Campo magnético das correntes elétricas

Experiência de Oersted

Durante muito tempo foram estudadas apenas as propriedades dos ímãs, sem considerar que houvesse alguma relação entre os fenômenos magnéticos e os elétricos.

Contudo, em 1820, um fato importante mudou essa situação. O físico Oersted descobriu que a passagem da corrente elétrica por um fio condutor também produz fenômenos magnéticos, tais como o desvio da agulha de uma bússola colocada nas proximidades de um condutor. Os fenômenos magnéticos não constituem, portanto, fenômenos isolados; eles têm relação íntima com os fenômenos elétricos.

Concluímos, então, que além do campo magnético dos ímãs, também a corrente elétrica origina um campo magnético, uma vez que ímãs e correntes produzem os mesmo efeitos. Portanto, um ímã ou um condutor percorrido por corrente originam na região do espaço que os envolve um campo magnético.

A conclusão que acabamos de destacar constitui uma das lei fundamentais da Física. Deve-se ressaltar que, além de nos informar a origem dos fenômenos magnéticos, ela conduziu à unificação de duas grandes áreas da Física, eletricidade e magnetismo, que passaram a constituir o importante ramo dessa ciência denominado eletromagnetismo. Portanto, o eletromagnetismo, abrangendo o estudo dos fenômenos elétricos e magnéticos, surgiu com a constatação de que esses fenômenos têm uma origem comum: a carga elétrica.
Vimos que um ímã estabelece, no espaço em torno dele, um campo magnético. É verdade também que o campo de um ímã é criado por cargas elétricas em movimento no interior do material de que ele é feito. Assim, todo campo magnético se estabelece por cargas elétricas em movimento.

No endereço http://www.micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/compass/index.html (acesso em 31/10/2012) você pode simular o desvio sofrido de uma agulha magnética de uma bússola ao ser imersa num campo magnético.

Em breve, os autores deste blog publicarão um vídeo deles mostrando a Experiência de Oersted, na seção experiências.

Clique aqui para saber mais sobre a experiência de Oersted.

FONTES:

1. Ramalho Junior, Francisco; Ferraro, Nicolau Gilberto; Soares, Paulo Antônio de Toledo. Os fundamentos da física 3. 9ª edição. São Paulo, Moderna, 2007.
2. Luz, Antônio Máximo Ribeiro da; Alvarenga, Beatriz. Física: volume único. São Paulo: Scipione, 2007.

3. Tipler, P.A. Física: para cientistas e engenheiros. Volume 2, 4ª edição.

O reator experimental de fusão Tokamak

Principais componentes de um sistema
de confinamento magnético do tipo tokamak.

O reator experimental de fusão Tokamak é um grande toróide que produz um campo magnético para confinar partículas carregadas. Bobinas constituídas por mais de 10 quilômetros de fios de cobre resfriados à água conduzem uma corrente pulsada que chega a 73.000 A e produz um campo magnético de 5,2T durante cerca de 3s.

O campo magnético é produzido por uma bobina em forma de toróide, um sólido semelhante a um pneu de automóvel, pode ser determinado aplicando-se a Lei de Ampère a uma circunferência de raio r.

O tokamak é o engenho mais promissor, até o momento, para a obtenção da fusão termonuclear. Consiste num toróide (formato de um pneu de carro) no qual uma câmara de vácuo contém um anel de plasma confinado por campos magnéticos retorcidos .

Nota - a palavra tokamak é um acrônimo das palavras russas toroidal'naya kamera magnitnoi katushki, que significam câmara toroidal e bobinas magnéticas.

Configuração de um tokamak - Uma corrente elétrica transitória que circula na bobina primária de um tokamak induz no anel de plasma uma corrente, que servirá tanto para aquecê-lo como para produzir um campo magnético poloidal. O outro componente importante do campo magnético corresponde ao campo magnético toroidal, gerado por correntes elétricas que circulam nas bobinas de campo toroidal ao redor do toróide. Além disso, correntes que circulam nas bobinas de controle de posição geram campos magnéticos auxiliares que modificam o campo poloidal, equilibrando o anel de plasma e controlando sua posição dentro da câmara. A combinação dos campos poloidal e toroidal conduz ao confinamento adequado do plasma em tokamaks.

Aquecimento de plasma - A maneira mais eficiente de aquecer o plasma num tokamak é fazer com que circule através dele uma corrente induzida pela bobina primária. Esta bobina representa o circuito primário de um transformador no qual o anel de plasma constitui o circuito secundário. Funciona como um aquecedor elétrico onde o calor gerado depende da intensidade da corrente e da resistência elétrica. Entretanto, a resistividade do plasma diminui à medida que sua temperatura aumenta, tornando o processo de aquecimento menos eficiente. A temperatura máxima que pode ser atingida em tokamaks por aquecimento resistivo (aquecimento ôhmico) é de aproximadamente 3×10⁷ K, duas vezes maior que a temperatura no centro do Sol, mas que é menor do que a necessária para fazer com que um reator funcione, aproximadamente 10⁸ K. Em experimentos que utilizam máquinas do tipo tokamak, técnicas de aquecimento auxiliar tem sido utilizadas para atingir temperaturas de até 5×10⁸ K (mais que 30 vezes a temperatura no centro do Sol). Os dois métodos principais de aquecimento adicional consistem na injeção de feixes de partículas neutras de alta energia e de ondas de radiofreqüência de vários tipos.

Fontes:

- Tipler, P.A. Física: para cientistas e engenheiros. Volume 2, 4ª edição.

- Site: http://www.plasma.inpe.br/LAP_Portal/LAP_Sitio/Texto/Tokamaks.htm, acessado em 24 de outubro de 2012.

Campo magnético produzido por cargas em movimento

Carga puntiforme q com velocidade v.

Na figura ao lado, q é uma carga puntiforme com uma velocidade v. Devido à velocidade, produz-se em um ponto P qualquer (demarcado na figura) um campo magnético de intensidade B. O vetor unitário r que aponta da carga até o ponto de observação. Assim, o campo magnético em P tem o sentido do produto vetorial de v com r.

Sendo assim, o campo magnético B produzido por uma carga q com velocidade vetorial v é dado pela fórmula:

onde 

é uma constante de proporcionalidade, chamada constante magnética (permeabilidade do espaço livre) e r é o vetor unitário que aponta da carga puntiforme para a direção P do campo.

Por exemplo, considere a seguinte figura:

Se a partícula representada tem carga q = 4,5 μC e velocidade v = (3,0 m/s)î ao longo da linha y = 3,0 m no plano z = 0, determine o campo magnético na origem produzido por esta carga quando ela está no ponto x = -4m e y = 3m.

Resolução: na situação proposta pelo exercício, temos v = 3î e r = 4î-3j

Assim,

e, portanto, campo B produzido na origem pela carga q tem módulo igual a 3,24.10^(-14) T no sentido de -k.