Como funcionam os campos magnéticos?

•••Syed Hussain Ather

​Campos magnéticosdescrever como a força magnética é distribuída pelo espaço em torno dos objetos. Geralmente, para um objeto que é magnético, as linhas do campo magnético viajam do pólo norte ao pólo sul do objeto, assim como fazem para o campo magnético da Terra, conforme mostrado no diagrama acima.

A mesma força magnética que faz os objetos grudarem nas superfícies da geladeira é usada no campo magnético da Terra que protege a camada de ozônio do vento solar prejudicial. O campo magnético forma pacotes de energia que evitam que a camada de ozônio perca dióxido de carbono.

Você pode observar isso despejando limalha de ferro, pequenos pedaços de ferro em forma de pó, na presença de um magnético. Coloque um ímã sob um pedaço de papel ou folha leve de pano. Despeje a limalha de ferro e observe as formas e formações que assumem. Determine quais linhas de campo seriam necessárias para fazer com que as limalhas se organizassem e se distribuíssem dessa forma, de acordo com a física dos campos magnéticos.

Quanto maior for a densidade das linhas do campo magnético traçadas de norte a sul, maior será 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​.

Como os campos magnéticos se formam sempre que cargas estão em movimento, os campos magnéticos são induzidos a partir da corrente elétrica por meio de 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. As linhas do campo magnético formam círculos concêntricos ao redor dos fios. A direção desses campos pode ser determinada por meio 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 da sua mão se curvarão. Com maior corrente, maior campo magnético é induzido.

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

•••Syed Hussain Ather

Esta regra da mão direita também pode ser aplicada na outra direção para umsolenóide, ou uma série de corrente elétrica enrolada em fios em torno de um ímã. Se você apontar o polegar direito na direção do campo magnético, os dedos da mão direita se enrolarão na direção da corrente elétrica. Os solenóides permitem que você aproveite a força do campo magnético por meio 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 movem tornam-se eles próprios objetos magnéticos. Elementos que têm elétrons desemparelhados em seus estados fundamentais, como ferro, cobalto e níquel, podem ser alinhados de modo a formarem ímãs permanentes. O campo magnético produzido pelos elétrons desses elementos permite que a corrente elétrica flua através desses elementos com mais facilidade. Os próprios campos magnéticos também podem se anular mutuamente se forem iguais em magnitude em direções opostas.

Corrente fluindo através de uma bateriaeuemite um campo magnéticoBno raiorde acordo com a equação paraLei de Ampère​:

Ondeμ​₀ é a constante magnética da permeabilidade do vácuo,1,26 x 10^-6 H / m("Henries por metro" em que Henries é a unidade de indutância). O aumento da corrente e a aproximação do fio aumentam o campo magnético resultante.

Para um objeto ser magnético, os elétrons que o constituem devem ser capazes de se mover livremente ao redor e entre os átomos do objeto. Para um material ser magnético, átomos com elétrons desemparelhados do mesmo spin são candidatos ideais, pois esses átomos podem emparelhar-se para permitir que os elétrons fluam livremente. Testar materiais na presença de campos magnéticos e examinar as propriedades magnéticas dos átomos que fazem esses materiais pode informar sobre seu magnetismo.

​Ferromagnetostêm a propriedade de serem permanentemente magnéticos.Paramagnetos, por outro lado, não exibirá propriedades magnéticas a menos na presença de um campo magnético para alinhar os spins dos elétrons para que eles possam se mover livremente.Diamagnetstêm composições atômicas tais que não são afetadas por campos magnéticos ou são afetadas apenas muito pouco por campos magnéticos. Eles têm nenhum ou poucos elétrons desemparelhados para permitir o fluxo de cargas.

Os paramagnetos funcionam porque são feitos de materiais que sempremomentos magnéticos, conhecido como dipolos. Esses momentos são sua capacidade de se alinhar com um campo magnético externo devido ao spin de elétrons desemparelhados nos orbitais dos átomos que formam 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, ao contrário, 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 evita que se tornem magnéticos.

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 têm uma partícula análoga sobre a qual descrever a força magnética. Os cientistas teorizaram que pode existir um monopolo magnético, mas não há evidências experimentais para mostrar que essas partículas existem. Se existissem, essas partículas teriam uma "carga" magnética muito semelhante à das partículas carregadas com cargas elétricas.

A força magnética resulta da força eletromagnética, a força que descreve os componentes elétricos e magnéticos de partículas e objetos. Isso mostra como o magnetismo é intrínseco aos mesmos fenômenos da eletricidade, como a corrente e o campo 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 o fazem.

Enquanto apenas partículas carregadas em movimento emitem campos magnéticos, e todas as partículas carregadas emitem campos elétricos, campos magnéticos e eletromagnéticos fazem parte da mesma força fundamental de eletromagnetismo. A força eletromagnética atua entre todas as partículas carregadas do universo. A força eletromagnética assume a forma de fenômenos cotidianos em eletricidade e magnetismo, como a eletricidade estática e as ligações eletricamente carregadas que mantêm as moléculas unidas.

Essa força junto com as reações químicas também formam a base para a força eletromotriz que permite que a corrente flua pelos circuitos. Quando um campo magnético é visto entrelaçado com um campo elétrico, o produto resultante é conhecido como campo eletromagnético.

OEquação de força de Lorentz​

descreve a força em uma partícula carregadaqmovendo-se em velocidadevna presença de um campo elétricoEe campo magnéticoB. Nesta equação, oxentreqveBrepresenta o produto cruzado. O primeiro termoqEé a contribuição do campo elétrico para a força, e o segundo termoqv x Bé a contribuição do campo magnético.

A equação de Lorentz também diz que a força magnética entre a velocidade da cargave o campo magnéticoBéqvbsinϕpor uma taxaqOndeϕ("phi") é o ângulo entreveB, que deve ser menor que 180graus. Se o ângulo entreveBfor maior, então você deve usar o ângulo na direção oposta para corrigir isso (a partir da definição de um produto vetorial). Seϕfor 0, como em, a velocidade e o campo magnético apontam na mesma direção, a força magnética será 0. A partícula continuará a se mover sem ser desviada pelo campo magnético.

•••Syed Hussain Ather

No diagrama acima, o produto cruzado entre dois vetoresumaebéc. Observe a direção e magnitude dec. Está na direção perpendicular aumaebquando dada pela regra da mão direita. A regra da mão direita significa que a direção do produto cruzado resultantecé dado pela direção do seu polegar quando seu dedo indicador direito está na direção debe seu dedo médio direito está na direção deuma​.

O produto vetorial é uma operação vetorial que resulta no vetor perpendicular a ambosqveBdada pela regra da mão direita dos três vetores e com magnitude da área do paralelogramo que os vetoresqveBperíodo. A regra da mão direita significa que você pode determinar a direção do produto cruzado entreqveBcolocando o dedo indicador direito na direção deB, seu dedo médio na direção deqv, e a direção resultante do seu polegar será a direção do produto vetorial desses dois vetores.

•••Syed Hussain Ather

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

Campos magnéticos de cerca de 0,2 a 0,3 tesla são usados ​​em ressonância magnética e ressonância magnética. A ressonância magnética é um método que os médicos usam para estudar as estruturas internas do corpo do paciente, como o cérebro, as articulações e os músculos. Isso geralmente é feito colocando o paciente dentro de um campo magnético forte, de modo que o campo percorra o eixo do corpo. Se você imaginar que o paciente era um solenóide magnético, as correntes elétricas envolveriam seu corpo e o campo magnético seria direcionado na direção vertical em relação ao corpo, conforme ditado pela mão direita regra.

Cientistas e médicos estudam então as maneiras pelas quais os prótons se desviam de seu alinhamento normal para estudar as estruturas dentro do 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, porque há muita água no corpo humano, os núcleos de hidrogênio (que são prótons) se alinham devido à campo. O scanner de ressonância magnética usa um campo magnético do qual os prótons absorvem energia e, quando o campo magnético é desligado, os prótons voltam 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.