direções opostas um ao outro, os fios se atrairão. Se eles estiverem em direções opostas um do outro, os loops se repelirão.

OEquação de Lorentzmede a força magnética entre uma partícula em movimento em um campo magnético. A equação é

no qualFé a força magnética,qé a carga da partícula carregada,Eé o campo elétrico,vé a velocidade da partícula, eBé o campo magnético. Na equação, x denota o produto cruzado entreqveB​.

O produto vetorial pode ser explicado com a geometria e outra versão da regra da mão direita. Desta vez, você usa a regra da mão direita como regra para determinar a direção dos vetores no produto vetorial. Se a partícula se mover em uma direção que não seja paralela ao campo magnético, ela será repelida por ele.

A equação de Lorentz mostra a conexão fundamental entre eletricidade e magnetismo. Isso levaria a idéias de campo eletromagnético e força eletromagnética que representam os componentes elétricos e magnéticos dessas propriedades físicas.

A regra da mão direita informa que o produto vetorial entre dois vetores,umaeb, é a perpendicular a eles se você apontar o dedo indicador direito na direção debe seu dedo médio direito na direção deuma. Seu polegar apontará na direção dec, o vetor resultante do produto vetorial deumaeb. O vetorctem uma magnitude dada pela área do paralelogramo que os vetoresumaebperíodo.

•••Syed Hussain Ather

O produto vetorial depende do ângulo entre os dois vetores, pois isso determina a área do paralelogramo que se estende entre os dois vetores. Um produto vetorial para dois vetores pode ser determinado como

por algum ânguloθentre vetoresumaeb,tendo em mente que aponta na direção dada pela regra da mão direita entreumaeb​.

Dois pólos norte se repelem, e dois pólos sul também se repelem, assim como cargas elétricas se repelem e cargas opostas se atraem. A agulha magnética de uma bússola se move com um torque, a força rotacional de um corpo em movimento. Você pode calcular esse torque usando um produto vetorial da força rotacional, torque, como o resultado do momento magnético com o campo magnético.

Neste caso, você pode usar "tau"

Ondemé o momento dipolo magnético,Bé o campo magnético, eθé o ângulo entre esses dois vetores. Se você determinar quanto da força magnética é devido à rotação de um objeto em um campo magnético, esse valor é o torque. Você pode determinar o momento magnético ou a força do campo magnético.

Como a agulha da bússola se alinha com o campo magnético da Terra, ela apontará para o norte porque se alinhar dessa forma é seu estado de energia mais baixo. É aqui que o momento magnético e o campo magnético se alinham e o ângulo entre eles é de 0 °. É a bússola em repouso depois que todas as outras forças que movem a bússola foram contabilizadas. Você pode determinar a força desse movimento rotacional usando o torque.

Um campo magnético faz com que a matéria mostre propriedades magnéticas, especialmente entre elementos como cobalto e ferro, que têm elétrons desemparelhados que permitem que as cargas se movam e surjam campos magnéticos. Os ímãs classificados como paramagnéticos ou diamagnéticos permitem determinar se uma força magnética é atrativa ou repulsiva pelos pólos do ímã.

Os diamagnetos não têm ou têm poucos elétrons desemparelhados e não podem deixar as cargas fluírem tão facilmente quanto outros materiais fazem. Eles são repelidos por campos magnéticos. Os paramagnetos têm elétrons desemparelhados para permitir o fluxo de carga e, portanto, são atraídos por campos magnéticos. Para determinar se um material é diamagnético ou paramagnético, determine como os elétrons ocupam orbitais com base em sua energia em relação ao resto do átomo.

Certifique-se de que os elétrons ocupem todos os orbitais com apenas um elétron antes que os orbitais tenham dois elétrons. Se você acabar com elétrons desemparelhados, como é o caso do oxigênio O₂, o material é paramagnético. Caso contrário, é diamagnético, como N₂. Você pode imaginar essa força atrativa ou repulsiva como a interação de um dipolo magnético com o outro.

A energia potencial de um dipolo em um campo magnético externo é dada pelo produto escalar entre o momento magnético e o campo magnético. Esta energia potencial é

para o ânguloθentre m e B. O produto escalar mede a soma escalar resultante da multiplicação dos componentes x de um vetor pelos componentes x de outro, enquanto faz o mesmo para os componentes y.

Por exemplo, se você tivesse vetora = 2i + 3jeb = 4i + 5j, o produto escalar resultante dos dois vetores seria24 + 35 = 23. O sinal de menos na equação para energia potencial indica que o potencial é definido como negativo para energias potenciais mais altas de força magnética.