Ímãs, campo magnético e magnetismo | Física Extraordinária

Magnetismo é a parte da Física que estuda os ímãs, os campos magnéticos e as interações produzidas por correntes elétricas, materiais magnéticos e cargas elétricas em movimento. Ele está presente em objetos cotidianos, como alto-falantes, motores, cartões magnéticos, sensores, discos rígidos, aparelhos de ressonância magnética e bússolas.

Nesta aula, vamos compreender o que são os polos de um ímã, como representar um campo magnético, por que a bússola aponta aproximadamente para o norte geográfico e como o magnetismo se relaciona com as correntes elétricas.

1. O que é um ímã?

Um ímã é um corpo capaz de produzir um campo magnético e de exercer forças de atração ou repulsão sobre outros ímãs e sobre determinados materiais, principalmente aqueles que contêm ferro, níquel ou cobalto.

Os ímãs podem ser naturais, como alguns minerais que apresentam magnetização, ou artificiais, produzidos por processos industriais. Também existem ímãs permanentes, que conservam sua magnetização por bastante tempo, e eletroímãs, cuja ação magnética depende da passagem de corrente elétrica.

Todo ímã apresenta dois polos magnéticos:

Polo norte magnético: convencionalmente indicado pela letra N;
Polo sul magnético: convencionalmente indicado pela letra S.

Uma propriedade fundamental é:

polos de mesmo nome se repelem: N–N e S–S;
polos de nomes diferentes se atraem: N–S.

Ao contrário do que ocorre com cargas elétricas, não se observa, em condições usuais, um polo magnético isolado. Se um ímã em forma de barra for quebrado, cada pedaço continuará apresentando um polo norte e um polo sul. Portanto, não obtemos apenas um polo norte ou apenas um polo sul ao dividir um ímã comum.

2. Materiais magnéticos e não magnéticos

Nem todo metal é atraído com a mesma intensidade por um ímã. Materiais como ferro, níquel e cobalto são classificados como ferromagnéticos, pois podem ser fortemente atraídos e, em determinadas condições, magnetizados.

Materiais como madeira, plástico, papel, vidro e borracha não apresentam atração perceptível por ímãs comuns. Isso não significa que sejam absolutamente indiferentes aos campos magnéticos: todos os materiais possuem alguma resposta magnética, mas, em muitos casos, ela é fraca demais para ser observada em situações cotidianas.

Um exemplo simples é o ímã de geladeira. Ele pode atrair uma arruela de aço, mas não atrai uma moeda de material não ferromagnético com a mesma intensidade. A atração depende da composição e da estrutura microscópica do objeto.

3. Campo magnético

O campo magnético é a região do espaço em que um ímã, uma corrente elétrica ou uma carga em movimento pode exercer influência magnética. Ele é uma grandeza vetorial, representada pelo símbolo B.

A unidade do campo magnético no Sistema Internacional é o tesla, símbolo T. Em situações cotidianas, também é comum utilizar o gauss, sendo:

1 T = 10 000 G

O campo magnético não é visível diretamente, mas seus efeitos podem ser observados. Uma pequena bússola colocada perto de um ímã gira até se alinhar com o campo local. Limalhas de ferro também podem revelar, de maneira aproximada, a distribuição do campo ao redor de um ímã.

Linhas de campo magnético

As linhas de campo são uma representação gráfica. Em cada ponto, a direção do campo magnético é indicada pela tangente à linha. A orientação convencional das linhas, na região externa de um ímã, é do polo norte para o polo sul. No interior do ímã, elas completam o percurso, formando linhas fechadas.

quanto mais próximas as linhas, maior a intensidade relativa do campo;
as linhas de campo não se cruzam;
uma bússola tende a se alinhar tangencialmente às linhas de campo;
as linhas representam um modelo, não tubos materiais presentes no espaço.

Nas proximidades dos polos, as linhas costumam ser desenhadas mais concentradas. Isso representa um campo mais intenso nessa região.

4. A bússola e o campo magnético da Terra

A agulha de uma bússola é um pequeno ímã. Quando pode girar livremente, ela tende a se alinhar com o campo magnético terrestre. Por isso, a bússola pode ser usada para indicar aproximadamente a direção norte–sul.

É importante distinguir o norte geográfico do polo magnético terrestre. A extremidade da agulha chamada polo norte é atraída por uma região próxima do norte geográfico que, do ponto de vista magnético, se comporta como um polo sul. Essa nomenclatura pode parecer contraintuitiva, mas decorre da regra de que polos magnéticos diferentes se atraem.

O campo terrestre também forma a magnetosfera, uma região que interage com partículas carregadas provenientes do Sol. Essa proteção magnética, juntamente com a atmosfera, reduz a chegada de parte dessas partículas à superfície. A interação entre partículas solares e a atmosfera pode produzir auroras em regiões próximas aos polos. (science.nasa.gov)

5. Campo magnético produzido por corrente elétrica

Uma descoberta essencial do eletromagnetismo é que correntes elétricas produzem campos magnéticos. Quando elétrons se movimentam ordenadamente em um fio condutor, surge um campo magnético ao redor do fio.

Ao redor de um fio retilíneo longo, as linhas de campo têm aproximadamente a forma de circunferências centradas no fio. A orientação pode ser determinada pela regra da mão direita:

aponte o polegar da mão direita no sentido convencional da corrente elétrica;
os dedos curvados indicam o sentido das linhas de campo ao redor do fio.

O sentido convencional da corrente é o sentido em que se moveriam cargas positivas. Em um metal, os elétrons se deslocam no sentido oposto ao da corrente convencional.

Campo de um fio retilíneo longo

Em uma aproximação válida para um fio muito longo, o módulo do campo magnético a uma distância r do fio é:

B = μ₀ I / (2πr)

Grandeza	Significado	Unidade no SI
B	campo magnético	tesla (T)
μ₀	permeabilidade magnética do vácuo	N/A²
I	corrente elétrica	ampere (A)
r	distância ao fio	metro (m)

Para cálculos escolares, costuma-se usar μ₀ ≈ 4π × 10⁻⁷ N/A². O valor recomendado pelo NIST na atualização CODATA 2022 é μ₀ = 1,256 637 061 27 × 10⁻⁶ N/A², com pequena incerteza relativa. (physics.nist.gov)

6. Espiras, bobinas e eletroímãs

Quando o fio é enrolado em uma espira, os campos magnéticos produzidos por diferentes trechos do fio podem se somar na região central. Uma sequência de muitas espiras forma uma bobina ou solenoide.

Um solenoide percorrido por corrente pode produzir um campo semelhante ao de um ímã de barra. Inserir um núcleo de ferro no interior da bobina geralmente intensifica o campo, pois o material pode se magnetizar.

Essa combinação de bobina e núcleo de ferro é usada em eletroímãs, relés, campainhas, guindastes para movimentação de sucata metálica, fechaduras elétricas e diversos dispositivos de automação.

A intensidade do eletroímã pode ser aumentada, em determinadas condições, por meio de:

aumento da corrente elétrica;
aumento do número de espiras;
uso de um núcleo ferromagnético adequado;
organização das espiras para que os campos se reforcem.

7. Força magnética sobre cargas e correntes

Uma carga elétrica em repouso não sofre força magnética apenas por estar em uma região com campo magnético. Já uma carga em movimento pode sofrer força magnética, dependendo da orientação de sua velocidade em relação ao campo.

Para uma carga puntiforme, o módulo da força magnética é:

F = |q|vB sen θ

Em que q é o módulo da carga, v é a velocidade, B é o campo magnético e θ é o ângulo entre a velocidade e o campo.

se a carga estiver em repouso, v = 0 e F = 0;
se a velocidade for paralela ao campo, θ = 0° e F = 0;
se a velocidade for perpendicular ao campo, θ = 90° e F é máxima;
a força magnética é perpendicular à velocidade e ao campo.

O sentido da força depende do sinal da carga. Para uma carga positiva, pode-se usar a regra da mão direita; para uma carga negativa, o sentido é invertido.

Em um fio percorrido por corrente, a força magnética pode ser calculada, em uma situação simples, por:

F = BIL sen θ

Essa relação é a base do funcionamento de motores elétricos: uma corrente em uma região com campo magnético sofre força e pode produzir movimento de rotação.

8. Exemplo resolvido

Problema: um fio retilíneo muito longo é percorrido por uma corrente de 5,0 A. Determine o módulo do campo magnético a 0,20 m do fio. Use μ₀ = 4π × 10⁻⁷ N/A².

Dados:

I = 5,0 A;
r = 0,20 m;
μ₀ = 4π × 10⁻⁷ N/A².

Aplicamos:

B = μ₀I/(2πr)

B = (4π × 10⁻⁷ × 5,0)/(2π × 0,20)

Cancelando π:

B = (20 × 10⁻⁷)/0,40 = 50 × 10⁻⁷ T

Logo:

B = 5,0 × 10⁻⁶ T

O campo magnético vale, portanto, 5,0 μT. O sentido é dado pela regra da mão direita.

9. Experimento seguro: visualizando o campo de um ímã

Materiais: um ímã pequeno, uma folha de papel, uma bússola simples e, se disponível, algumas limalhas de ferro dentro de um recipiente fechado ou em pequena quantidade sob supervisão.

Coloque o ímã sobre uma mesa.
Cubra-o com a folha de papel.
Aproxime a bússola de diferentes pontos e observe a orientação da agulha.
Se utilizar limalhas, espalhe-as sobre a folha sem soprar e sem aproximá-las dos olhos ou da boca.
Compare a concentração das limalhas ou a orientação da bússola nas proximidades dos polos e nas regiões mais afastadas.

Segurança: não use tomadas, fios ligados à rede elétrica, baterias de alta potência, aquecimento, chamas ou substâncias químicas. Ímãs fortes devem ser mantidos longe de cartões magnéticos, dispositivos eletrônicos sensíveis, marcapassos e do alcance de crianças pequenas, pois podem ser engolidos.

10. Exercícios autorais

Questão 1

Um estudante aproxima o polo norte de um ímã do polo norte de outro ímã. O que se observa?

Questão 2

Explique por que uma bússola tende a se orientar na direção norte–sul quando está longe de outros ímãs e de correntes intensas.

Questão 3

Um fio retilíneo é percorrido por uma corrente elétrica. Se a corrente for mantida constante e a distância até o fio for duplicada, o que acontecerá com o módulo do campo magnético?

Questão 4

Uma carga elétrica positiva move-se perpendicularmente a um campo magnético uniforme. A força magnética será paralela ou perpendicular à velocidade? Justifique.

Questão 5

Uma espira é percorrida por corrente elétrica. Cite duas maneiras de aumentar o campo magnético produzido por uma bobina, mantendo sua estrutura geral.

Gabarito

Os polos de mesmo nome se repelem.
A agulha é um pequeno ímã e tende a se alinhar com o campo magnético terrestre.
O campo será reduzido à metade, pois B é inversamente proporcional à distância r.
A força será perpendicular à velocidade e também perpendicular ao campo magnético.
Aumentar a corrente, aumentar o número de espiras ou inserir um núcleo ferromagnético adequado são respostas possíveis.

11. Perguntas frequentes

Um ímã pode atrair qualquer metal?

Não. A atração intensa ocorre principalmente com materiais ferromagnéticos, como ferro, níquel e cobalto. Muitos metais não são atraídos de maneira perceptível por ímãs comuns.

Por que dois ímãs podem se repelir?

A repulsão ocorre quando polos de mesmo nome são aproximados. Essa é uma diferença importante em relação à gravidade, que é sempre atrativa em situações usuais.

Existe um polo magnético isolado?

Ímãs comuns sempre apresentam dois polos. Ao dividir um ímã, cada parte forma um novo ímã com polo norte e polo sul.

Campo magnético e força magnética são a mesma coisa?

Não. O campo magnético é uma propriedade da região do espaço produzida por ímãs, correntes ou cargas em movimento. A força magnética é a interação que pode surgir quando uma carga em movimento, uma corrente ou outro ímã está nessa região.

O campo magnético pode realizar trabalho sobre uma carga?

Na situação ideal de uma carga submetida apenas à força magnética, essa força é perpendicular à velocidade e não altera diretamente o módulo da velocidade; ela pode alterar a direção do movimento. Em aplicações reais, outras forças também podem atuar.

12. Mini-quiz

Qual é a unidade do campo magnético no SI?
Resposta
Tesla, símbolo T.
O que acontece quando aproximamos polos magnéticos de mesmo nome?
Resposta
Eles se repelem.
Qual regra permite determinar o sentido do campo ao redor de um fio com corrente?
Resposta
A regra da mão direita.
Quando a força magnética sobre uma carga em movimento é máxima?
Resposta
Quando a velocidade é perpendicular ao campo magnético.
Cite um dispositivo que utilize eletromagnetismo.
Resposta
Motor elétrico, alto-falante, relé, campainha ou eletroímã, entre outros.

O que estudar depois?

Força magnética: aprofunde a regra da mão direita e os movimentos de cargas em campos magnéticos.
Indução eletromagnética: estude como a variação do fluxo magnético pode produzir tensão elétrica, princípio associado a geradores e transformadores.
Aplicações tecnológicas: investigue motores, geradores, alto-falantes, ressonância magnética e a interação entre a magnetosfera terrestre e o vento solar.

A BNCC orienta o desenvolvimento de competências relacionadas à análise de fenômenos naturais, à construção de modelos e à interpretação de tecnologias. O estudo do magnetismo permite conectar conceitos físicos, experimentação segura, matemática e aplicações presentes na vida cotidiana. (basenacionalcomum.mec.gov.br)

Referências para estudo

Conteúdo conferido com referências institucionais e educacionais.

Fisica Extraordinaria

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